gts_otvety

1.Общие понятия о ГТС. Особенности и условия работы ГТС.

ГТС – это сооружения необходимые для освоения водных ресурсов.

По сферам использования:

•Общие – которые применяются в нескольких отраслях хозяйства.

•Специальные – применяются только в одной отрасли и иявляются для них специфическими.

Основные отрасли водного хозяйства:

•водоснабжение бытовое и промышленное;

•использование водных недр для разведения и ловли рыбы, для добычи солей, водорослей;

•судоходство;

•мелиорация;

•энергетика;

•защита от водной среды;

•канализация очистка и сброс сточных вод.

По характеру воздействия на речной поток:

•Водоподпорные: создается напор этим сооружением, существенно меняется уровень воды до и после него, меняется скорость течения потока, меняется зеркало потока. Основное водоподпорное сооружение – плотина, дамба, которая создается либо для ГАЭС либо защищает территории от наводнений, либо высвобождает территории от затоплений.

•Регуляционные: изменяют местный режим потока в определенном месте, предотвращают разрушение берегов реки. Наиболее распространенные: дамбы устроенные вдоль или частично поперек реки.

•Водопроводящие: создается искусственные водотоки выполненные в грунте или на его поверхности, а также водосбросы в ГУ для отвода воды: канал, трубы, туннель.

Гидроузлы – комплекс ГТС возведенных в одном месте объединенных одной водохозяйственной задачей.

Назначение гидроузлом в зависимости от основной цели, гидроузлы делятся:

•Энергетические

•Воднотранспортные

•Водозаборные

•Комбинированные

По величине создаваемого напора гидроузлы делятся на:

•Низконапорные 2-25 м

•Средненапорные 25-75 м

•Высоконапорные 75-150 м

•Сверхвысоконапорные > 150 м

Всостав гидроузла входят основные и вспомогательные сооружения:

•Основные – это те которые обеспечивают решение основной задачи (создание подпора, создание водохранилища, благоприятных гидравлических условий, производство электроэнергии)

•Вспомогательные – это те которые обеспечивают нормальную работу основным ГТС (админ. здания, мастерские…)

•Несколько гидроузлов на одной реке образуют гидросистему и связаны друг с другом одной целью.

2.Основные типы плотин.

Плотина – сооружения перегораживающие русла и создающие напор. ВБ – поток выше плотины. НБ – поток ниже плотины.

Разница между этими уровнями называется напор на плотину (Н). Классификация плотин:

•По назначению плотины можно подразделить на сооружения предназначенные для:

•Производства электрической энергии

•Ограждения территории от паводка и приливов

•Создание искусственных бассейнов

•По материалу тела плотины:

•Грунтовые: (Земляные (использование мелкого грунта до 50%); каменно-земляные; каменные.)

•Бетонные

•По схеме работы (или по тому как они воспринимают нагрузку со стороны водохранилища)

•Гравитационные – в виде трапециодальной формы, устойчивость и прочность которых обеспечивается их собственным весом.

•Арочные – в виде арки. криволинейные в плане плотины работающие как свод и предающие через свои пяты нагрузку на берега.

•Контрфорсные – плотины, которые давление от воды передают через плиты перекрытия контрофорсами.

•По функциям

I.Глухие - не имеют отверстия

II.Водопропускные – имеют отверстия для пропуска воды.

По СНИПу: Плотины и ГУ делятся на классы в зависимости от их высоты, типа грунтов основания, социально-экономической отвественности и последствий возможных гидродинамических аварий подразделяются на классы: 1, 2, 3, 4.

3.Грунтовые плотины, их разновидности и конструктивные особенности.

Грунтовые плотины являются самыми распространенными водоподпорными сооружениями.

Взависимости от грунтов тела плотины подразделяются:

•Земляные – в которых основной объём тела плотины >50% выполняется из мелкозернистых глинистых и песчаных грунтов.

•Каменно-земляные – в которых основной объём тела выполняется из крупнозернистых грунтов (гравий, галечник, горная масса скального гранта), а противофильтрационные устройства из мелкозернистого грунта.

•Каменные – основной объём тела выполнен из камня, а противофильтрационный элемент из негрунтового материала (бетон, металл, асфальт-бетон).

tgα – уклон откоса. m=ctgα – заложение откоса.

Бермы – горизонтальная площадка, которая служит упором для одежды выше лежащей части откоса, которой облегчает ее ремонт и служит для отвода дождевых вод.

Бермы устраиваются в среднем 10-15 м. Ширина бермы 2-6 м. Канавка, куветки, лоточки для отвода дождевых вод.

Крепление верхового откоса выполняется бетонным покрытикм, прочным камнем или асфальтобетонном.

Низовой откос иногда укрепляют посадкой газонной травы.

Ширина гребня зависит только от проездных и пешеходных переходов. На гребне должны быть ограждающие парапеты.

4.Бетонные гравитационные плотины, в т.ч. облегчённые гравитационные плотины.

Благодаря простоте конструкции и надежности, гравитационные плотины являются наиболее распространенным типом бетонных плотин.

Глухие гравитационные плотины обычно имеют профиль в виде треугольника с вертикальной напорной гранью или иногда с наклонной гранью.

Ширина подошвы зависит от прочности грунта основания, чем слабее основание, тем шире подошва плотины.

Высота треугольника зависит от уровня воды в водохранилище от волнового воздействия и от напора на водосливе.

Ширина гребня гравитационной плотины должна быть не менее 2 метров, а реальная ширина зависит от использования гребня плотины (размещение автодорог, пешеходных дорожек, размещение грузоподъёмных механизмов и мест хранения затворов и сороудерживающих решеток.

В плане гравитационная плотина в основном прямолинейна, но бывают случаи, что и криволинйна (когда ширины створа не хватает для пропуска воды или основание плотины сложено разнопрочными грунтами).

Для сброса воды чаще всего используют поверхностные водосливы и глухая и водосливная часть плотины, режется деформационными швами.

Тело гравитационной плотины пронизано смотровыми галереями с шагом по высоте 15-30 м, по вертикали галереи соединяются шахтами.

Галереи служат для наблюдения за состоянием плотины, для размещения контрольноизмерительной аппаратуры, для отвода фильтрационной воды.

Если плотина стоит на скальном грунте, то для уменьшения фильтрационного давления на плотину и исключения промыва, трещин в скале устраиваются противофильтрационные

элементы: цемзавесы и дренаж.

Цементационная завеса выполняется ближе к напорной грани расстояние от напорной грани до оси завесы l1 =(0,05 ÷0,1)b , b-ширина подошвы плотины.

Вертикальный дренаж устанавливается за цементационной завесой.

Глубина дренажных скважин примерно в половину короче цемзавеса. l2 = 4м,

чтобы дренаж хорошо работал.

Для гравитационных плотин на не скальном основании устраивают следующие противофильтрационные элементы:

•Понур в ВБ из глины, бетона и асфальта-бетона.

•Шпунт (вертикальная стенка) из металла или бетона, а также для отвода воды устраивается дренаж (горизонтальный или вертикальный).

Основание бетонных плотин перед строительством всегда подготавливается, снимаются слабые илистые слои снимаются зачищаются, если в основании не очень прочная скала, то проводят укрепительную цементацию, для улучшения сопротивления сдвигу по основанию в подошве плотины устраивают зубья.

Горизонтальное сечение плотин называют аркой, а её концы пятами, сопряжение плотин со скалой в горизонтальных сечениях выполняются по радиальным плоскостям. Фильтрационное давление не большое, но мероприятия по его устранению проводятся, так как фильтрация может промыть трещины в скале и тем самым ослабить основание плотины.

Для нормальной эксплуатации арочной плотины в её теле устраивают галереи, если плотина очень тонкая, то вместо галереи устраивают смотровые консоли.

Во избежание трещин, от температурно усадочных явлений, арочная плотина режится радиальными швами, которые после остывания блоков цементируются.

6.Общие сведения о контрфорсных плотинах.

Состоят из отдельных стоящих контрфорсов. Пространство, между которыми перекрыто напорной конструкцией в виде плит, консольных утолщений и арок, отсюда их классификация по типу напорного перекрытия.

1.С плоскими перекрытиями

2.Массивно контрфорсные

3.Многоарочные

Давление воды действует со стороны ВБ на перекрытия, передается через контрфорсы и дальше основанию.

Если основание плотины прочная скала, то контрофорсы передают нагрузку непосредственно основанию, если в основании слабая скала, то устраивается частичная фундаментная плита, если основание вообще нескальное, то устраивается сплошная фундаментная плита.

Еще плотины можно различать по одиночным и сдвоенным контрфорсам.

Для обеспечения жесткости конструкции в направлении перпендикулярно к потоку устраиваются с помощью балок жесткости и ребер жесткости.

Контрфорсные плотины и их устойчивость обеспечивается за счет большого пригруза воды и малых значений фильтрационного и взвешивающего давления.

Подземный контур контрофорсных плотин устраивается аналогично гравитационным. Контрофорсные режутся деформационными швами.

W1 = 12 (hВБ + hгр ) γB , γB =10 кН/м3.

Wпр1 = Sэпюры γB ,

W2 = 12 (hНБ + hгр )2 γB ,

Wпр2 = Sэпюры γB Wвз = Sэпюры γB .

На подошву плотины действует гидростатическое давление, которое состоит из взвешивающего давления и фильтрационного.

Эпюра взвешивающего давления строится по величине давления исходя из уровня НБ.

-фильтрационное давление воды,

Wф = 12 H BПОД. γB , BПОД. - ширина подошвы.

Фильтрационная эпюра строится по линейному закону. Фильтрация существует там, где существует разница напоров.

-волновое воздействие,

Действие ветра на водную поверхность образования волн, движение воды вызывают волновые нагрузки на ГТС:

1)Волновое давление

2)Волновое противодаление

3)Взвешивающее волновое давление

4)Накат волн на откосы сооружения

5)Размыв дна при небольших глубинных водохранилищах Волнообразующие факторы 1. Скорость ветра υ

2. Направление действия ветра по отношению к плотине

3. Продолжительность непрерывного действия ветра t

4. Глубина водохранилища d

5. Длина разгона волн L

Ветер перпендикулярный плотине.

Отметку гребня плотины следует назначать с учетом волнового воздействия. Отметка гребня должна быть выше НПУ и ФПУ на такую величину чтобы волна не перехлестнула через гребень плотины.

ГП = НПУ − hs , hs = hrun 1% + ∆hset + a - запас на волну.

hrun 1% - высота ветровых волн 1% обеспеченности, если напорная грань плотины вертикальна, то

вместо hrun 1% ставится h1% .

∆hset - ветровой нагон воды в НБ (отклонение зеркало водохранилища от горизонтальности). а – инженерный запас, a ≥0,5м.

gtυ => gυT ; υgh2 , gLυ => gυT ; υgh2 - выбирают наименьшее и находим T и h .

2

λ = g2Tπ - идет проверка на глубоководность.

d > λ , d = НПУ − дна →h1% , d - средняя глубина водохранилища.

2 2 h1% = Ki h →hrun 1% .

∆hs = ∆hset + hrun 1% + d .

Формула Можевитинова.

yC = 2xπ − 83 h1% .

-давление наносов и грунта.

Перед плотиной в водохранилище скапливается наносы в виде мелких частиц ила для глубоких водохранилищ и в виде песка и гравия для рек в горных районах с небольшими водохранилищами.

Часто подошвы плотины заглублены в основание поэтому на поверхность плотины воздействует давление грунта. В ВБ активное давление грунта (в сторону возможного перемещения сооружения), а в НБ пассивное давление грунта.

внутреннего трения наносов.EH = 12 hH pH .

В точке принадлежащей границе между различными слоями грунтов боковое давление грунта находится дважды.

Сначала считаем, что эта точка принадлежит верхнему слою, а потом к нижнему.

р1 =γН hН tg 2 45O − ϕ2H − 2 С tg 45O − ϕ2П , С- сцепление.

Если грунт обладает сцеплением, то оно уменьшает активное давление.

Если слой грунта пригружен слоем бетона или ж/б, то при определении бокового давления грунта добавляется распределенная нагрузка от бетона с учетом взвешивающих сил.

EАКТ = p1 +2 p2 hП

EП = 12 hП p3 - пассивные силы, препятствующие сдвигу плотины.

Если некоторые участки плотины сверху перегружены наносами или грунтом, то тогда рассчитывается вертикальная составляющая воздействия грунта. Находится она умножением площади эпюры на удельный вес взвешиваемого грунта.

9.Основы теории фильтрации воды.

Фильтрация – это движение грунтовой воды по порам в нескальном грунте и по трещинам в скальном грунте.

Вода в порах грунта может быть пленочной(связная) и свободной (грунтовой).

Пленочная вода образуется на поверхности частиц грунта под влиянием молекулярных сил. Эти силы по значению превосходят силу тяжести, чем больше связной воды на частицах грунта, тем меньше останется пространства для путей фильтрации, т.е. грунтовой воды.

В связи с этим, грунты делятся на связные и несвязные. Связные грунты содержат более высокое количество пленочной воды в структуре. К самым связным относится глина.

Самые не связные грунты это гравий и щебень.

( Глина, суглинок, супесь, песок мелкий, песок крупный, гравий, галечник).

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести при наличии разности напоров воды в условиях ГЭС это разность ВН и НБ.

Движение фильтрационной воды подчиняется закону Дарси:Q = Kф ω J ,

Где Q- расход, KФ- коэффициент фильтрации, ω- полная площадь сечения потока включая частицы грунта, J - гидравлический уклон фильтрационного потока, потери напора по пути фильтрации.

J = ∆LH , υ = ωQ = Kф J .

Закон Дарси применяют для песчаных, глинистых, песчано-глинистых грунтов и для скальных пород с мелкой изотропной трещиноватостью. Для прочных скальных пород с крупными

трещинами данный закон не применим. Кинематическая картинка движения потока в области фильтрации можно изобразить в виде гидродинамической сетке, которая состоит из 2 систем линий.

•Эквипотенциали (линии равных напоров)

•Линии тока (траектории движения частиц жидкости) Линии тока и линии равных напоров пересекаются под прямым углом.

10.Фильтрационная прочность нескальных грунтов.

Наиболее вероятными зонами возникновения опасных фильтрационных деформаций грунтов тела или основания плотины являются:места выхода фильтрационного потока на поверхность грунта и на контактах различных по характеристикам грунтов.

Основные виды деформаций вызываемые фильтрационным потоком в грунтах:

1.Выпор - разрушение не пригруженного грунта когда часть грунта отделяется от всего массива (чаще всего встречается низовой откос грунтовой плотиныили в основании сооружения)

2.Суффозия – вынос или перемещение фильтрационным потоком наиболее мелких частиц из толщи грунта( в основаниях и в теле грунтовой плотины).

3.Контактный выпад - разрушение грунта на контакте с более крупным зернистым материалом обусловленное воздействием фильтрационного потока направленным перпендикулярно к поверхности контакта, такое разрушение происходит, когда бетонная плотина стоит на глинистом основании и фильтрационный поток уходит в дренаж, когда глинистое ядро контактирует с переходной зоной.

4. Контактный размыв - тоже разрушение грунта, только поток направлен вдоль контактной поверхности, например, когда основание плотины имеет прослойки.

5.Кольматация – отложение в порах грунта частиц перемешиваемых фильтрационным потоком (обычно бывает продолжением суффозии)

6. Отслаивание – характерно только для глинястых грунтов – отрыв глинистых частиц от массива за счет расклинивающего действия частиц воды( контакт ядра с переходной зоной

Опасными могут быть любые перечисленными деформации которые могут привести к разрушению плотин или к отдельным элементов.

Методы решения фильтрационных задач.

Цели фильтрационных расчетов позволяет определить устойчивость ГТС и наметить мероприятия.

•Определение фильтрационного давления позволяет определить устойчивость плотины и наметить мероприятия по устранению этого давления.

•Данные о фильтрационном расходе указывают на возможность потерь воды из водохранилища и на выполнение мероприятий по их устранению.

•Расчет градиентов и скоростей фильтрационного потока при выходе его в НБ или в дренаж позволит определить фильтрационную прочность грунта и исключить деформацию.

Исходя из путей фильтрационных вод можно выделить 3 вида фильтрации:

•В теле грунтовой плотины

•В основании плотины, то есть под плотиной.

•Обходная фильтрация, т.е. в обход по берегам сооружения.

11.Фильтрация под бетонной плотиной на нескальном основании, подземный контур плотины. Метод удлинённой контурной линии.

Область фильтрации под плотиной огрничиваются сверху поверхностных частей сооружения, а снизу поверхностью водоупора.

Если коэффициент фильтрации, ниже лежащего слоя, в 100 раз меньше выше лежащего слоя, то нижний слой будет водоупором для выше лежащего.