8276

Рисунок 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