Московский государственный университет природообустройства

Кафедра гидротехнических сооружений


Курсовой проект
Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов
Выполнил: студент 427гр.

Ерёмин М.Н.

Проверил: Шарков В.П.




Паспорт гидроузла

Наименование	Показатель
Водохранилище
Отметка НПУ	112
Отметка ФПУ	113
Отметка УМО	105
Плотина из грунтовых материалов
Класс	IV
Тип	Земляная, насыпная, однородная из супеси
Отметка гребня	114,3
Высота (максимальная),м	14,3
Максимальный напор, м	12,2
Длина по гребню, м	115
Ширина по гребню, м	10
Категория автодороги	IV
Ширина по подошве (макс.), м	89
Заложение откосов	Верхового и низового: 3
Тип крепления откосов
верхового	Сборные ж\б плиты 4*2*0,1, омоноличенные в карты 12*6*0,1
низового	Одерновка в клетку
ПФУ	Замок в основании из суглинка
Дренажные устройства
В русловой части плотины	Дренажная призма, ленточный дренаж
В береговой части плотины	Трубчатый дренаж
Время возведения плотины, сут.	113
Водосбросное сооружение
Тип	Открытый, береговой, регулируемый
Регулятор Количество пролётов, шт Ширина (пролёт) отверстий	2 1
Гидромеханическое оборудование	Плоский стальной затвор 1*1,6
Сопрягающее сооружение	Быстроток с одним уклоном
Устройство для гашения энергии	Нет
Водовыпуск
Тип	Трубчатый башенный
Количество ниток труб, шт	2
Размеры труб водопроводящей сети, мм	500
Расчётный расход (при УМО), куб.м\с	1

1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла

2. Проектирование плотины из грунтовых материалов

2.1 Выбор типа плотины

2.2 Конструирование поперечного профиля плотины

2.2.1 Предварительное назначение коэффициентов заложения откосов

2.2.2 Конструирование гребня плотины

2.2.3 Проектирование креплений откосов плотины

2.2.3.1 Верховой откос

2.2.3.2 Низовой откос

2.2.4 Определение отметки гребня плотины

2.2.5 Проектирование и назначение дренажа

2.2.6 Проектирование обратных фильтров

2.2.7 Проектирование ПФУ в теле и основании плотины

2.2.8 Расчёт фильтрации в теле и основании плотины

2.2.9 Оценка общей фильтрационной прочности тела и основания плотины

2.2.9.1 Оценка общей фильтрационной прочности тела однородной плотины

2.2.9.2 Оценка фильтрационной прочности основания плотины

2.3 Расчёт устойчивости низового откоса плотины

2.4 Оценка осадки гребня плотины

3. Проектирование водосброса

3.1 Выбор типа водосброса

3.2 Выбор и назначение трассы берегового открытого водосброса

3.3 Проверка возможности выполнения варианта нерегулируемого водосброса

3.4 Гидравлический расчёт водосбросного сооружения

3.5 Расчёт устойчивости нижнего бьефа

4. Проектирование водовыпуска

5. Расчёт пропуска строительных расходов

Список использованной литературы




1. Выбор створа и описание компоновки сооружений гидроузла
Гидроузлом называют группу гидротехнических сооружений, объединенных условиями совместной работы и местоположения.

Гидротехническими называются сооружения, предназначенные для использования природных водных ресурсов (рек, озёр, грунтовых вод) или предотвращения (уменьшения) вредного воздействия воды на окружающую среду (борьбы с наводнением, размывами берегов, защита от селевых потоков).

В состав гидроузла входят:

Грунтовая плотина

Паводковый водосброс

Водовыпуск полезных попусков

Проектируемый в курсовом проекте гидроузел с плотиной из грунтовых материалов служит для решения комплекса водохозяйственных задач, в частности это:

-     создание водохранилища, в котором происходит аккумулирование избыточных расходов реки, например, в период паводков, что способствует снижению ущерба от наводнений в нижнем бьефе гидроузла;

-     осуществление полезных попусков воды в русло реки, обеспечивающие создание живого тока воды в меженный период и улучшающие водообеспечение прилегающих территорий;

-     подача воды потребителю (водоснабжение и обводнение, гидротехнические мелиорации и т.д.);

-     создание зон рекреации;

-     развитие рыбного хозяйства и т.д.

Компоновка гидроузла включает в себя выбор створа плотины, трасс к месторасположения водопропускных сооружений. Она должна быть наиболее простой и удобной для возведения и эксплуатации гидроузла при минимальных затратах. В соответствие с заданием в состав гидроузла входят: плотина из грунтовых материалов, паводковый водосброс и водовыпуск(и) для подачи воды в нижний бьеф. Типы сооружений и их особенности описываются далее в соответствующих разделах.

Выбор створа гидроузла обычно осуществляется на основе технико-экономического сравнения нескольких вариантов компоновки в зависимости от рельефа и других условий района строительства. При выборе створа плотины учитываются многочисленные факторы, в числе которых определяющими являются: топографические характеристики речной долины и ложа водохранилища, инженерно-геологические и гидрологические условия, местоположение и объем карьеров строительных материалов, технология строительства плотины, а также возможность рационального размещения постоянных и временных водопропускных сооружений.

В курсовом проекте принимается, что инженерно-геологические и гидрологические характеристики в любом сечении долины реки не изменяются (характерное сечение долины реки представлено в п. 4 задания на проектирование, где дано геологическое строение долины с цифровыми обозначениями грунтов, номерам которых соответствуют грунты, характеристики и гранулометрический состав которых также приведены в задании на проектирование).

В данном проекте створ плотины выбираем в самом узком месте речной долины, что обеспечит минимальный объем насыпи грунтовой плотины и, соответственно, меньшую стоимость плотины, с учетом рационального размещения водопропускных сооружений гидроузла.

Створ – ось относительно, которой располагается остальные сооружения.

Для этого на топографическом плане речной долины, прилагаемом к заданию, намечаем вариант створа, предусматриваемый в месте сужения долины и трассируемый перпендикулярно преимущественному направлению горизонталей.

Чаще всего наименьший объем тела плотины соответствует минимальной длине плотины по гребню, поэтому на обоих берегах реки наносим горизонтали местности (эти горизонтали проведены штриховыми линиями на плане долины, соответствующие отметке гребня будущей плотины (Гp), которую предварительно определяем по формуле:

гдеФПУ - форсированный подпорный уровень водохранилища, при котором осуществляется пропуск поверочного расхода паводкового водосброса; отметка ФПУ приведена в колонке 2 таблицы пункта № 5 задания на проектирование;

 - запас (в метрах) гребня плотины над форсированным подпорным уровнем водохранилища. Предварительно определяем величину  по приближенной эмпирической формуле:

L - длина разгона ветровой волны, подставляемая в формулу в километрах, принимается для отметки ФПУ из колонки 3 таблицы п. № 5 задания на проектирование.



После этого на данной стадии проектирования устанавливаем длину по гребню плотины для различных вариантов створа с учетом масштаба топографической основы (масштаб указывается под топографическим планом или обводится кружком, если указано несколько масштабов). На топографии речной долины имеется одно сужение долины, благоприятное для размещения плотины.

После выбора створа на топографическую основу наносятся пикеты и строится на миллиметровке продольный профиль по выбранному створу плотины, на котором приводится геология, принимаемая согласно заданию на проектирование, и условные обозначения грунтов. Построение продольного профиля по створу плотины выполняется таким образом, чтобы с левой стороны располагался левый берег долины, а с правой стороны - правый берег. В дальнейшем на этот профиль наносятся: проектный и строительный гребень плотины, контур подошвы плотины и противофильтрационных устройств в основании, водопропускные сооружения. На части профиля выше подошвы плотины с левой стороны от оси русла условно показывается вид плотины со стороны верхнего бьефа (уровни ФПУ, НПУ, УМО, нижняя граница основного крепления откоса), а с правой стороны - вид плотины с нижнего бьефа (уровни воды при пропуске поверочного расхода и полезных попусков, бермы на низовом откосе при их наличии, границу крепления низового откоса от волновых воздействий нижнего бьефа). Этот профиль допускается выполнять в искаженном масштабе: горизонтальный масштаб профиля принимается равным масштабу генплана гидроузла или более крупному, а вертикальный - 1:100... 1:500 в зависимости от высоты плотины. При невозможности установления характера изменения рельефа местности между смежными горизонталями линия дневной поверхности на профиле должна состоять из совокупности отрезков прямых линий, проведенных между точками, соответствующими смежным горизонталям с известными отметками.

Рассмотрим створ I-I:

- маленькая длина плотины по гребню

- по обоим берегам – максимальные уклоны, следовательно, маленькая площадь зеркала при большом объёме водохранилища – обеспечены.

- удобная возможность размещения берегового водосброса по обоим берегам реки.

Разрез по створу I-I показан на рис. 1.

Рассмотрим створ II-II.

1.   Левый берег недостаточно высокий, чтобы можно было построить плотину высотой ок. 14м.

2.   Правый берег очень пологий, если бы возможность возведения плотины была, то только с очень большой площадью зеркала водохранилища при маленькой объёме.

3.   Длина плотины по гребню плотины была бы очень большой.

Разрез по створу II-II показан на рис. 2.

Рассмотрим створ III-III.

1.   Возможности для возведения грунтовой плотины совершенно нет, т.к. левый берег очень пологий.

Разрез по створу III-III показан на рис.3.

Таким образом, наилучшим вариантом для возведения грунтовой плотины, высотой около 14,3м является створ I-I, т.к. по обоим берегам наблюдаются максимальные уклоны на небольшом, сравнительно, расстоянии, это обеспечит создания водохранилища с большим объёмом, но при этом с не большой площадью зеркала водохранилища. В этом створе присутствует возможность создания берегового водосброса под большим углом к оси водохранилища, следовательно вход воды из водосброса в нижний бьеф будет достаточно плавным.


2. Проектирование плотины из грунтовых материалов

2.1 Выбор типа плотины
Плотина – основное подпорное сооружение, предназначенное для создания напора в одном месте.

Плотины, в которых в качестве строительного материала используется грунт, называются грунтовыми.

Расчеты грунтовых плотин выполняются для строительного и эксплуатационного периодов при основном и особом сочетаниях нагрузок. Предварительно на основе данных о створе и районе строительства или аналогов принимается тип плотины и ее профиль, для которого задаются крутизна откосов, ширина берм, ширина гребня (последняя зависит от категории дороги), тип дренажа и крепление верхового откоса. Затем определяется отметка гребня плотины, проводятся фильтрационные расчеты, расчеты фильтрационной прочности плотины, основания и ПФУ, обратных фильтров, дренажей, переходных зон, устойчивости откосов, экрана, защитного слоя, осадок тела плотины и основания, горизонтальных смещений, крепление откосов.

Плотины из грунтовых материалов (земляные насыпные, земляные намывные, каменно-земляные и каменно-набросные) - наиболее распространенный тип водоподпорных сооружений - входят в состав большинства гидроузлов мелиоративного назначения. Для возведения плотин используют, как правило, местные грунты. Конструктивные решения поперечного профиля должны обеспечивать устойчивость плотины и ее основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации, а также нормальную работу противофильтрационных и дренажных устройств и всего сооружения в целом.

Выбор типа плотины в проектной практике осуществляется в соответствии с требованиями СНиП 2.06.05.84* на основании технико-экономического сравнения вариантов различных конструкций или типов плотин. Учитывая их многообразие и невозможности детального изучения в рамках данной работы всех вариантов существующий плотин, ограничимся рассмотрением плотин применительно к условиям учебного курсового проекта, а именно: долина реки сложена нескальными грунтами, т.е. исключается возможность возведения каменно-земляных и каменно-насыпных плотин из-за относительно большой сжимаемости основания и отсутствия каменных материалов в количестве, необходимом для возведения основных частей тела плотины; высота плотин не превышает 20...25 м; плотина возводится методом послойной отсыпки насухо с уплотнением.

В соответствие со сделанными оговорками в курсовом проекте могут быть рассмотрены варианты однородных и неоднородных земляных плотин в зависимости от имеющихся местных карьерных строительных материалов (п.6 задания на проектирование, в котором указаны типы имеющихся карьерных грунтов, местоположение карьеров и дальность транспортировки грунтов в тело плотины). При этом необходимо отметить, что предпочтение следует отдавать карьерам, расположенным в верхнем бьефе плотины, так как в этом случае снижаются до минимума затраты на рекультивацию карьеров и несколько повышается объем водохранилища. По возможности следует максимально применять грунты, залегающие вблизи створа, а также целесообразно более полное использование грунтов полезных выемок. Для тела плотины можно использовать практически все виды грунтов, за исключением грунтов, содержащих водорастворимые включения хлоридных солей более 5% по массе, а сульфатных или сульфатно-хлоридных - более 10%; не полностью разложившиеся органические вещества (остатки растений и т.п.) - не более 5% по массе или полностью разложившиеся органические вещества (в аморфном состоянии) - не более 8%. При обосновании и проведении необходимых защитных мероприятий эти грунты также допускаются к применению.

Из анализа геологического разреза по створу плотины (рис. 1) видно, что дно реки устилает супесь. Дно плотины подстилает 5 грунт – песок крупный, выше отметки 107 расположен крупнообломочный дресвяной грунт, а по левому и правому берегам реки также выше отметки 107 – крупнообломочный дресвяной грунт. Эти грунты можно использовать для строительства плотины. Кроме того, это выгодно с экономической точки зрения, так как они являются местными строительными материалами. Также присутствуют карьерные крупнообломочные грунты – валунный . Исходя из этих данных, рассматриваем три варианта конструкции плотин

После сопоставления предложенных вариантов грунтовых плотин на начальной стадии проектирования принимаем первый вариант.


А – А (однородная плотина из супеси)
Достоинства:

·Лёгкость возведения плотины

·Простота технологического процесса – легко добывать

·Супесь – неподвержена неблагоприятному воздействию природного фактора.

Недостатки:

·По сравнению с глиной – большой коэффициент фильтрации

·Повышенные объёмы работы в связи с несколько большим коэффициентом заложения откосов, нежели у плотин однородных из глинистых грунтов.






Б – Б (плотина с ядром из суглинка)
Достоинства:

·Значительно уменьшается фильтрация через тело плотины

·Уменьшает заложение низового откоса, следовательно уменьшает объёмы используемого грунта

Недостатки:

·Трудность выполнения работ

·Специфичность глинистого грунта: тяжело добывать при плохих погодных условиях.

·Требуется высокая квалификация рабочих при уплотнении глинистого грунта

·Ядро практически не подлежит ремонту в процессе эксплуатации плотины.

·Поблизости нет глинистого грунта, поэтому его придётся завозить с карьера, а это дополнительные затраты, а также увеличивается срок строительства.


В – В (плотина с экраном)

Достоинства:

·Уменьшается фильтрация водного потока через тело плотины

·Низовой откос плотины может быть выполнен более крутым

·Более простые условия работ при возможном ремонте (по сравнению с плотиной с ядром) противофильтрационного элемента.

Недостатки:

·Трудность в возведении плотины

·Специфичность глинистого грунта

·По объёму экран в несколько раз превосходит ядро.

·Поблизости нет глинистого грунта, поэтому его придётся завозить с карьера, а это дополнительные затраты, а также увеличивается срок строительства.

Предлагаемые типы грунтовых плотин

а) однородная плотина из супеси в теле и супеси в основании с замком;

б) неоднородная плотина с ядром из суглинка

в) неоднородная плотина с экраном из суглинка

Из предложенных выше вариантов плотин выбирается 1 – однородная плотина из супеси с замком в основании, достоинствами которой являются – простота в возведении, простота технологического процесса – легко добывать, также супесь плохо подвергается негативному воздействию природного климата. Основным же пунктом в возведении однородной плотины из супеси является – большое количество супеси имеется в наличии.

Исходные данные
Обозначение характеристик	ФПУ	НПУ	УМО
Отметка расчётного уровня, м	113	112	102,8
Отметка дна реки, м	100	100	100
Длина разгона ветровой волны, L, м	2000	1600	800
Угол между продольной осью водоёма и направлением ветра,  (cos=1)	0	0	0
Расчётная скорость ветра на высоте 10 м, v, м/с	14,6	15,6	15,6
Расчётная глубина воды в водохранилище перед плотиной, H1=РУ-дна, м	13	12	5
Продолжительность действия ветра, t,с	21600	21600	21600
Обеспеченность по накату, %	1	1	¾
Расчёт
Расчётные формулы и данные	ФПУ	НПУ	УМО
Конструктивный запас, a, м	0,5	0,5	¾
Величина нагона волны, м	0,00669	0,00662	¾
при	2,1×10-6	2,1×10-6	2,1×10-6
Величина наката волны, м	0,81	1,82	¾
	1	1	¾
	0,9	0,9	¾
	1,1	1,1	¾
	1,25	1,22	¾
	1	1	¾
	1	1	¾
	92,04	64,50	32,25
	14513,42	13583,08	13583,08
	0,016	0,0145	0,011
	1,58	1,4	1,103
	2,35	2,23	1,75
	8,63	7,77	4,78
Проверка глубоководности,	Выпол-няется	Выпол-няется	Выпол-няется
	0,348	0,36	0,273
	2,07	2,07	2,07
	0,72	0,75	0,57
Запас гребня над РУ, м	1,317	2,327	¾
Отметка гребня, м	114,32	114,33	¾

	0	2	4	6	10	15	20	25	30	35	40	50	55
	0	11,78	10,56	11,33	10,86	10,24	9,6	8,87	8,11	7,26	6,3	3,68	0,7

0,2	2,5	0,5	2,9	0,17	49,62	0,31	5,7
0,4	2,5	1	3,3	0,303	54,63	0,31	12,54
0,6	2,5	1,5	3,7	0,405	57,34	0,31	30,48
0,8	2,5	2	4,1	0,49	59,19	0,31	46,14

График зависимости расхода от глубины
Q=f(h)



По графику определяем при
 - h₀=0,33 м.
Оценка возможности возникновения в лотке быстротока катящихся волн и меры по предупреждению их образования:

На быстротоках большой длины при значительной ширине быстротока по отношению к глубине воды происходит потеря устойчивости потока с образованием катящихся волн. Эти волны могут превышать в 2...3 раза глубину потока, выплескиваться за боковые стены, они ухудшают режим сопряжения бьефов и могут вызывать непрогнозированные размывы в нижнем бьефе. Катящиеся волны могут образовываться при невыполнении условия:







Проверка на выполнение условия образования катящихся волн.

волны не будут образовываться.

Определяем строительную высоту стенок (стен, устоев) быстротока:



где - конструктивный запас над свободной поверхностью аэрированного потока,

Ширина боковых стен поверху =0,4м. Толщина днища быстротока .

Толщина боковых стен на уровне днища  будет равна:

 - коэффициент заложения тыловой грани со стороны грунта обратной засыпки.

Схема поперечного сечения быстротока изображена на рис.
3.5 Расчет устройства нижнего бьефа
В первую очередь назначается консольной плиты (конс) таким образом, чтобы она превышала на 0,5…1,0м максимальный уровень нижнего бьефа, что обеспечивает в большинстве случаев необходимую дальность отброса струи.
=102,7+1м=103,7м.
Назначение конструктивных параметров консоли.

Для расчёта параметров потока на сходе с консоли, определения траектории струи и величины размывов в нижнем бьефе необходимо предварительно назначить параметры консоли. Боковые стенки консоли устраиваются вертикальными. Целесообразно вдоль боковых стенок поверху уложить плиту служебного мостика для осмотра консоли, её очистки и ремонта. Длина консоли назначается обычно в пределах 6…10м.

Ширина консоли на входе  принимается равной ширине быстротока в его концевом сечении . По направлению течения потока консоль расширяющаяся.

Угол расширения боковых стен консоли:



 - скорость в конце быстротока:







 -
глубина потока в конце быстротока.

Скорость потока в конце консоли:

 - ширина консоли на выходе, определяемая для расширяющейся консоли:

Длина отлёта струи при отсутствии трамплинов:

Расчёт глубины размыва за консолью.

Угол входа струи:

 - превышение консоли над уровнем УНБmax.

Скорость потока на входе в нижний бьеф





Удельный расход в месте падения струи:

 и  - ширина и толщина струи в месте падения на поверхность нижнего бьефа.



Длина растекания струи определяется по зависимости Замарина Е.А.

 - допускаемая скорость, устанавливаемая по выражению:

Глубина воды в воронке размыва:

Глубина размыва непосредственно грунта, отсчитываемая от отметки дна русла реки (отводящего канала):







Отметка дна ямы размыва определяется по выражению:

Отметка низа свай с учётом их стандартной длины принимается в соответствии с соотношением:





4. Проектирование водоспуска
Водоспуски используют для постоянных полезных попусков из водохранилища в нижний бьеф, диктуемых водохозяйственными и санитарными требованиями; для полного или частичного опорожнения водохранилища в заданный срок в целях ремонта сооружений, расположенных в верхнем бьефе; для частичного промыва наносов, отложившихся перед сооружением. Входное отверстие водоспуска располагают на отметках, обеспечивающих возможность сработки водохранилища до заданного уровня, т.е. на дне русловой части.
,
гдеQ – расход полезных попусков, Q- 0,5 м³/с;

 – коэффициент расхода водоспуска,

щ – площадь поперечного сечения трубы;

z – напор,
.
Из этого уравнения определяем площадь поперечного сечения и диаметр трубы:
 

,  > 800 мм
Прокладываем две нитки труб. При этом в затворной камере в нижнем бьефе обе нитки могут объединяться для возможности, при необходимости, их совместного использования.






5. Расчёт пропуска строительных расходов
Схема пропуска строительных расходов зависит от компоновки гидроузла, типа плотины, гидрологических характеристик водотока, топографии, геологии и других особенностей створа. В практике гидротехнического строительства существуют две основные схемы пропуска расходов в строительных период: по бытовому руслу реки без отвода её в сторону; с отводом реки в обход строящимся сооружениям, по каналам, лоткам, трубам, туннелям. Первая более характерна для широких створов и бетонных плотин. Вторая – предполагает более широкий фронт работ по возведению основных сооружений, но требует дополнительных затрат на устройство строительных водопроводящих сооружений. Выбор схемы пропуска строительного расхода осуществляют обычно на основе технико-экономического сравнения различных вариантов используемых сооружений.


Рис. 13. Схема.

1 – контур проектируемой плотины;

2 – труба, уложенная в траншею, на отметке дна реки;
- дорога, для проезда, .

.

Порядок строительства:

·на берегу, на расстоянии l, отрывается траншея, в которую, насухо, укладывается труба (галерея);

·отрывается подводящий и отводящий каналы: при этом  поступает как в русло реки, так и по искусственному, трубчатому руслу;

·русло перекрывается верхней перемычкой (при минимальном );

·возводится низовая перемычка;

·пространство между перемычками – котлован, осушается, при помощи насосов;

·срезается растительный грунт;

·начинается строительство плотины.


,
где  – инженерный запас, =0,8-1,0 м.

Чтобы принять , надо знать срок строительства плотины. Если срок строительства больше 1 года, то , если меньше года, то . В моем курсовом проекте ориентируемся на срок строительства меньше 1 года, значит , глубина в реке при этом расходе . Строительство начинается сразу после весеннего паводка.

Тогда, отметка низовой перемычки получается
 = 0,7+1,0=1,7 м.




Срок строительства по формуле
,
где V- объем самого крупного объекта строительства, в моем случае это плотина; П – производительность строительной организации. П=200 м³/сут.

Объём плотины
,
где - площадь поперечного сечения плотины в русловой части, приблизительно определяемая по зависимости:

 и  - осредненные значения коэффициентов заложений верхового и низового откосов плотины;

 - ширина руслового участка реки, ;

 и  - длины, соответственно левобережного и правобережного примыкания плотины,  и .

Срок строительства равен:




 < 365 суток, значит

.
Найдём перепад уровней верхнего и нижнего бьефов, определяемый из формулы:













Список используемой литературы:
1. Учебное пособие «Проектирование сооружений гидроузла с грунтовой плотиной». В.И. Волков, А.Г. Журавлёва, О.Н. Черных. Москва, 2007г.

2. Учебник «Природоохранные сооружения», М.А.Попов, И.С.Румянцев. Москва: Колосс, 2005.

3. «Курсовое и дипломное проектирование по гидротехническим сооружениям». В.С. Лапшенков. Москва: «Агропромиздат», 1989.