ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИДРОУЗЛА С ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНОЙ И БЕРЕГОВЫМ ВОДОСБРОСОМ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОЙ ЯКУТИИ

Животова Юлия Аркадьевна

студентка 3 курса, АУ РС (Я) «ЮЯТК», г. Нерюнгри

Шудра Людмила Николаевна

руководитель, преподаватель спецдисциплин, АУ РС (Я) «ЮЯТК»,

 г. Нерюнгри

E-mail: kuzmina-ira63@yandex.ru

Вода, драгоценный дар природы, живая кровь,

 Которая создает жизнь там, где ее не было.

Академик А. Н. Карпинский

Гидротехнические сооружения предназначены 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).

Грунтовые плотины – самый распространенный тип водоподпорного сооружения, так как возведение таких плотин может быть полностью, или почти полностью механизировано, оно менее энергоемко, требует меньших трудозатрат.

Цель проекта – конструирование гидроузла с грунтовой плотиной  с учетом использования местных грунтов и суровых климатических условий Южной Якутии. 

Климат района расположения площадки резко континентальный с продолжительной, исключительно суровой зимой, коротким теплым летом, кратковременными переходными сезонами. Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

               ·      выбрать конструкцию грунтовой плотины;

               ·      определить отметку гребня плотины;

               ·      рассчитать крепление верхового откоса плотины;

               ·      запроектировать трассу водосбросного сооружения;

               ·      рассчитать водосбросные сооружения.

Проектируемый гидроузел с плотиной  из грунтовых материалов может служить для спортивно-оздоровительных целей Нерюнгринского района.

Компоновка гидроузла включает в себя выбор створа плотины, трасс и месторасположения водопропускных сооружений.

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 проекте створ плотины выбирается 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. Класс проектируемой плотины – IV назначается в зависимости от ее высоты и типа грунтов основания [6, с. 13].

На скальном основании возможно возведение каменно-земляной и каменной плотин. По данным о грунтах, добываемых в местных карьерах (суглинок, горная масса) можно сделать вывод о возможности возведения каменно-земляной плотины с упорными призмами из горной массы. Горная масса транспортируется из карьера «Гранитный». Карьер суглинков — Олонгринское месторождение суглинков.

Каменно-земляные плотины – самый надежный и простой в эксплуатации тип плотины. Их строят в тяжелейших сейсмических (до 9 баллов) и климатических условиях.

При проектировании использовался аналог — гидроузел Нерюнгринской ГРЭС.  В состав сооружений технического водоснабжения НГРЭС входит глухая каменно-земляная плотина с суглинистым экраном, которая в эксплуатации с 1983 года. Материал плотины: скальный грунт, щебень, суглинок.  Были исследованы технические характеристики этой грунтовой плотины.

Выбор профиля проектируемой плотины сводится к выбору заложений откосов. В соответствии с рекомендациями по таблице 7.1 [1, с. 189]   принимается для горной массы заложение верхового откоса m = 2,0, а низовой откос принимается по аналогу  m = 1,8.  Поперечный профиль плотины определяется заложением верхового и низового откосов, наличием на откосах берм, отметкой и шириной гребня плотины.

При конструировании каменно-земляной плотины, прежде всего, определяется отметка гребня [5, с. 9, п. 2.12*]:

sГ П = sНПУ + hs;

где: hs – возвышение гребня плотины, определяется по формуле (1) [5, с.9]

h_s = D h_set + h_{run 1%} + a,

где: D h_set — ветровой нагон воды в верхнем бьефе;

h_{run 1%}  — высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;

а — запас возвышения гребня плотины, принимаемый не менее 0,5 м.

Высота наката ветровой волны зависит от высоты бегущей волны h, длины λ и периода Т (рис. 1) [3, рис. 1. 4, с. 22].

Рис.1  Профиль и элементы волны:

1 - расчетный уровень, 2 - средняя волновая линия

По расчетным отметкам нормального и форсированного уровней воды в водохранилище, а также исходя из расчетных значений элементов ветровых волн, согласно строительным нормам и правилам [4, с. 8], отметка гребня составляет:

sГ П = 124,00 + 0,02 + 1,06 + 0,52 = 125,60

Гребень плотины конструируется, исходя из условий производства работ и эксплуатации плотины. Прежде всего, необходимо обеспечить проезд обслуживающего транспорта. Обычно на гребне плотины устраивают автомобильную дорогу.

Ширина гребня устанавливается в зависимости от категории, прокладываемой по гребню дороги (категория дороги не зависит от класса плотины) в соответствии с таблицей 1.3 [3, с. 21]. В проекте дорога относится к III категории, c шириной земляного полотна (b_гр) — 12 м. По краям проезжего полотна дороги предусматривают обочины или тротуары для пешеходов.

Для защиты верхового откоса грунтовой плотины от разрушающего воздействия ветровых волн, льда, течения воды, атмосферных осадков и других факторов рекомендуется устраивать крепление.

В проекте принимается каменное крепление верхового откоса по аналогу и по рекомендациям учебной литературы при расчетной высоте волны  1,06 м в виде каменной наброски [2, с. 261].  

Определяется вес камня, устойчивого на откосе под действием волн по формуле (8.2) [2, с. 261]:

Q =   ,

где: Q — вес камня, устойчивого на откосе,

μ — коэффициент, учитывающий тип крепления откоса,  μ = 0.025,

 — удельный вес камня,= 26,00 кН/м³,

 — удельный вес воды,  =10.0 кН/м³,

m₁ — заложение верхового откоса, m₁= 2,0,

 — средняя длина волны.

Для характеристики укладываемого материала удобнее использовать геометрические размеры и задавать крупность  камня. Соотношение веса камня и среднего диаметра, приведенного к диаметру шара, дает формула (8.3) [2, с. 261]:

= ;         

Определим толщину крепления из условия:

δ3D,    δ = 3· 0,4  =  1,20  м.

Принимается  толщина крепления δ = 1,20 м.

В наброске применяется несортированный камень расчетным размером 0,40 м, при этом максимальный размер камня не ограничивается, но более 50 % общего количества должны составлять камни расчетного или большего размеров (рис. 2) [2, рис.8.2, с.262].  

Рис.2 Крепление откоса каменной наброской

1 – обратный фильтр, 2 – гравий или щебень

Каменная наброска является надежным креплением. На прочность крепления не оказывают влияния деформации тела плотины [2, с. 261].

Горная масса для наброски транспортируется из карьера «Гранитный».

Крепление низового откоса выполняют для предупреждения процессов естественного выветривания. Простые и дешевые способы крепления низового откоса – залужение и одерновка.

В проекте ориентируемся на срок строительства гидроузла меньше года. Строительство начинается сразу после весеннего паводка. При этом русло реки перекрывается верховой и низовой перемычками, а строительный расход реки направляется по расчетному трубопроводу, который пропускается через все тело плотины и перемычек.

Площадь поперечного сечения отводящих труб определяется по формуле (2.81) [3, с. 111]:

где: Q – строительный  расход,  м³/с; 

μ – коэффициент расхода трубы;

Z – напор в трубе, м, при неподтопленном выходном отверстии равен разности отметок верха перемычек и оси отводящей трубы.

Коэффициент расхода трубы определяется по формуле (2.82) [3, с. 111]:

где: λ – гидравлический коэффициент трения, принимаемый по таблице 2.6 [3, с. 108];

l – длина отводящей трубы, м; 

R – гидравлический радиус;

ξвх – коэффициент сопротивления при входе в трубу; 

χ – смоченный периметр.

Коэффициент сопротивления при входе в трубу принимается при острых кромках  ξвх = 0,50.

Для сброса воды задаемся  dтр = 1,50 м и проверяем расчетом.

ωтр = πr² = 3,14* 0,75² = 1,76 м²;

χ = 2πr = 2* 3,14*0,75 = 4,71 м;

R = ωтр : χ = 1,76 : 4,71 = 0,37 м;

тогда  коэффициент расхода:

Площадь поперечного сечения отводящих труб:

Принимаем две отводящие трубы, тогда  площадь живого  сечения одной трубы  и ее диаметр:

ω : 2= 3,91: 2 = 1,955 м²,

Следовательно, сечение двух расчетных труб будет по 1,5 м.  После окончания строительства гидроузла водосбросные трубопроводы забиваются бетоном.

После выбора створа на топографическую основу наносятся ось плотины с пикетами,  и строится продольный профиль по выбранному створу плотины (рис.3). На этот профиль наносятся: проектный гребень плотины, контур подошвы плотины.

Рис.3. Продольный профиль плотины

В грунтовых плотинах, тела которых выполнены из водопроницаемых грунтов, применяются противофильтрационные устройства: ядра, экраны. Назначение их – уменьшить фильтрационные потери воды через тело плотины, а также повысить устойчивость низового откоса.

Каменно-земляные плотины с центральным ядром наиболее распространены в отечественной и зарубежной практике плотиностроения, что объясняется рядом преимуществ по сравнению с плотинами с экраном. У плотин с центральным ядром верховой откос круче, чем у плотин с экраном, что определяется более высокими прочностными характеристиками материала верховой упорной призмы по сравнению с прочностными характеристиками материала водоупорного элемента. Таким образом, как правило, плотина с ядром экономичнее плотины с экраном [5, с. 272].

Исследования экономичности проводились при определении ширины плотины понизу:

вариант 1 – плотина высотой 15,60 м с экраном и заложением верхового откоса m = 2,5 (по аналогу);

вариант 2 – плотина высотой 15,60м с ядром и заложением верхового откоса m = 2,0 (в проекте).

Ширина понизу плотины с экраном  будет 85,10 м, а плотины с ядром - 77,30 м. Таким образом, ширина понизу плотины с ядром на 9 % меньше, а значит экономичнее плотины с экраном.

Поэтому  в данном проекте выбирается плотина с  центральным ядром из суглинка. Ширина ядра поверху по условиям производства работ принимается  3.0 м,  понизу – (0.30.5)Н_пл, а именно 8,30 м. Толщина фильтра в каменно-земляной плотине (переходная  зона) назначается по условиям производства работ 3,0 м [1, с. 151].

В речных гидроузлах с глухими плотинами предусматриваются водопропускные сооружения, которые строятся до возведения плотины или одновременно с ней.

Работа по проектированию водосбросного тракта начинается с выбора трассы водосброса на генплане гидроузла, после того как плотина запроектирована.

До начала проектирования водосброса необходимо вписать плотину из грунтовых материалов в местность.

При грунтовых плотинах для пропуска расходов половодья и дождевых паводков во избежание переполнения водохранилища, для пропуска льда, шуги, мусора из верхнего бьефа в нижний, устраивают водосбросные сооружения. Ось водосбросного тракта трассируется по водораздельным участкам склона, по возможности перпендикулярно горизонталям. Трасса водосбросного сооружения намечается в обход плотины на более пологом берегу. В состав берегового водосброса входят: подводящий канал, шлюз-регулятор, соединительный канал, сопрягающее сооружение (быстроток), отводящий канал.

В данной работе предусматривается регулируемый водосброс в виде шлюза-регулятора.

Регулируемые водосбросы позволяют поддерживать НПУ и обеспечивают сброс паводка без ФПУ или дополнительного затопления территории.

При определении размеров отверстий водопропускных сооружений учитывается возможность форсирования уровня верхнего бьефа над нормальным подпорным уровнем. В водопропускных сооружениях предусматриваются  два затвора со стандартными размерами [3, с. 76]. Гидравлический расчет сводится к определению размеров поперечного сечения канала при пропуске максимального расхода Q = 80 м³/с.   

Принимается к расчету канал с трапецеидальной формой поперечного сечения. Геометрические размеры канала трапецеидального сечения характеризуется шириной канала понизу – b; коэффициентом заложения откосов – m; глубиной воды в канале – h; шириной канала поверху – B.

Через указанные величины определяются гидравлические характеристики канала:

площадь живого сечения  w = (b+mh) h;

ширина канала поверху  B = b+2mh.

Расчет выполняется в табличной форме по методике, предложенной  А. М. Латышенковым [1, с. 77].                        

Так как неизвестными величинами являются и ширина канала понизу (b) и глубина воды в канале (h), то одной из них задаются, а другую определяют.

Таблица 1.

Расчет канала с трапецеидальной формой поперечного сечения

По табличным данным строятся графики, точка их пересечения дает истинную глубину воды в канале при максимальном расходе воды. 

Рис. 4 График  hср f (h); αυ²/g  f (h)

Были исследованы два варианта ширины канала понизу, а именно: шестиметровый и девятиметровый, тогда ширина каналов поверху будет 9,0 и 12,0 м, расчетная глубина воды в каналах  2,52 и 1,99 м соответственно. Канал 6-ти метровый шириной понизу меньше на 33 % 9-ти метрового канала, а расчетная глубина воды будет меньше на 21 %  в 9-ти метровом. Таким образом, канал первого варианта имеет более компактные размеры при плановом размещении, а заглубление канала отличается незначительно. Поэтому принимается канал трапецеидального сечения с шириной понизу

6,0 м, заложение откосов которого m = 0,5.

Ширина подводящего и соединительного каналов принимается постоянной, уклон дна положительный  (i = 0,002). Уровень воды в подводящем канале соответствует НПУ.

Высотное размещение всех сооружений на водосбросном тракте определяется так, чтобы выемки были минимальными, на отдельных пониженных участках выполняют малые насыпи грунта из участков выемок тракта.

На топографической  основе выполняется компоновка  гидроузла с грунтовой плотиной и береговым водосбросом (рис. 5).

Рис. 5 План гидроузла

 В результате выполненных расчетов и исследований запроектирована каменно-земляная плотина с упорными призмами из горной массы и центральным ядром из суглинка.

 Отметка гребня плотины 125,60 м, высота плотины 15,60 м, длина по гребню 344,00 м, ширина гребня плотины 12,00 м.

Заложение откосов плотины составляет: верхового откоса m = 2,0, а низового – 1,8. Верховой откос укреплен каменной наброской. Толщина крепления  1,20 м.

Ядро плотины из суглинка. Ширина ядра поверху 3,0 м, ширина ядра понизу — 8,30 м.  Отметка ядра поверху 125,00 м. Защищено ядро одной переходной зоной шириной 3,0 м.

В качестве водопропускных сооружений запроектирован открытый береговой регулируемый водосброс. Рассчитаны каналы трапецеидального сечения по максимальному расходу Q = 80 м³/с. Заложение откосов каналов принято 1:0,5. Для пропуска строительных расходов Q = 20 м³/с предусмотрены две трубы d = 1,50 м.

Через створ плотины устроена автодорога, двустороннего направления с шириной одной полосы 3,50 м. Также имеется пешеходная полоса и централизованное освещение.

Гидроузел отвечает всем расчетным и эксплуатационным требованиям.

Список литературы:

1.  Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика под ред. Недриги В. П. — М. Стройиздат, 1983. – 543 с.

2.  Гольдин А. Л. Рассказов Л. Н. Проектирование грунтовых плотин. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Изд-во АСВ, 2001. – 384 с.

3.  Кириенко И. И. Химерик Ю. А. Гидротехнические сооружения. Проектирование и расчет: Учебное пособие для ВУЗов – К-в.: Высшая школа, 1987. – 253 с.

4.  СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения. – М.: Госстрой СССР, 1989. – 60 с.

5.  СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов. — М.: Госстрой СССР, 1990. – 54 с.

6.  СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. – М.: Госстрой РФ, 2004. – 25 с.