8276
.pdfРисунок 4 – Схема к фильтрационному расчету плотины. М 1:500
Рисунок 5 – Схема к расчету устойчивости низового откоса плотины. М 1:500
19
|
22 |
Откос считается устойчивым, если |
|
Куст γn γ fc γc , |
(3.20) |
где γ fc – коэффициент, зависящий от сочетания нагрузок и равный для основного сочетания – 1,0, для особого сочетания – 0,9;
γc – коэффициент условий работы [7].
Значения коэффициента устойчивости откоса для некоторой кривой
сдвига вычисляют для 1 пог. м длины плотины.
Для построения области центров поверхностей сдвига предлагается использовать следующий метод, в котором рекомендуется центры кругло-
цилиндрических поверхностей сдвига располагать в криволинейном четы-
рехугольнике abde, образованным линиями, проведенными из середины откоса: вертикалью и прямой под углом 850 к откосу, а также двумя дугами радиусов R1=K1Hпл и R2=K2Hпл, где К1 и К2 – коэффициенты внутреннего и внешнего радиусов, определяемые в зависимости от заложения откоса по
таблице 6.
Таблица 6 – Значения коэффициентов К1 и К2
Коэффициент заложения откоса |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
К1 |
0,75 |
0,75 |
1,0 |
1,50 |
2,2 |
|
|
|
|
|
|
К2 |
1,50 |
1,75 |
2,3 |
3,75 |
4,8 |
|
|
|
|
|
|
Поверхность сдвига на поперечном профиле плотины представляет собой дугу окружности радиуса R, проведенную таким образом, чтобы она пересекала гребень плотины и захватывала часть основания, (см. рисунок
5).
Область, ограниченную кривой сдвига и внешними очертаниями плотины (массив обрушения), разбивают вертикальными прямыми на от-
секи шириной b. При расчете вручную удобно величину b принимать рав-
ной 0,1R, центр нулевого отсека размещать под центром кривой сдвига, а
остальные отсеки нумеровать с положительными знаками при расположе-
23
нии их вверх по откосу и с отрицательными – вниз к подошве плотины,
считая от нулевого.
Для каждого отсека вычисляются sinα и cosα, где α – угол наклона подошвы отсека к горизонту. При b=0,1R значение sinα≈0,1·№, где № –
порядковый номер отсека с учетом его знака, а cosα= 1 sin2α .
Затем определяют средние высоты составных частей каждого отсека,
имеющих различные плотности: h1 – слоя грунта тела плотины при естест-
венной влажности; h2 – слоя грунта тела плотины при насыщении водой; h3 – слоя грунта основания при насыщении водой.
В качестве средних высот принимают высоты частей, замеренные по
чертежу (с учетом масштаба) в середине отсека.
Определяется плотность грунта каждого слоя [2]
ρ1 1 n ρs, Т |
1 ω , т/м3 , |
(3.21) |
|
ρ2 |
1 n ρs, Т |
nρw т/м3 , |
(3.22) |
ρ3 |
1 n ρs, O |
nρw т/м3 , |
(3.23) |
где ρ1, ρ2 , ρ3 – плотности грунта тела плотины при естественной влажности,
при насыщении его водой, и грунта основания при насыщении водой, т/м3; n – пористость грунта;
ω –влажность грунта (при естественной влажности в курсовой работе можно принять ω=0,12…0,20);
ρw =1 т/м3 – плотность воды;
ρs,Т , ρs,О – плотность частиц грунта тела и основания плотины (для
песков ρs=2,65…2,67 т/м3).
Физико-механические характеристики грунтов заданы пунктом 9 за-
дания.
Определяются приведенные высоты отсеков по формуле
hпр h1 h2ρ2 ρ1 h3ρ3 ρ1 h0ρw ρ1 , м, (3.24)
где h0 – глубина слоя воды.
24
Устанавливается сила трения, т, возникающая на подошве всего мас-
сива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам
P bρ1 hпрcosαtg , т. |
(3.25) |
Значение φ выше кривой депрессии – φ1 , в грунте тела плотины ниже |
|
кривой депрессии – φ2 , в основании плотины – φ3; |
φ2 = 0,8φ1 , φ3 = 0,8φ1 . |
Вычисляются касательная составляющая веса массива обрушения, т |
|
N bρ1 hпрsinα . |
(3.26) |
Сила сцепления, т, возникающая на подошве массива обрушения, |
|
определяется по формуле |
|
S=c1l1+c2l2+c3l3, т, |
(3.27) |
где с1, с2, с3 – удельные сцепления грунта тела плотины при естественной влажности и при насыщении водой, а также грунта основания, насыщенно-
го водой; l1, l2, l3 – длины дуг кривой сдвига, соответствующие удельным сцеплениям с1, с2, с3, вычисляемые по формуле
l |
2πRβ |
, м, |
(3.28) |
|
3600 |
||||
|
|
|
где β – центральный угол (град) круглоцилиндрической поверхности сдви-
га, опирающийся на дугу l. На рисунке 5 это углы β1, β2, β3.
Фильтрационную силу учитывают как объемную:
М Jρ0 , |
т, |
(3.29) |
где – площадь фигуры МЕВDК; J |
y |
– средний градиент фильтраци- |
|
x |
|
онного потока; у – падение депрессионной кривой в пределах массива обрушения; х – расстояние, на котором произошло падение депресионной кривой на у.
b h2 h3 |
(3.30) |
Расчет составляющих формулы (24) удобно выполнять в табличной форме (таблица 7).
25
Таблица 7 – К расчету устойчивости низового откоса плотины
Номер |
sinα |
cosα |
h1, м |
h2+h3, |
hпр, м |
hпрsinα, |
φ, град |
hпр∙cosα∙tgφ, |
отсека |
|
|
|
м |
|
м |
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
0,90 |
0,57 |
2,0 |
0 |
2,0 |
1,64 |
32 |
0,71 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-2 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-3 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-4 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-5 |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сумма |
– |
– |
– |
… |
– |
… |
– |
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При выполнении неравенства (25) откос можно считать устойчивым,
в противном случае заложение откоса нужно увеличить, если же Kуст пре-
вышает n fc c более, чем на 10%, заложение откоса следует уменьшить.
3.2 Проектирование водопропускных сооружений гидроузла
К водопропускным сооружениям относятся водосбросы и водоспус-
ки. Водосбросы предназначены для сброса излишков воды во избежание переполнения водохранилища, водоспуски – для пропуска санитарных расходов в нижний бьеф гидроузла, для опорожнения водохранилища и других целей. Тип водосброса определяется заданием на проектирование.
26
В курсовой работе рассматривается башенный водосброс, совмещен-
ный с водоспуском (рисунок 6) и быстроток, имеющий большое распро-
странение в гидроузлах на малых реках (рисунок 7).
Водосбросы в соответствии с [8] надлежит рассчитывать на пропуск максимального расхода Qмакс (пункт 10 задания) определенной обеспечен-
ность Pмакс, назначаемой в зависимости от класса водосброса [8]. Класс во-
досброса принимается равным классу плотины.
Для выяснения основных размеров водосбросов и водоспусков вы-
полняются гидравлические расчеты.
3.2.1. Гидравлический расчет башенного водосброса,
совмещенного с водоспуском
Периметр башни в плане вычисляется по формуле водослива с тон-
кой стенкой [10]
Qмакс |
|
|
Вбаш= m 2gh3 2 |
, м, |
(3.31) |
где Qмакс – максимальный расход, пропускаемый водосливом, м3/с; m – ко-
эффициент расхода [10]; h = ФПУ – НПУ, м.
Далее рассчитывается площадь поперечного сечения отводящих труб
|
|
Qмакс |
2 |
|
|||
ωтр |
|
|
|
, м , |
(3.32) |
||
|
|
|
|||||
μ 2gНф |
|||||||
|
|
|
|
|
где μ = 0,6…0,7 – коэффициент расхода; Нф = ФПУ–СВУВНБ; СВУВНБ – самый высокий уровень нижнего бьефа, который определяется по кривой расходов рисунок 1 при Qмакс.
Для определения числа труб нужно задаться стандартным диаметром одной трубы dтр≤2 м [3] и вычислить площадь сечения одной трубы ω1 . То-
гда число труб будет
|
|
|
27 |
|
nтр |
ωтр |
, |
(3.33) |
|
ω1 |
||||
|
|
|
Площадь отверстия водоспуска может быть принята как
ωсп |
Qсп |
2 |
|
|||
|
|
|
, м , |
(3.34) |
||
|
|
|
||||
2gHм |
||||||
|
|
|
|
где Нм=УМО–СНУВНБ.
Форма этого отверстия может быть квадратной или прямоугольной.
Уточнение площади отверстия водоспуска производится по времени опо-
рожнения водохранилища, которое в данной курсовой работе не определя-
ется.
После расчета гасителя энергии воды (см. ниже) производится кон-
струирование водосброса по аналогии с рисунком 6. В результате этой ра-
боты необходимо составить схему водосброса в виде его разрезов.
3.2.2 Гидравлический расчет быстротока и трубчатого водоспуска
В данном водосбросе (рисунок 7) выделяется входная часть (водо-
слив), наклонная часть (водоскат) и выходная часть (гаситель энергии по-
тока).
Ширину быстротока следует принять постоянной и определять по формуле водослива с широким порогом [10]
В |
Qмакс |
|
, м, |
(3.35) |
||
m |
|
h3 2 |
||||
2g |
||||||
|
|
|
b |
|
|
|
где m – коэффициент расхода [10]; hb – |
напор |
на пороге водослива; |
hb = 2…4 м для водослива с затворами, hb = ФПУ–НПУ для водослива без затворов.
28
27
Рисунок 6 – Схема башенного водосброса, совмещенного с водоспуском
29
Глубина воды в конце водоската может быть вычислена по прибли-
женной формуле
Q |
|
n |
|
0,6 |
|
|
hнк |
макс |
b |
|
, м, |
(3.36) |
|
|
|
|||||
|
B |
ib |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где nb = 0,01…0,02 – шероховатость бетонной поверхности; ib – уклон во-
доската (пункт 12 задания).
После расчета гасителя энергии воды (см. ниже) следует разработать конструкцию быстротока. Результатом должна стать схема водосброса в виде его разрезов (рисунок 7).
Для пропуска санитарных расходов и опорожнения водохранилища наиболее целесообразно применение трубчатого водоспуска (рисунок 8).
Площадь живого сечения и число труб водоспуска можно определить по формулам (3.32) и (3.33) при диаметре одной трубы dсп≤0,3 м. Конструиро-
вание водоспуска показано на рисунке 8.
4.2.3. Расчет гасителя энергии потока воды
Избыточная кинетическая энергия потока воды за водосбросами должна быть уменьшена до пределов, при которых невозможно размыва-
ние грунтов основания. Это осуществляется с помощью специального эле-
мента водосброса – гасителя, одним из которых является водобойный ко-
лодец.
Его длина может быть определена по формуле [10]
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
пот |
|
8,6Нф |
|
|
|
|||
l 6 |
|
|
1 |
|
|
1 |
, м, |
(3.37) |
||
В |
ω B |
|||||||||
кр |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30
30
Рисунок 7 – Схема быстротока