По курсу «Гидротехнические сооружения»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По курсовому проектированию

По курсу «Гидротехнические сооружения»

Часть 2

«Проектирование водопропускных сооружений»

для студентов специальностей

Водохозяйственного строительства

Брест 2007

УДК 626.823 (0.75.8)

Гидротехнические сооружения: Методические указания / Брестский государственный технический университет/ Сост. М.Ф.Мороз, Н.Н.Водчиц, Брест, 2007. с.

Предлагается методика и пример расчета водохранилищного гидроузла в составе грунтовой плотины, водоcброса, водоспуска и водозабора: конструктивные и гидравлические расчеты трубчатых сооружений: водозабора, водоспуска; конструктивные и гидравлические расчеты ковшового, шахтного и управляемого водосбросов.

Рекомендовано методической комиссией факультета водоснабжения и гидромелиорации.

Составители: М.Ф.МОРОЗ, Н.Н.ВОДЧИЦ

Рецензент: Н.А. Климович, генеральный директор Государственного унитарного предприятия «Брестмелиоводхоз».

Учреждение образования

© «Брестский государственный технический университет» 2007

Проектирование водопропускных сооружений

Гидротехнические сооружения любого назначения, пропускающие через себя воду, принято называть водопропускными, В гидроузлах с плотинами из местных материалов применяют три основных типа водопропускных сооружений - водосбросы, водозаборы и водоспуски. Эти сооружения различны по своему назначению, местоположению в плане, по высоте и имеют конструктивные особенности. Отметку порога водопропускных сооружений устанавливают в зависимости от их назначения. Для водосбросных сооружений отметку водосливного порога назначают на отметке НПУ, а при управлении затворами – ниже НПУ. В водовыпускных сооружениях отметку порога принимают: для водоспуска – на отметке мертвого объема, а для водоспуска – в наиболее пониженной части тальвега или вблизи него.

Под водосбросами при плотинах из местных материалов понимают комплекс сооружений, задача которых - обеспечить беспрепятственный пропуск расчетных максимальных расходов воды из верхнего бьефа в нижний. Путь, оборудованный сооружениями, по которому происходит сброс излишков воды из водохранилища, называют водосбросным трактом.

Взаимное расположение сооружений на водосбросном тракте может быть самое различное, но при этом ставится условие - не допускать подмыва водой плотины и других сооружений гидроузла. Трассу водосбросных сооружений выбирают на основании технико-экономического сравнения вариантов так, чтобы объемы работ и общая стоимость сооружения были минимальными. При этом учитывают возможность частичного или полного использования грунтов. Трасса по возможности должна быть прямолинейной, а там, где достичь этого невозможно, радиусы закругления должны быть в пределах, допустимых по нормам для каналов различного назначения.

Водозаборное сооружение должно обеспечивать забор и подачу воды требуемого качества и количества в сроки, предусмотренные графиком водопотребления.

Водоспуск в составе водохранилищного гидроузла предназначен для полного или частичного опорожнения водохранилища. Расчетный расход водоспуска назначают из условия обеспечения сработки водохранилища до необходимого уровня воды за заданный период времени, а также пропуска санитарных или строительных расходов. Скорость опорожнения водохранилища назначают с учетом допустимой интенсивности понижения уровней, при которой обеспечивается устойчивость склонов и верхового откоса плотины. По конструкции он напоминает водозабор, однако входная часть устраивается на самых низких отметках уровней воды в водохранилище.

Таблица 1. Заложения откосов каналов в выемке

Таблица 2. Значения коэффициентов шероховатости каналов

№ п/п	Характеристика русла
	Каналы, покрытые толстым илистым слоем	0,014	55,6
	Каналы в лесе, плотном гравии	0,020	50,0
	Каналы плотной глине, условиях выше средних	0,0225	44,4
	Каналы в плотных грунтах, средние условия содержания	0,025	40,0
	Каналы в условиях содержания ниже средних	0,0275	36,4
	Каналы в плохих условиях содержания	0,03	33.3

Размеры поперечного сечения канала устанавливают на основании гидравлического расчета. Расчет может проводиться графоаналитическим способом, когда при известном расходе, уклоне и глубине наполнения канала, необходимо определить ширину канала по дну и скорость движения воды. Задача решается подбором, вначале находят расходную характеристику

(1.2)

Далее, задаваясь рядом значений ширины канала по дну, вычисляют соответствующие значения до тех пор, пока вычисленное значение не будет равно требуемому . Вычисления рекомендуется проводить в табличной форме.

Таблица 3. Расчет параметров поперечного сечения канала

Рассчитанные размеры канала должны создавать такую среднюю скорость движения воды, чтобы обеспечивалось выполнение условия

(1.3)

где - минимальная скорость, обеспечивающая не заиление канала, определяется по формуле О.А. Гиршина, но во всех случаях принимается не менее 0,3 м/ с; - не размывающая скорость

(1.4)

(1.5)

где - коэффициент, равный 0,33 - 0 ,55; - коэффициент, определяемый по таблице 4.

Таблица 4. Значения коэффициента

Если условие (1.3) не выполняется, т.е. фактическая скорость в запроектированном в канале больше , то необходимо изменить параметры канала, либо предусмотреть крепление откосов и дна в соответствии с рекомендациями таблицы 5.

Таблица 5. Допускаемая скорость на размыв для закрепленных русл

Таблица 6. Значение коэффициента подтопления

	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
	0.99	0.98	0.97	0.96	0.94	0.9	0.83	0.73	0.57

Порог водосливных стенок назначают на отметке НПУ. Ширина портальной стенки ковша должна быть не менее ширины входного фронта сооружения

(1.7)

где - внутренний диаметр (ширина) отводящей трубы; - число нитей трубопровода; - ширина разделительных стенок, =1.0...1.2м; - конструктивный запас, обеспечивающий плавность входа потока в крайние трубы и надежность сопряжения трубы с оголовком, =1.0...1.2м.

Для создания более равномерного подвода и сброса воды в шахту, выравнивания подходных скоростей сбросного расхода, а также улучшения условий обслуживания вокруг башни предусматривают берму (см. рисунок 2), шириной =2,0; 3,0 или 4,0м.

Вертикальная часть башни выполняется из монолитного или сборного железобетона. Толщина стен в верхней части =0,3…0,6м, а ниже отметки бермы =0,4…1,0м. Днище башни выполняют из монолитного железобетона. Его толщина, жесткость и плановые размеры должны обеспечивать надежность конструкции динамическому и взвешивающему воздействию потока, м.

Водоспуск состоит из водоподводящей трубы, входного оголовка и затвора расположенного внутри башни и служащего для управления режимом работы водоспуска. Входной оголовок содержит сороудерживающую решетку и подпорную стенку толщиной 0,5м. Сопряжение водоспуска с подводящим каналом выполняют через зуб из каменной наброски шириной 1,0м и участка понура =(2,0…3,0) . Для обеспечения плавного входа потока предусматривают раструб длиной =(3,0…5,0)м выполненный из монолитного железобетона. Трубы выполняются из сборного железобетона или металла диаметром не менее 0,4…0,6м, рисунок 2. Конструктивные особенности по входной части, укладке труб и сопряжении с шахтой, приводятся стр.181...183 [1].

Методика гидравлического расчета по определению элементов поперечного сечения водоспуска, изложена стр. 186...187 работе [1], в соответствии с чем, количество ниток и поперечные размеры труб, работающих в напорном режиме при переменном уровне воды в верхнем бьефе, определяются из уравнения

(1.8)

где - площадь сечения трубопровода; - геометрический напор на сооружение, принимается как среднее арифметическое значение ; - коэффициент расхода,

(1.9)

где: - сумма коэффициентов сопротивлений на входе, выходе и затворе, в курсовой работе принимаем =1,7; - коэффициент сопротивления по длине в трубах, определяется по справочно-нормативной литературе, в курсовой работе допускается принимать =0.02…0.03; - гидравлический радиус, , длина и диаметр водоподводящей трубы.

Рисунок 2. Труба водоспуска

Водоотводящая труба служит для отвода воды из шахты, поступившей через водосливной порог шахты и водоспуск. Число нитей и размеры поперечного сечения водоотводящей трубы определяют на основании гидравлического расчета, из условия равенства геометрического напора на сооружение алгебраической сумме потерь напора в водоотводящей трубе

(1.10)

где - скорость движения воды в трубе; - коэффициенты сопротивления при входе, по длине и выходе

(1.11)

(1.12)

(1.13)

где - коэффициент, зависящий от очертания кромки входа, =0,2; - скорость потока на входе; - площадь живого сечения потока соответственно в трубе и в водобойном колодце; - гидравлический радиус; - длина водоотводящей трубы.

В типовых сооружениях отводящие трубы устраивают из сборных унифицированных железобетонных изделий круглого или прямоугольного профиля. Наиболее широко применяют сборные трубы диаметром 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8м. Трубы прямоугольного сечения делают из унифицированных блоков высотой 1,4...2,0м, с шириной меньше высоты не менее 0,2м.

Рисунок 3. Водоотводящая труба шахтно-башенного водосброса

Устройство нижнего бьефа (см. рисунок 4) должно обеспечить гашение кинетической энергии потока. Тип и размеры устройств, принимаются на основании гидравлического расчета и технико-экономического сравнения вариантов. За башенными водосбросами чаще всего устраивают водобойный колодец длиной и шириной , а также водобойную плиту длиной , на которой размещают в шахматном порядке гасители энергии. Тип и размеры элементов гасителя, место их установки определяют гидравлическим расчетом и лабораторными исследованиями и в соответствии рекомендациям, изложенным стр.168...169 в работе [3].

Рисунок 3. Расчетная схема шахтно-башенного водосброса

За водобойной плитой устраивается рисберма длиной , которая сопрягается с отводящим каналом через зуб из каменной наброски шириной 1,0 м.

При выполнении статического расчета учитываются следующие виды нагрузок и воздействий:

* собственный вес шахты;

* давление грунта и силы трения в строительный и эксплуатационный периоды (с учетом наличия воды);

* давление воды при максимальном форсированном уровне;

* взвешивающее давление воды.

Пример проектирования и расчета шахтно-башенного водосброса

Пример расчета ковшового водосброса

Длина водосливного порога определяется из формулы (6.6) пропускной способности водослива с тонкой стенкой, толщину которой с конструктивных соображений принимаем 0.3м, поэтому =0,42 . Коэффициент подтопления для =0,2 по таблице 16 принимаем, =0,98. Тогда

При круглом очертании ковша в плане, внутренний диаметр ковша определится

Число нитей и размеры поперечного сечения водоотводящей трубы определяют на основании гидравлического расчета, из условия равенства геометрического напора на сооружение алгебраической сумме потерь напора в водоотводящей трубе. Отметка уровня воды в нижнем бьефе водосброса определится из условия . Для создания более спокойного движения воды к шахте, отметка уровня воды в верхнем бьефе принимается на 0,2м выше водосливного порога.

В первом приближении назначаем три нити трубопровода с диаметром каждой нити =1,2м. Площадь живого сечения одной нити

Скорость движения воды в трубопроводе

Для обеспечения плавного входа потока в трубопровод, предусматриваем раструб =1,4м, тогда скорость на входе

Коэффициент сопротивления на входе

Коэффициент сопротивления по длине трубопровода

Коэффициент сопротивления на выходе из трубопровода

Площадь живого сечения на выходе из трубопровода зависит от глубины воды в отводящем канале и ширины водобойного колодца. Как правило, ширину водобойного колодца назначают равную ширине портальной стенки ковша, формула (6.7). При очертании ковша в плане в форме круга, ширина портальной стенки должна соответствовать его диаметру

Тогда полные потери напора определятся как

Процент отклонения рассчитанного и принятого коэффициента расхода составит

, что меньше допустимого . Принимаем три нити труб ковшового водосброса диаметром 1,2м каждая.

6.3.2. Статический расчет ковшового водосброса

Получим

К опрокидывающим силам относится действие взвешивающего давления

где: - площадь основания ковша, ; - отметка низа фундаментной плиты ковша.

Коэффициент устойчивости

Полученное значение коэффициента устойчивости больше допустимого =1,1, следовательно ковш будет устойчив к всплытию.

Пример расчета берегового открытого водосброса

Статический расчет водосброса

На водосбросное сооружение действуют статические и динамические нагрузки, как показывает опыт их проектирования и эксплуатации потеря устойчивости шлюз регулятора может произойти от действия взвешивающих и фильтрационных сил. В общем случае устойчивость водобойной плиты на всплытие определяется коэффициентом устойчивости

где: SG – сумма вертикально действующих сил, направление действия которых совпадает с направлением действия силы тяжести, SР – сумма вертикально действующих сил, направление действия которых противоположно действию силы тяжести.

где: G₁ – собственный вес водобойной плиты; G₂ – вес моста, строений и механического оборудования; G₃ – вес затвора; G₄ – вес пригрузки от воды водобоя со стороны нижнего бьефа. Расчет устойчивости на всплытие проводим на 1м ширины шлюза. Площадь водобойной плиты в продольном разрезе 27, .

Объем плиты . Тогда

кН.

где: – объемная масса бетона.

кН.

где: - полный вес плоского затвора; – площадь перекрываемого отверстия, ; – глубина воды в подводящем канале 1,8м.

кН.

где: – объем воды на водобойной плите со стороны нижнего бьефа.

Величина давления на водобойную часть сооружения определяется эпюрой противодавления. Координаты эпюры определяем методом коэффициентов сопротивлений. Глубина расположения расчетного водоупора принимается по таблице 10, в зависимости от отношения величины проекции водонепроницаемой части флютбета на горизонтальную ось к проекции его на вертикальную ось, .

Таблица 10. Глубина активной зоны фильтрации

	≥5	4,9…3,4	3,3…1,0	0,9…0
	0,5 •	2,5•	0,8 +0,5•	+0,3•

При имеем

Флютбет разбивается на отдельные характерные участки (фрагменты): вход – 0-1; горизонтальный участок, определяемый длиной понура 1-2; уступ 2-3; горизонтальный участок, определяемый длиной водобоя 3-4 участок выхода 4-5. Для каждого фрагмента определяем значение коэффициента сопротивления.

Флютбет разбивается на отдельные характерные участки (фрагменты): вход – 0-1; горизонтальный участок, определяемый длиной понура 1-2; уступ 2-3; горизонтальный участок, определяемый длиной водобоя 3-4 участок выхода 4-5. Для каждого фрагмента определяем значение коэффициента сопротивления.

Коэффициент сопротивления на входе (участок 0-1)

Коэффициент сопротивления (участок 1-2)

Коэффициент сопротивления (участок 2-3):

Рисунок 27. Схема для статического расчета

Коэффициент сопротивления (участок 3-4):

Коэффициент сопротивления на выходе:

Определим потери напора на каждом участке:

м.

м.

м.

м.

м.

где: - сумма коэффициентов сопротивлений по линии подземного контура, =0,66+2,61+0,85+12,65+0,83=17,66; - геометрический напор на сооружение .

На развернутой длине подземного контура флютбета 0-1-2-3-4-5 отмечаем величину напора в каждой характерной точке. Величина фильтрационного и взвешивающего давления на водобойную плиту определится площадью эпюры, рисунок 28.

Рисунок 28. Эпюры противодавления: а) метод коэффициентов сопротивления; б) метод линейно контурной фильтрации

кН.

где: – площадь эпюры противодавления в пределах водобойной плиты.

Эпюра противодавления может быть построена также методом линейной контурной фильтрации (ЛКФ). В методе ЛКФ предполагается, что падение напора происходит по всей длине подземного контура равномерно, а величина напоров в характерных точках определяется построением линии пьезометрических напоров потока грунтовых вод. Тогда

кН.

Из двух величин в расчет принимается наибольшее значение

Так как коэффициент устойчивости больше нормативного то потери устойчивости водосбросного сооружения на всплытие не произойдет.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков И.М., П.Ф. Кононенко, И.К. Федичкин и др.. Проектирование гидротехнических сооружений. - М., "Колос ", 1977. - 384с.

2. Гидротехнические сооружения. Под общей редакцией В.П.Недриги., М., Стройиздательство 1983. - 543с.

3. Ларьков В.М. Водопропускные сооружения низконапорных гидроузлов ( с глухими плотинами ): Учебное пособие. - Ми.: Ураджай, 1990 . - 351с.

4. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу "Гидротехнические сооружения " для студентов специальности 1511 - " Гидромелиорация ". Брест, 1986. - 32 с.

5. Природа Белоруссии. Популярная энциклопедия. - Мн. : " Белорусская советская энциклопедия " им. Петруся Бровки, 1986. - 598с.

6. Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Плотины из местных материалов. / СНиП 2. 06. 05. - 84. М.: 1985.

Учебное издание

Составитель: Мороз Михаил Федорович,

Водчиц Николай Николаевич

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По курсовому проектированию

Часть 2

«Проектирование водопропускных сооружений»

для студентов специальностей

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По курсовому проектированию

по курсу «Гидротехнические сооружения»

Часть 2

«Проектирование водопропускных сооружений»

для студентов специальностей