Водосливная плотина в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла

5.2. Определение размеров водобойной плиты
Как правило, водобойную плиту заканчивают в сечении, проведённом в конце поверхностного вальца гидравлического прыжка. В связи с этим длину водобоя, измеряемую от сжатого сечения, принимаем равной длине затопленного гидравлического прыжка.
Длина водобой плиты
Lвп5h2 57,91 39,55 м
Толщина водобойной плиты рассчитывается исходя из условия рассмотрения её устойчивости на опрокидывание.На водобойную плиту действуют следующие силы:
- Вес плиты:
G Vвп γ
Где Vвп – объем плиты на погонный метр,
V_нпL_впt-t2/8((68)1)/239.55t-t2/87
t - толщина водобойной плиты.
у - удельный вес плиты, γ γвзв γб -γв 2,4-1 1,4т/м3
G V_вп γ (39.55t-t2/87)1,455,37е-0,175t29.8т
-Дефицит давления:
U 0.50.7(h”-h’)Lвп γв
По [1.стр. 30] при к 1,05-1,1 максимальное значе ...

Содержание
1. Исходные данные 3
2. Выбор створа и компоновка гидроузла 3
3. Основные сооружения гидроузла 4
3.1. Глухая плотина 4
3.2. Водосливная плотина 4
3.3 Здание ГЭС 6
3.4. Судоходный шлюз 7
Приложение 1. Построение кривой связи расходов и уровней нижнего бьефа 8
Приложение 2. Обоснование размеров и конструкции грунтовой плотины 10
Приложение 3. Выбор ширины водосливного фронта и отметки гребня водосливной плотины 11
Приложение 4. Проектирование поперечного профиля водосливной плотины 14
Приложение 5. Определение отметки и подбор толщины водобойной плиты 15
5.1. Уточнение отметки пониженного крепления в нижнем бьефе 15
5.2. Определение размеров водобойной плиты 17
Приложение 6. Расчет рисбермы 19
Приложение 7. Расчет концевого устройства 21
Приложение 8. Определение параметров пропуска воды в строительный период 22
Приложение 9. Проектирование подземного контура водосливной плотины 24
Приложение 10. Проектирование сопрягающего устоя 26
Приложение 11. График маневрирования затворами многопролетной водосливной плотины 27
Список литературы 29

1. Исходные данные
Запроектированный гидроузел располагается на Юге России. По хозяйственной значимости и ответственности с учётом последствий разрушения основные сооружения гидроузла отнесены к первому классу.
Коренные породы в районе гидроузла представлены граниты. В русле реки корен-ные породы залегают на отметке 93,00м.
Аллювиальный слой представлен песком с гравием с характеристиками прочности:f 0,49. Коэффициент фильтрации аллювиального слоя 150 м/сут.
Гидрологические данные представлены расчётными расходами в створе водомер-ного поста (ВП) с вероятностями превышения максимумов, соответствующими классу сооружений, и уровнями воды в реке, соответствующими этим расходам, (табл.1). Отметка дна русла в створе водомерного поста составляет 101,7 м.
Высота волны в водохранилище hB 1,2 м.
Характерные отметки воды в водохранилище составляют:
УМО 112 м. НПУ 116,0м. ФПУ 116,6 м.
2. Выбор створа и компоновка гидроузла
Запроектированный гидроузел имеет не только энергетическое, но и транспортное назначение. В связи с этим, в состав основных сооружений входят не только ГЭС, водо-сливная и глухая плотины, но и однониточный шлюз.
Выбор створа и размещение основных сооружений гидроузла произведены с уче-том очередности строительных работ, пропуска строительных расходов и расположения перемычек. Также при выборе компоновки гидроузла немалая роль отводилась сокраще-нию объемов земляных работ.

К50%+а (6)При +∆hН.К50%=0,7∙1,0=0,7 м ∆h50% – нагон за счет волнового действия, наблюдающийся раз в 50 лет (пренебрегаем в расчете) ∇ГрПл=116+0,+0,8=118,1 мСледовательно, Отметка гребня плотины: ∇ГрПл =118,1мШирину гребня плотины определим, исходя из условия размещения дороги заданного габарита.Для габарита дороги Г-6 ширину гребня плотины определим по формуле:В = 6 + Втр + Воб (7)где Втр = 0.6 м – ширина тротуара ; Воб= 0,5 м – ширина обочины. Тогда,В = 6 + 0,6 + 0,5 = 7,1 м.Профиль грунтовой плотины представлен на рис. 2.Приложение 3. Выбор ширины водосливного фронта и отметки гребня водосливной плотиныВыбор варианта водосливной плотины будем осуществлять, исходя из условия сопоставимости отметок подошвы водосливной плотины и ГЭС. При этом водосливную плотину будем рассчитывать на пропуск расчетного расхода. Величину расчетного расхода определим по формуле:Qp=Qосн-QГЭС (8)Qp=1280-3∙5=1130 м3/сПеред началом расчета выберем ряд стандартных напоров и определим для каждого из них ширину водосливного фронта, необходимую для пропуска расчетного расхода.Для этого воспользуемся водосливной формулой [1]:Q=m∙B∙2∙g∙H3/2 (9)где Q — расход водосливной плотины (в нашем случае Q = Qp = 1130 м3/с):В – ширина водосливного фронта (м);m – коэффициент расхода ( для водосливной плотины с водосливной гранью, выполненной по координатам Кригера- Офицерова, примем m = 0,48)Н – напор на водосливной плотине (м).Далее разобьем полученную ширину водосливного фронта на ряд стандартных водосливных отверстий. При разбивке будем соблюдать следующие принципы:Ограничение длины затвора уменьшения прогибов:b/H ≤ 4, (10)2)Ширина водосливного отверстия должна отвечать климатическим условиям района расположения гидроузла. (при пропуске льда ширину пролетов не менее 10 м для рек южных районов; минимальный напор на водосливе при сборе льда должен быть не менее (1,15δ + 0,15) м , при δ – толщина льда.3)Число водосливных отверстий должно, по возможности, быть нечетным для обеспечения более благоприятных режимов движения волы в нижнем бьефе при пропуске расходов через водосливную плотину.4)Ширина водосливного отверстия должна соответствовать стандартной длине затвора(b = 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14,...,30 м).Схема для определения параметров водосливной плотины представлена на рисунке 8.Рис. 8 «Схема водосливной плотины».Выбор напоров и соответствующих им вариантов водосливных плотин осуществим в табличной форме. Результаты сведем в таблицу 2.Таблица.2 «Расчет водосливного фронта»Название величиныНапор на водосливе3,004,005,006,007,00q, м2/с11,0517,0123,7731,2539,38В, м102,2866,4447,5436,1628,70n×b12×914×56×85×86×5Гр, м113,00112,00111,00110,00109,00hk, м2,393,193,994,785,58Z, м10,1010,1010,1010,1010,10η'4,223,172,532,111,81Э'2,632,352,412,222,19h", м6,297,499,6110,6212,22h2, м6,928,2410,5711,6813,45В, м98,9897,6695,3394,2292,45t2,523,003,844,254,89П96,4694,6691,4989,9787,57Вр, м129,6084,0057,6048,0036,00Пример расчета для Н= 4 мУдельный расход на водосливе:q=m∙2g∙H23=m∙2∙9.81∙42/3Ширина водосливного фронта:B=Qгq=113017=66.47 мПринимаем 5 пролетов по ширине 14 м. Отметка гребни водосливной плотины:∇ГрПл=∇НПУ-Н=116-4=112 мКритическая глубина:hк=3α∙q2g=31.1∙1729.8=3.19 мПерепад:∇ГрПл=∇НПУ-∇УНБосн=116-105,9=10,10 мНайдём по графику 12-25 'Гидравлика' Чугаева Э'=2,35h"=Э' – hk =2.35 – 3.19 = 7,49 мh2 = 1,1 ∙h” = 1.1∙7.49 = 8.24 мОтметка водобоя:В = УНБосн – h2 = 105,9 – 8,24 = 94,66 мТолщина водобоя:t= 0,4 ∙ h"= 0.4 ∙ 7,49 = 3,05 м;Ширина водослива по подошве:Вр = 1.2∙n∙b = 1.2∙5∙14 = 84 мДля выбора подходящего варианта водосливной плотины необходимо знать отметку подошвы здания ГЭС.Определение отметки подошвы здания ГЭС. - Определение диаметра трубы D1:D1=Q1Q'1∙Hp (11)Где Q1 – расход через один турбин, Q1=50 м3/cQ’1 – экспериментальный расход.Нр – средняя разность уровней. При Нmах=20 м. принимаем ПЛ20 Q"1 = 1.8. σ = 0.75Нр=116-102,9+(112-106,0)2=9,55 мD1=501,8∙9,55=3,0 мПринимаем D1=3000 мм.- Определение высоты отсасывания Hs:Нs=10-∇900-σ∙H=10-112900-0.75∙9.55=2.71 мОпределение отметки подошвы здания ГЭС:ПГЭС = УНБmin+ Hs + hтр – t = УНБmin+ Hs +0.4∙D1 + 1.95∙ D1 + 3/7 D1 = 98+2.71+0.4∙3-1.95∙3-3/7∙3 = 94.77 мИз того что отметка подошвы водослива должна быть не много отличаться от отметки подошвы здания ГЭС ( не более 3 м), следует принять вариант: 5 пролетов по 14 м с напором 4м и с отметкой подошвы П=94,66 м.Окончательно принята ширина водосливного фронта В=70 м ( 5 отверстий по 14м).Проверка допустимого перепада (по заданию ΔН=0,7 м):ΔН=НФПУ – Н; (12)где Н – напор на гребне водослива при НПУ; НФПУ – напор на гребне водослива при ФПУ. Определение НФПУ:НФПУ=(Qпов-QГЭСm∙B∙2∙g)2/3=(1400-1500.48∙70∙2∙9.81)2/3=4.14 мОпределение перепада между уровнями воды:ΔН=4,14 – 4 =0,17 м < 0,7 м.Так как перепад между уровнями уменьшает допустимого, то задаем ΔН=0,7 м Окончательно принята ширина водосливного фронта В=70 м (5 отверстий по 14 м).Проверка пропускной способности водосливного фронтаОпределим максимальную пропускную способность выбранного водосливного фронта:Q=m∙B∙2∙g∙H2/3 (13)где m - коэффициент расхода (m = 0.48). Отсюда:Q=0.48∙5.14∙2∙9.81∙423=1190м3с>1130 м3сПриложение 4. Проектирование поперечного профиля водосливной плотиныДля построения профиля бетонной водосливной плотины воспользуемся значениями координат X и Y криволинейного бензовакуумного профиля плотины [2] (водосливная стенка Кригера-Офицерова). Координаты профиля полученные для профилирующего напора Нпроф, представлены в табл. 3. Схема расположения координат дана на рис.9.Рис. 9 «К построению профиля водосливной плотины».В качестве профилирующего выберем напор на водосливной плотине при прохождении поверочного расхода: Нпроф = 4,14 м.Таблица 3. Проектирование поперечного профиля водосливной плотины№ точкиху№ точкиху10,000-0,522166,210-2,73720,414-0,149176,624-3,16330,828-0,029187,038-3,61441,2420,000197,452-4,08651,656-0,025207,866-4,58762,070-0,112218,280-5,11372,484-0,248228,694-5,66882,898-0,414239,108-6,24393,312-0,604249,522-6,843103,726-0,820259,936-7,427114,140-1,0602610,350-8,114124,554-1,3292710,764-8,785134,968-1,6312811,178-9,476145,382-1,9672911,592-10,193155,796-2,3353012,006-10,930С дном нижнего бьефа водосливная плотина сопрягается по дуге окружности радиусомRсопр = 8,9 мПриложение 5. Определение отметки и подбор толщины водобойной плиты5.1. Уточнение отметки пониженного крепления в нижнем бьефеУточнение отметки водобойной плиты будем проводить для трех расчетных случаев.a) Частичное открытие затвора.b) Полное открытие одного пролёта и частичное открытие второго и третьего пролётов.c) Все пролtты открыты, уровень в верхнем бьефе соответствует ФПУ.Рис.10 – Три расчетных случая при уточнении отметки водобойной плитыПри уточняющем расчете учтем пространственный характер движения воды в нижнем бьефе. Для этого воспользуемся следующей формулой^h"пр=β+2(1+k)1+2(1+k) (14)где β - коэффициент использования водосливного фронта;k – коэффициент, установившийся соотношение между эффективностью транзитного и спутного потоков.Для 1-ого случая : β = 1/5 ; k = 0Для 2-ого случая : β = 1/5 ; k = 0.3Для 3-ого случая : β = 1 ; k = 1Удельный расход на водосливе:q1 = 0.3∙qполн = 5,1q1 = qполн = 17,0q=qпов=m∙2∙g∙HФПУ32=0,48∙2∙9,81∙4,1432=17,9 м3/с Критическая глубина:hk=3α∙q2g (15)Расходы:Q1=QГЭС = 150 м3/сQ1=QГЭС + 5∙b∙q1 = 150 + 5∙14∙51 = 507 м3/cПо кривой связи расходов и уровней в нижнем бьефе получим УНБ. Перепад:Z =НПУ – УНБ2 (16)Η = Z/hk (17)Найдём Э' по графику 12-25 "Гидравлика" Чугаева[2]h’ = Э’∙hk (18)h"=β+2(1+k)1+2(1+k)h"пл (19)h2 = 1.1 ∙ h” (20)Отметка водобоя:В = УНБ – h2 (21)Все расчеты выполнены с помощью компьютерной программы Excel и приведены в таблице 4, причем три случая рассчитаны с учётом пространственности задачи.Табл. 4 Уточнение отметки водобойнойСлучай123q, м3/с5,1017,0017,90УНБ101,30104,00106,00Q150,00507,001400,00hk, м1,433,193,30Z, м14,7012,0010,00η'10,293,763,03Э'3,232,482,40h", м4,617,917,92h2, м3,726,768,71В, м97,5897,2497,29hпр", м3,386,157,92Пример расчета строки таблицы для второго расчетного случая:1) Второму расчетному случаю отвечает прохождение польно одного пролета. По кривой связи расходов и уровней ( рис. 6). определяемУНБ = 104 м.2)Величину удельного расхода определим по формуле:q2 = qполн = 17,0 м3/сДля вычисления критической глубины воспользуемся формулой (15):hк=3α∙q2g=31.1∙1729.8=3.19 мДля определения величины коэффициента η' воспользуемся формулойη’ = Z/hкр (22)где Z = 12 м - перепад между уровнями нижнего и верхнего бьефов;η’ = 12/3,19 = 3,76 м5)Значение величины Э' определяем по рис.12 - 25 [1] при φ> = 0,95:Э' = 2,48.Вторую сопряженную глубину определим по формуле (18):h”плоск = 2,6∙3,19 = 7,91 мВ данном случае имеем плоскостной характер движения воды в нижнем бьефе, поэтому примем:hпростр=7,91∙15+21+0,31+21+0,3=6,15 мГлубину воды в нижнем бьефе вычислим по формуле (20):h2 =1.1 ∙ 6.15 = 6.76 мЗная отметку уровня нижнего бьефа и глубину воды в нижнем бьефе, определим отметку водобойной плиты:B = УНБ - h2 = 104 – 6,76 = 97,24 м.По данным таблицы 5 видно, что наиболее опасный расчетный случай это второй случай. Принята наименьшая отметка водобой плиты: B = 97,24 м.5.2. Определение размеров водобойной плитыКак правило, водобойную плиту заканчивают в сечении, проведённом в конце поверхностного вальца гидравлического прыжка. В связи с этим длину водобоя, измеряемую от сжатого сечения, принимаем равной длине затопленного гидравлического прыжка.Длина водобой плитыLвп=5∙h2 =5∙7,91 = 39,55 мТолщина водобойной плиты рассчитывается исходя из условия рассмотрения её устойчивости на опрокидывание. На водобойную плиту действуют следующие силы:-Вес плиты:G = Vвп ∙ γГде Vвп – объем плиты на погонный метр,Vнп=Lвп∙t-t28+6+8∙12=39.55∙t-t28+7t - толщина водобойной плиты.у - удельный вес плиты, γ = γвзв = γб - γв = 2,4-1 = 1,4 т/м3 G = Vвп ∙ γ =39.55∙t-t28+7∙1,4=55,37∙е-0,175t2+9.8 т-Дефицит давления:U = 0.5∙0.7∙(h”-h’)∙Lвп ∙ γвПо [1.стр. 30] при к = 1,05-1,1 максимальное значение дефицита давления можно примерно равным 0,7(h"- h').где h'-глубина воды в сжатом сечении, которая определяется из уравнения прыжки:Где h’ =7,91 м; hкр=3,3 м.Решим выше уравнение и получаем h'= 1.02 м.U = 0.5∙0.7∙(7.91-1.02)∙39.55 ∙ 1 = 95.37 м-Сила, обусловленная пулъсационной добавкой гидродинамического давления, действующая сверху на водобойную плиту:P = ½ ∙ Aпл ∙0,3∙LводГде А определяется из графика зависимости амплитуды пульсационного давления у поверхности плиты крепления от положения[1]:λ=Е0hk=116-97.243.3=5.69→Апрhk=1,0→Апр=3,3 м. Апл=Апр2=3,32=1,65 P = ½ ∙ 1,65 ∙0,3∙39,55 = 9,79Условия устойчивости водобойной плиты:U∙auB≤γcγn∙γc,f∙G∙aGBгде γс – коэффициент условий работы; γс =1;γn – коэффициент надежности; γn =1,25 для I класса сооружения; γc,f – коэффициент сочетания нагрузок; γc,f = 1.auB, aGB – плечо силы U, G относительно точки В, эти значения определяются в среде Autocad (рис.11).Рис. 11. «Схема к расчету устойчивости водобойной плиты на всплывание»Определение напряжения в плите по формуле внецентренного сжатия:σz=ΣNA+ΣМц.тJ∙x≥0где ΣN – сумма сил, действующих нормально к подошве водобойной плиты.ΣN = G – P – UG = 55.37t – 0.175t2 + 9.8А – площадь погонного метра по подошве водобойной плиты (A = 39.55 м2).ХА – расстояние от центра тяжести расчетного сечения до точки А,Jу — момент инерции расчетного сечения,Jy=1∙39.5512=5155.14 м4ΣМц.т – сумма моментов всех сил. действующих на водобойную плиту относительно центра тяжести расчетного сечения;ΣМц.т=U∙auц.т.+Р∙aрц.т.Где auц.т., aрц.т. - плечо силы U, Р относительно центра тяжести, эти значения определяются в среде AutoCad (рис.12).Определяем наименьшее напряжение по формуле:σА=ΣNAΣМц.тJ∙xАВсе расчеты заносятся в таблицу 5.Табл. 5 Расчет толщины водобойной плитыtauBaGBauцтaрцтU∙auBG∙aGBΣNΣMцтXАσА2,520,9426,625,6810,361997,0485483,28741,97643,13-21,61-1,63320,9426,515,5710,471997,0486470,26969,18633,71-20,61-0,783,520,9426,435,4910,551997,0487454,09996,29626,87-19,610,05420,9426,375,4310,611997,0488435,025123,32621,73-18,610,874,520,9426,355,4510,631997,0489422,49150,26623,83-17,611,67Из таблицы видно, что толщина водобой плиты t = 4 м удовлетворяет всем необходимым условиям и, следовательно, может быть использована на гидроузле.Окончательно принимается толщина водобой плиты t = 4 м.Далее уточним отметку подошвы водосливной плотины. Для этого воспользуемся формулой:П= В – tпл = 97,24 – 4 = 93,24 мПриложение 6. Расчет рисбермыРасположенный за водобоем участок крепления русла называется рисбермой. В конце рисбермы устроено концевое устройство. Длина рисбермы равна:Lрисб=25∙hкр-Lв.п.=25∙3,3-39,55=45,93 мШирина рисбермы равна:Врисб = 1,2∙n∙b = 1,2∙5∙14 = 84 мРасчетный диаметр d - максимальный размер частиц грунта, приуроченный к каналу, определить по формуле Г.И. Шамова [1.стр.34]. к= 3.389d=0.01h2∙k∙qh22=0.016.76∙3.389∙17.96.762=0.31 мВ этом проекте рисбермы сделан из железобетонных плит. Толщина плит рисбермы определяется аналогично определению толщины водобойной плиты из условия устойчивости против опрокидывания относительно ребра.Рис.