Обоснование проектирования Водохозяйственного комплекса р. Исеть – пос. Каменка

Неиспользуемый или мертвый объем водохранилища, отвечающий УМО должен обеспечить следующее:

- минимальный объем воды в зоне отдыха;

- резервный объем для будущего отложения наносов;

- минимальный объем воды для поддержания условий существования рыб и биоценоза;

- минимальный объем воды по условиям ее качества;

- минимальный уровень воды, гарантирующий бесперебойную работу сооружений, отводящих воду из водохранилища (каналов, трубопроводов, насосных установок).

В проектной практике отметка УМО, как и НПУ, выбирается в результате технико-экономического рассмотрения нескольких вариантов. Выбирая НПУ, мы тем самым выбираем полный объем водохранилища и максимальный напор на гидроузле, а выбирая УМО, - полезный объем водохранилища и минимальный напор, а также параметры, определяющиеся этой отметкой, например, гарантированную водоотдачу из водохранилища.

 

 

1. Определение параметров водохранилища по топографическим характеристикам

Исходные топографические характеристики предполагаемой зоны затопления (зависимость площади территории затопления от высотной отметки) приведены в табл.3.1, там же рассчитывается  объем водохранилища.

Таблица 3.1

Отметка, h, м усл.	0	4	8	12	16
Площадь затопления (площадь зеркала водохранилища), м2×106	0	14	23	74	120
Разность отметок,Dhi, м	0	4	4	4	4
Средняя площадь зеркала водохранилища между отметками, (fi+fi+1)/2м2×106	0	7	18,5	48,5	97
Приращение объема водохранилища DV=Dhi (fi+fi+1)/2, м3×106	0	28	74	194	388
Объем водохранилища, м3×106	0	28	102	296	684

По полученным результатам строим графики зависимости площади водохранилища и его объема от отметки уровня воды (за нулевую отметку принимается отметка дна водохранилища) (рис. 3.1, 3.2).

Рис.3.1. График зависимости площади зеркала водохранилища от отметки уровня воды

 

 

Рис.3.2. График зависимости объема водохранилища от отметки уровня воды

 

По полученным морфометрическим зависимостям определяем возможную отметку НПУ.

Из практики проектирования известно, что величина сработки водохранилищ не должна превышать 1/3 максимальной глубины водохранилища (или максимального напора).

По топографическим условиям оптимальная глубина водохранилища достигается при 13 м, что соответствует объему 400 млн. м3. Учитывая, что глубина сработки не должна превышать 1/3 максимальной глубины водохранилища, при НПУ=13 м (VНПУ=390 млн. м3) УМО=8,60 м (VУМО=110млн м3).Vполезн=280 млн. м3.

 

2. Определение параметров водохранилища по экономическим показателям

Согласно проекту использования водных ресурсов р. Исеть пос. Каменка,  полезный объем водохранилища должен быть не меньше

Vполез.>Vв +0,1Vв +0,25Wполов.

Объем водохранилища, необходимый для аккумуляции 25% стока половодья 0,25Wполов.  определяется для года 3% обеспеченности стока (основной расчетный случай) при проектировании ГТС III класса.

Предварительно класс сооружения определяется III, так как при напоре 13 м (п.3.1) высота плотины будет больше 14 м, что по СНиП 33-01-2003 [17] соответствует ГТС III класса.

Объем стока половодья находится по гидрографу половодья, который может быть построен разными способами. Наиболее простой и рекомендуемый при предварительном проектировании способ построения гидрографа методом Кочерина, при котором гидрограф аппроксимируется треугольником (рис.3.3).

Рис.3.3 Схематизированный гидрограф половодья для расчета трансформации расхода

 

При этом задаются следующие данные: максимальный расход воды расчетной обеспеченности и продолжительность половодья

Wполов3%=Qmax 3%×tпол×0,5= 360*45*24*60*60*0,5=700  млн. м3;

Vполез.>Vв +0,1Vв +0,25Wпол=39,38+0,1*39,38+0,25*700 = 218    млн. м3.

Vполезн. мин = 218  млн. м3.

Объем стока половодья 0,5% обеспеченности, необходимый для дальнейших расчетов при определении отметки ФПУ (особый расчетный случай при проектировании ГТС III класса),рассчитывается аналогично:

Wполов0,5%=Qmax0,5%×tполов×0,5=  470*45 * 24 * 60 * 60 * 0,5 = 913 млн. м3.

 

3. Сравнение полученных результатов определения параметров водохранилища, предварительное определение полезного и полного объема водохранилища (без учета потерь)

Применяем сезонное регулирование для данного водного объекта.

Полученные характеристики НПУ=13,00 м, УМО=8,60 м, полногоVНПУ=390,0 млн. м3 и полезного объемов Vполезн= 280 млн. м3 принимаем для дальнейших расчетов.

 

4. Учет потерь из водохранилища

Учет потерь дает возможность найти тот объем воды, который должен быть накоплен в нем для покрытия не только полезного потребления, но и для возмещения потерь воды на испарение и фильтрацию за период сработки (опорожнения) водохранилища. Учет потерь приводит к необходимости увеличения его полезного объема.

Потери воды из водохранилищ слагаются из потерь на испарение, фильтрацию, льдообразование и пр. При водохозяйственных расчетах они подлежат учету.

Потери воды на испарение с открытой поверхности определяют  по данным ближайших метеорологических станций или по расчетным формулам и выражаются высотой слоя испарения. При расчетах высоту слоя испарения уменьшают на величину слоя осадков, выпадающих непосредственно на зеркало водохранилища.

Для предварительных расчетов можно использовать сумму осредненных значений месячных величин слоев испарения за вычетом осадков за период открытого русла со  средней площади зеркала водохранилища. Согласно табл.1.1, сумма испарения с водной поверхности за период с апреля по ноябрь за вычетом осадков

SЕв(4-11)-SОс(1-12)=199 мм.

Площадь зеркала водохранилища при его средней глубине (между НПУ и УМО) hвод.ср=10,2 м, Fз.ср.=56×106м2.

Объем водохранилища, который требуется для компенсации потерь на испарение Vпот.исп.=(SЕв(4-11)-SОс(4-10))×Fз.ср =0,19×56×106=10,6×106 м3.

Потери на фильтрацию слагаются из фильтрационных потерь через тело земляной плотины, в обход плотины и под нее и через ложе водохранилища. В предварительных расчетах фильтрационные потери принимают равными слою воды, теряемому в течение года с площади зеркала.

При средних гидрогеологических условиях(супесчаные грунты в ложе водохранилища) этот слой принимается равным 0,5 м в год.

Vпот.ф.=0,5×Fз.ср =0,5×56×106=28×106 м3.

Общий объем потерь Vпот.=Vпот.исп +Vпот.ф.=10,6×106+28×106 м3=38,6×106 м3.

Vпол-Vпот.=280-38,6=241,4×106 м3>218×106 м3

Следовательно, полезного объема достаточно с учетом потерь.

Рассмотрим соотношение полезного объема и среднемноголетнего объема стока реки в створе ГЭС   W0=Q0T0,

  где Q0- среднемноголетний расход.

Согласно исходным данным, W0= 495 млн. м3.

Vполезн=280 млн. м3> 0,1×495 млн. м3. Следовательно, водохранилище может вести сезонное регулирование стока.

 

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ПАРАМЕТРОВ ПЛОТИНЫ

 

Геологические условия участка строительства в большой степени определяют возможную высоту грунтовой плотины.

В данной работе рассматривается грунтовая однородная плотина на супесчаном основании. Отсыпка тела плотины ведется из супесчаного грунта.

В соответствии с исходными данными, в рассматриваемых условиях возможно строительство грунтовой плотины III класса, высота которой должна быть, в соответствии со СНиП 33-01-2003,15¸35 м, а бетонной от 10  до 25 м.

Строительная высота плотины определяется в зависимости от отметки НПУ и ФПУ.

Выбор заложения (крутизны) откосов плотины производится на основе опыта строительства и эксплуатации аналогичных сооружений с учетом физико-механических характеристик грунтов тела плотины и основания, действующих на откосы сил, высоты плотины, методов производства работ по возведению плотины и условий ее эксплуатации. Назначенные заложения откосов затем проверяются расчетами статической устойчивости и при необходимости корректируются.

Заложение откосов принимается равным: для верхового откоса тв= 3,0, для низового откоса тн= 2,5.

Ширина гребня плотины с учетом строительства автомобильной дороги IVкатегории (межмуниципальная) проектируется 10 м.

Отметку гребня плотины в соответствии с принятыми нормативами, следует назначать на основе расчета возвышения его над расчетным уровнем воды.

Для приближенных расчетов в курсовой работе отметка гребня плотины рассчитывается по формуле

ÑГР = ÑНПУ + hнагон + hиакат+0,5.

Величины нагона и наката волн определяются по графикам Приложения 2,рис.П2.5, П2.6 в зависимости от уклона реки lР и максимальной глубины воды в водохранилище Н=13,0  м(при построении графиков принято, что расчетная скорость ветра 20 м/с, верховой откос плотины крепится бетоном). В соответствии со СНиП 33-01-2003, класс ГТС  - III.

Отметка гребня плотины

ÑГР = 13+0,03+1,50+0,5=15,03@15,50 м.

 

5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДОННОГО ВОДОСПУСКА

Для обеспечения пропуска санитарных расходов проектируется донный водоспуск с затвором, рис.5.1.

 Минимальный  расход через водоспуск должен  обеспечивать пропуск санитарного  расхода 0,87 м3/с при наименьшем напоре. Наименьший напор будет при условии уровня воды на отметке УМО в верхнем бьефе 8,6 м и максимального проектного уровня в нижнем бьефе на отметке 5 м. Нmin=2,5 м.

При пропуске половодья и паводков низкой обеспеченности донный водосброс должен работать при полностью открытом затворе [17]. Максимальный проектный напор может быть при уровне воды в нижнем бьефе на отметке НПУ и минимальном уровне в нижнем бьефе 1 м.Нmax=13-1,0=12 м

Для водоспуска прямоугольной формы расход воды рассчитывается по формуле:

 

При m=0,6,  стандартной ширине b=1,0 м, минимальный расход должен быть

Qmin = 0,87 м3/c;

 

 

Принимаются стандартные размеры отверстия с запасом 1,0х1,25 м.

Для расчета пропуска половодья и паводков низкой обеспеченности график пропускной способности донного водоспуска в зависимости от напора рассчитывается при полностью открытом затворе от минимального Нminдо максимального напора Нmaxв табл.5.1и стоится на рис.5.2.

 

 

 

 

Таблица 5.1

Расчет пропускной способности донного водоспуска при полностью открытом затворе

H, м	2,5	6	12
Qмакс, м3/с	4,2	6,51	9,20

 

Пропуск минимального санитарного  расхода обеспечивается в зависимости от напора при затворе, открытом на высотуhзатв. 

 

 

Расчет пропускной способности донного водоспуска в зависимости от напора для пропуска санитарного расхода выполняется в табл.5.2, график строится на рис.5.3.

Таблица 5.2

Расчет высоты открытия затвора донного водоспуска для пропуска санитарного расхода   0,87 м3/с в зависимости от напора

H, м	2,5	6	12
hзатв, м	0,20	0,14	0,09

 

 

 

 

 

 Рис.5.2. График пропускной способности донного водоспуска

при полностью открытом затворе в зависимости от напора

 

 

 

 

 

Рис.5.3. График высоты открытия затвора при минимальном санитарном расходе в зависимости от напора

 

 

 

6. РАСЧЕТ ПАВОДКОВОГО ВОДОСБРОСА

 

Для пропуска паводка предусматривается открытый регулируемый водосброс. Это позволяет аккумулировать часть объема половодья в емкости форсировки, а часть в полезной емкости.

Расчет водосброса проводится для основной и проверочной обеспеченности максимальных расходов. Открытый регулируемый водосброс рассчитывается на пропуск максимального расхода основной обеспеченности при отметке НПУ, а расхода проверочной обеспеченности - при отметке ФПУ. Ширина водосливной части определяется по допустимому  на размыв удельному расходу воды. Для этого, зная проектную максимальную глубину воды в нижнем бьефеhмах= 5 м при прохождении максимального расхода Qmax  и допустимую на размыв скорость течения воды vdon  (принимается равной 1,15 м/с  для супесчаных грунтов русла реки в нижнем бьефе) определяется допустимый удельный расход