Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

W- расчетная скорость ветра; W=15 м/с

L- длина разгона ветровой волны; L=2450 м

q- ускорение свободного падения.м/с2

H- условная расчетная глубина воды в водохранилище; H=15,7 м

 ɑв – угол  между продольной осью водоема  и направлением господствующих ветров, град;

Высота наката волны определяется по формуле:

                                      hн=2∙Кш∙hв∙1/mв∙*в/ hв

Где hв- высота волны при ФПУ;

hв=0,0208∙W5/4∙L1/3=0,0208∙155/4∙2,451/3=0,83 м

V-скорость ветра при ФПУ;

L-длина разгона волны(км);

*в=(8…10)hв=8∙0.83=6,64

hн=2∙0,65∙0,83∙1/3 ∙ 2,83 =1,02 м

Для каменной наброски   Кш=0,65

                   ↓Гр=115,7+1,02+0,6+0,0075=117,3 м

 
Отметка гребня при НПУ

Высоту ветрового нагона вычисляют по формуле:

                             ∆h=Кв (W2∙L/q∙H)cos ɑв 

 ∆h = 2,1∙10-6(202∙2050/9.81∙13,7)1=0,013 м

Кв – коэффициент зависящий от скорости ветра;  Кв =2,1∙10-6

W- расчетная скорость ветра; W=20 м/с

L- длина разгона ветровой волны; L=2050 м

q- ускорение свободного падения.м/с2

H- условная расчетная глубина воды в водохранилище; H=13,7 м

 ɑв – угол  между продольной осью водоема  и направлением господствующих ветров, град;

Высота наката волны определяется по формуле:

                                      hн=2∙Кш∙hв∙1/mв∙*в/ hв

Где hв- высота волны при ФПУ;

hв=0,0208∙W5/4∙L1/3=0,0208∙205/4∙2,051/3=1,12 м

V-скорость ветра при ФПУ;

L-длина разгона волны(км);

*в=(8…10)hв=8∙1,12=8,96

hн=2∙0,65∙1,12 ∙ 1/3∙2,83=1,37 м

Для каменной наброски   Кш=0,65

                   ↓Гр=113,7+1,37+0,6+0,013=116,3 м

Так как при ФПУ отметка гребня получилась больше, то с округлением до десятых найденное значение принимаем в качестве расчетного.

 

 

2.5. Назначение  и проектирование дренажей и  обратных фильтров.

2.5.1. Назначение  типов и размеров дренажей в русловой, пойменной частях плотины.

Для обеспечения организованного отвода фильтрующей через тело и основание плотины воды и надлежащего заглубления поверхности фильтрационного потока по отношению к поверхности низового откоса, а также для чтобы избежать промерзания живого сечения потока и его превращения в напорный, в плотинах из грунтовых материалов устраиваются дренажи. Дренажные устройства обычно состоят из приемной и отводящей частей. Приемная часть дренажа выполняется в виде обратного фильтра, предназначенного для исключения фильтрационных деформаций грунта тела и основания плотины месте выхода фильтрационного потока в дренаж.

При выборе типа дренажа и назначении параметров дренажей учитывают следующее:

- при наличии достаточного  количества каменного материала  предпочтение для русловых и  пойменных дренажей следует отдавать  дренажной призме, так как этот  тип дренажа обладает рядом  достоинств, в числе которых следует  отметить: хорошее дренирование  тела плотины и основания; выполнение  функций крепления низового откоса  в зоне волновых воздействий  нижнего бьефа; простоту конструкции; возможность использования в  отдельных случаях в качестве  перемычки для перекрытия русла  реки в период строительства  плотины;

- отметка верха дренажной  призмы (ÑДр) должна превышать отметку максимального уровня нижнего бьефа на величину а=0,4…1,0 м.обычно высота дренажной призмы составляет 1/4…1/3 от высоты плотины. Ширина дренажной призмы поверху Вдр зависит от условий производства работ и должна быть не менее 3…4 м при ее использовании для постоянного или временного проезда техники. Минимальная ширина не должна быть менее 1 м. Коэффициент заложения внешнего откоса дренажной призмы тнар=1,0…2,0, а внутреннего твн=1,0…1,5. Толщина и количество слоев обратного фильтра со стороны тела плотины и основания зависит от вида защищаемого грунта и характеристик материала призмы;

- наслонный дренаж в  чистом виде не понижает кривую  депрессии и применяется для  защиты низового откоса, в основном  от волновых воздействий, нижнего  бьефа в неоднородных земляных  плотинах с ядром или экраном, а также для защиты грунта низовой призмы от фильтрационных деформаций в месте выхода фильтрационного потока ;

- при недостаточном количестве  каменного материала для выполнения  дренажной призмы полного профиля  она может применяться в сочетании  с наслонным дренажем;

- распространенным типом  берегового дренажа является  трубчатый дренаж. Он имеет перфорированную  приемную часть, чаще всего асбестоцементную, пластмассовую или из других материалов трубу диаметром не менее 200 мм, снабженную развитым обратным фильтром для увеличения водоприемной поверхности. Трубчатый дренаж прокладывается на расстоянии от подошвы низового откоса равном 0,4…0,6 длины горизонтальной проекции низового клина плотины.

В моем случае выбираю дренажную призму в сочетании с наслонным дренажем, потому что каменный материал находится далеко. Принимаю  дренажный банкет высотой ÑДр=УНБмах+0,4=102,6+0,4=103 м, ширина дренажного банкета поверху Вдр=3м, коэффициент заложения внешнего откоса дренажной призмы тнар=1,5, а внутреннего твн=1,0.

Запас над УНБmax , принят из-за неизвестной обеспеченности заданного расхода паводка. Дренаж состоит из приемной части и коллектора. Приемная часть выполняется в виде обратных фильтров, из слоев песка. Гравия или щебня. Задача обратных фильтров – предотвращение фильтрационных деформаций грунта в зоне выхода фильтрационного потока в дренаже. Схема дренажного устройства представлена на рисунке 7.

2.5.2. Подбор  обратных фильтров.

В зоне подхода фильтрационного потока к дренажу, градиент напора возрастает, что может вызвать появление фильтрационных деформаций основания и грунта тела плотины. Для их предотвращения  дренаж защищают обратными фильтрами.

Под обратным фильтром понимается несколько слоев несвязного грунта, расположенного нормально к фильтрационной поверхности, в порядке возрастания крупности частиц по ходу фильтрации.

Для устройства обратных фильтров дренажей применяются несвязные естественные грунты или грунты, получаемые дроблением, а также искусственные пористые, минеральные волокнистые материалы или геотекстиль. Гранулометрический состав материалов обратного фильтра должен быть достаточно однороден и исключать фильтрационные деформации.

Толщина и количество слоев обратного фильтра со стороны тела плотины и основания зависит от вида защищаемого грунта и характеристик метериала дренажа. Минимальная толщина одного слоя обратного фильтра при механической укладке составляет 0,2 м при отсыпке насухо 0,5…0,7 м при отсыпке в воду.

Требования к фильтрам: достаточная водопроницаемость. Непроницаемость частиц грунта из слоя в слой, долговечность, морозостойкость, прочность, неподверженность суффозии и размыву. Чем меньше число фильтров, тем лучше.

Грунт  тела плотины – супесь  №5: d10=0,007 мм; d50=0,13 мм; d60=0,19 мм. Требуется проверить возможность использования в качестве первого слоя обратного фильтра дренажной призмы карьерный грунт следующего зернового состава: грунт№12  Д10=0,8 мм; Д50=6 мм; Д60=8,5 мм.

Для этого вычисляем коэффициент неоднородности карьерного грунта:

      

Т.к. грунт тела плотины связный, согласно графику на рис. 3.13г – [2]-стр.134. Точка с координатами Д50=6 мм. и η=10 находится в зоне допустимых значений. Принимаем в качестве первого слоя обратного фильтра грунт №12. Толщину слоя принимаем 0,2 м. Грунт №12 под действием фильтрационного потока может вымываться в грунт №17. Значит нужна защита первого слоя от вымывания, то есть нужен второй слой обратного фильтра. Но грунт №12 сыпучий, поэтому используется график а). В этом случае  в качестве обратного фильтра используют грунт в 8-15 раз крупнее, чем защищаемый.

В качестве второго слоя обратного  фильтра примем грунт №15:

Д10=5,5 мм; Д50=70 мм; Д60=90 мм

Определим коэффициент неоднородности материала фильтра

      

Коэффициент межслойности: 

Согласно графику на рис. 3.13а – [2]-стр.134. данный грунт удовлетворяет требованиям, поэтому его можно принять в качестве второго слоя обратного фильтра.

Для проверки отсутствия фильтрационных деформаций по контакту обратного фильтра дренажа с песчаным основанием пользуемся графиком 3.13б – [2]-стр.134. при восходящем фильтрационном потоке.

Грунт в основании песок крупный  №9:d10=0,15 мм; d50=0,8 мм; d60=1,1 мм

Проверим  подойдет ли грунт №12 в качестве обратного фильтра на контакте тела дренажа –грунт 17 и основания грунт 9.

Определим коэффициент неоднородности материала фильтра

      

Коэффициент межслойности: 

Согласно графику на рис. 3.13б – [2]-стр.134. данный грунт удовлетворяет требованиям, поэтому его можно принять в качестве обратного фильтра. Как и в случае подбора фильтров на контакте тела плотины и дренажа грунт №12 под действием фильтрационного потока может вымываться в грунт №17. Значит нужна защита первого слоя от вымывания, то есть нужен второй слой обратного фильтра. Используем в качестве второго слоя обратного фильтра тот же грунт 15. Толщину слоя принимаем 0,2 м.

 Обратные фильтры состоят  из крупнообломочных щебенистых  материалов(рис.4). Конструкция пойменного дренажа представлена на рис. 5.

2.7. Расчет фильтрации в теле и основании плотины.

Входе фильтрационных расчетов должны быть установлены: положение кривой депрессии; удельный фильтрационный расход через тело плотины и основание; суммарные фильтрационные потери через тело плотины, основание берега; градиенты напора фильтрационного потока в теле плотины, основание в местах выхода фильтрационного потока в дренаж, а также в местах контакте грунтов с различными характеристиками.

2.7.1. Определение фильтрационного расхода и построение кривой депрессии.

Плотина создает подпор и обязана держать уровень НПУ. При значительных фильтрационных потерях этот уровень произвольно понижается, что мы не должны допустить. Значимость потерь можно оценить расчетами по определению фильтрационного расхода.

Если Qф<(0,1…0,2)Qп.п., то этот расход допустим, а если Qф>(0,1…0,2)Qп.п, то не допустим и требуется противофильтрационное устройство (панур или зуб в основании, экран или ядро в теле плотины).

                Рис.6 Линии тока фильтрационного  потока.

 

 

 

 

 

 

 

1. плотина; 2,2'-береговой дренаж; 3- русловой дренаж.

На береговых участках фильтрационный поток перехватывается береговым дренажом, а в русловой части соответственно русловым.

Из рисунка следует, что фильтрация идет по всему фронту.

Рис.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lосн=97,5м-ширина профиля плотины по основанию (определяется графически с масштабного рисунка);

qт- удельный фильтрационный расход в теле плотины, м3/с на 1 п.м.

qосн.- удельный фильтрационный расход в основании, м3/с на 1 п.м.

Для определения общего расхода Qф используем формулу:

                                             Qф=( qт+ qосн)∙В∙

где В- длина плотины по гребню В=454 м.

- коэффициент. Учитывающий  форму плотины (в данном случае  считаем его параболическим)

Для определения удельных расходов имеются формулы, которые зависят от конструктивной схемы плотины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lф=∆ L+ L=5,48+55,6=61,1м

L=55,6м - определяется графически с масштабного рисунка;

∆ L=βН1 =0,4∙13,7=5,48м    β=0,4

 В маем случае используем  формулы для однородной плотины  на водонепроницаемом основании.

Фильтрационный расход через тело плотины qт определяется по формуле Дюпюи:

qт=

.а удельный фильтрационный расход в основании:

qосн=

где Н1- глубина воды при НПУ=13,7м;

Н2-глубина воды при УНБмин=0,5м;

 n- коэффициент учитывающий удлинение пути фильтрации за счет искривления линии;

Т- глубина водопроницаемого слоя;

Т=Lосн,тогда n=1,87

Для  построения кривой депрессии задаются значениямихв пределах от 0 до Lф, а полученные значения заносят в таблицу 2.3.

Общий фильтрационный расход через тело и основание плотины:

                         Qф=( qт+ qосн)∙В∙=(0,46+162,3)∙454∙=0,57 м3/с

Проверим допустимость фильтрационного расхода:

0,15Qп.п.=0,15∙0,9=0,13 м3/с < Qф=0,57 м3/с. Из условия видно, что расход не допустим, значит необходимо противофильтрационное устройство. Я выбираю  в качестве противофильтрационного устройства - зуб в основании.

Так как в нижнем бьефе вода присутствует, т.е Н2>0, кривая депрессии строиться по уравнению: