Иванов В.М. и др. Расчет и проектирование гидротехнических сооружений для гидроэлектростанций малой мощности и объектов водоснабжения и водоотведения

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический

университет им. И. И. Ползунова»

В. М. Иванов, Б. В. Сёмкин

А. А. Блинов, Т. Ю. Иванова

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

ДЛЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ МАЛОЙ

МОЩНОСТИ И ОБЪЕКТОВ

ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Учебное пособие

Часть I

Изд-во АлтГТУ

Барнаул – 2008

-2-

УДК 621.311.21

Иванов, В. М. Расчет и проектирование гидротехнических сооружений для гидроэлек-

тростанций малой мощности и объектов водоснабжения и водоотведения: учебное пособие.

Часть I / В. М. Иванов, Б. В. Сёмкин, А. А. Блинов, Т. Ю. Иванова; Алт. гос. техн. ун-т

им. И. И. Ползунова. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2008. – 101 с.

ISBN 978-5-7568-0264-1

В пособии рассмотрены вопросы проектирования и расчета гидротехнических соору-

жений, таких как плотины из местных сооружений, водосбросные сооружения и др., для

гидроэлектростанций малой мощности и других водохозяйственных нужд.

Приводятся особенности проектирования и расчета различных типов плотин из мест-

ных материалов, уделено большое внимание расчету процессов фильтрации и устойчивости

плотин в зависимости от выбранного типа. Приведен выбор и расчет существующих водо-

сбросных сооружений устраиваемых при плотинах из местных материалов.

Учебное пособие предназначено для специалистов, работающих в области проектиро-

вания гидротехнических сооружений, а также рекомендуется аспирантам, студентам элек-

троэнергетических и строительных специальностей.

Научный редактор:

В. М. Иванов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой теплотехники, гидравлики

и водоснабжения, водоотведения ГОУ ВПО АлтГТУ

Рецензенты:

М. А. Колосов, д.т.н., профессор кафедры гидротехнических сооружений

ГОУ ВПО СПГУВК

В. И. Пименов, к.т.н., доцент кафедры возобновляемых источников энергии и

гидроэнергетики ГОУ ВПО СПбГПУ

ISBN 978-5-7568-0264-1

 Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова, 2008

 В. М. Иванов, Б. В. Сёмкин, А. А. Блинов, Т. Ю. Иванова

-3-

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И

ГИДРОУЗЛАХ

1.1 Виды водоподпорных сооружений

1.2 Назначение гидроузлов

1.3 Классификация гидроузлов по величине напора

1.4 Состав сооружений в гидроузлах

2 ПЛОТИНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

2.1 Классификация плотин по целям их устройства

2.2 Классификация плотин по основному материалу, из которого

они выполняются

2.3 Классификация плотин по конструктивным признакам

2.4 Деление плотин по условиям пропуска ими воды

2.5 Действие плотины (узла) на верхний и нижний бьефы

2.6 Действие речного потока на водоподпорные сооружения,

имеющие водосбросные отверстия, и прилегающий участок русла

2.7 Фильтрация воды под сооружениями

3 ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И

УСЛОВИЯ РАБОТЫ

3.1 Общие сведения

3.2 Типы земляных плотин

3.3 Деление земляных плотин по способам их возведения

3.4 Условия работы земляной плотины

3.5 Дренаж плотин

3.6 Пропуск воды через земляные плотины

3.7 Выбор типа земляной плотины. Роль имеющихся для плотины

материалов

4 МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

4.1 Общие требования к материалам для земляных плотин

4.2 Гранулометрический состав грунта

4.3 Водоустойчивость и примеси

4.4 Основные характеристики грунтов тела плотины, необходимые

для проектирования

5 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

5.1 Общие положения

5.2 Назначение основных размеров профиля плотины

5.3 Отметка гребня плотины

5.4 Конструкции гребня и крепления откосов

6 УСТРОЙСТВА, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ФИЛЬТРАЦИЮ В ЗЕМЛЯНЫХ

ПЛОТИНАХ

6.1 Экраны и понуры

-4-

6.2 Ядра и диафрагмы

6.3 Дренаж земляных плотин

6.4 Противофильтрационные устройства в основании плотины

6.5 Сопряжение упорных призм грунтовых плотин с основанием

6.6 Обратные фильтры

6.7 Фильтрационные расчеты

7 УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН

7.1 Устойчивость земляных откосов

7.2 Расчет устойчивости земляных откосов

7.3 Метод определения коэффициента устойчивости откоса

7.4 Расчет устойчивости экрана и защитного слоя

8 КАМЕННО-3ЕМЛЯНЫЕ И КАМЕННО-НАБРОСНЫЕ ПЛОТИНЫ

8.1 Виды плотин из камня

8.2 Плотины набросные смешанные - из каменной наброски

и других материалов

8.3 Возможность пропуска воды набросными плотинами

8.4 Материал для набросных плотин и его укладка. Общие

требования к камню для наброски в плотины

8.5 Размеры и форма камня

8.6 Породы камня, пригодные для наброски и сухой кладки

8.7 Виды наброски камня

8.8 Сухая кладка

9 ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ, ФОРМА ПЛОТИН И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ

9.1 Классификация и конструктивные особенности каменнонаброс-

ных и каменно-земляных плотин

9.2 Противофильтрационные устройства

9.3 Фильтрационные расчеты

9.4 Основания плотин и их устойчивость

9.5 Расчет обратных фильтров, дренажей и переходных зон

Приложение А

Приложение Б

Список литературы

100

-5-

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии, а особенно ма-

лая гидроэнергетика, за последние десятилетия заняли устойчивое положение в

качестве важной составляющей электроэнергетики многих стран мира. Объек-

ты малой гидроэнергетики могут сооружаться практически на любых водных

объектах, имеющих гидроэнергетический потенциал: на малых реках и ручьях,

водосбросных сооружениях мелиоративных систем, водосбросах тепловых

электростанций, питьевых водоводах, продуктопроводах предприятий, канали-

зационных коллекторах и др. В связи с этим остро встает вопрос о корректно-

сти в расчетах и проектировании гидротехнических сооружений, играющих

важную роль среди других объектов малой гидроэнергетики.

Строительство гидроузлов комплексного назначения ведется в самых

различных климатических, геологических и топографических условиях нашей

страны. Возводятся и намечаются к строительству гидроузлы, в состав которых

входят плотины из грунтовых материалов и оптимальные водосбросные со-

оружения. Прогресс в развитии исследований, проектирования и строительства

плотин из грунтов и камня позволил существенно увеличить высоту и объем

насыпи плотин, использовать для строительства плотин створы, ранее считав-

шиеся для этого непригодными; более экономично использовать на месте грун-

ты и камень.

Возросший интерес к малой гидроэнергетике в настоящее время связан с

рядом факторов. В промышленно развитых районах, особенно в европейской

части страны, в основном исчерпаны возможности крупного гидроэнер-

гетического строительства. Кроме того, создание крупных ГЭС связано с пре-

одолением негативной реакции на экологические последствия такого строи-

тельства. В то же время малое гидроэнергетическое строительство, ведущееся,

как правило, в границах естественного колебания уровней водотока, практиче-

ски не приносит экологического ущерба.

Наиболее эффективным направлением является реконструкция и вос-

становление ранее существовавших, но впоследствии выведенных из эксплуа-

тации малых ГЭС. Это направление может быть особенно эффективным в ев-

ропейской части России, где ранее работали сотни малых ГЭС. Теперь они мо-

гут быть реконструированы и восстановлены на новом техническом уровне. На

ряде малых ГЭС сохранились гидротехнические сооружения и подпертые бье-

фы, которые используются в рекреационных, водохозяйственных, мелиоратив-

ных целях, что упрощает задачу восстановления объектов и снимает ряд задач,

связанных с экологией.

Данное пособие будет полезно специалистам, работающим в области

проектирования гидротехнических сооружений, а также студентам старших

курсов и аспирантам. Настоящее учебное пособие является вторым изданием

коллективного труда преподавателей кафедры ТГиВВ.

-6-

1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И

ГИДРОУЗЛАХ

1.1 Виды водоподпорных сооружений

Водоподпорным называется сооружение, удерживающее с одной своей

стороны воду на более высоком уровне, чем с другой.

Часть водоема, реки или канала по ту сторону водоподпорного соо-

ружения, где имеется более высокий уровень воды, называется верхним бье-

фом (сокращенно ВБ), или подпертым бьефом, а по другую сторону, где уро-

вень более низок, называется нижним бьефом (НБ.). Разность уровней воды

верхнего и нижнего бьефов называется напором или подпором; в некоторых

случаях вода в нижнем бьефе может отсутствовать [1-4].

− Водоподпорные сооружения, перегораживающие речное русло или реч-

ную долину (или др. водоток) для подъёма уровня воды перед ним, сосредото-

чения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища,

носят название плотин. Плотины небольшой высоты, в частности, устраивае-

мые в речном русле для регулирования речной эрозии, носят название порогов

и запруд.

− Водоподпорные земляные сооружения, устраиваемые по берегам рек для

защиты береговых земель от временного затопления паводками, носят название

дамб, или валов.

− Водоподпорные сооружения, обычно земляные, устраиваемые для защи-

ты морских или озерных побережий от затоплений морем или озером при

подъемах воды в них в результате приливов или ветровых нагонов, называются

морскими или озерными дамбами.

− К числу водоподпорных сооружений относится также ряд специальных

сооружений, как, например, некоторые типы зданий гидроэлектростанций, сте-

ны напорных бассейнов, судоходные шлюзы, плотоходы, шлюзы на мелиора-

тивных (оросительных, осушительных) системах и некоторые другие.

1.2 Назначение гидроузлов

Комплексы гидротехнических сооружений, в которых создается подпор

воды, называются подпорными или напорными гидроузлами.

В соответствии с водохозяйственными целями, для которых напорные

узлы сооружений возводятся, они могут быть, согласно СНиП 2.06.01-86 «Гид-

ротехнические сооружения. Основы проектирования»:

а) гидроэнергетическими, если цель гидроузла - получение гидроэнергии

и в состав гидроузла входит гидроэлектростанция, которая непосредственно

использует энергию создаваемого перепада воды;

б) воднотранспортными, или транспортными, если основное назначение

узла - обслуживание водного транспорта и в составе сооружений имеются

транспортные сооружения; воднотранспортные гидроузлы могут подразделять-

ся на судоходные, если река судоходна, и лесосплавные, если на реке имеет ме-

-7-

сто только лесосплав и нет судоходства; создаваемое этими узлами повышение

уровня воды в реке увеличивает глубины ее, уменьшает скорость течения и во-

обще улучшает условия судоходства;

в) водозаборными, если назначение узла - только обеспечение забора во-

ды из реки для отвода ее каналом, трубопроводом, туннелем;

г) водохранилищными или регулирующими сток, если назначение узла -

перераспределение расходов воды на нижележащем участке реки, например,

для борьбы с паводками, наводнениями, для целей благоустройства; эти цели

достигаются образованием водохранилища, в котором в период паводков на

реке задерживается часть воды, а в период маловодья или в соответствии с по-

требностями она выпускается из водохранилища.

В соответствии с комплексностью водохозяйственных мероприятий гид-

роузлы в большинстве случаев бывают также комплексными и в зависимости

от составляющих их элементов называются: транспортно-энергетическими,

транспортно-водозаборными, водозаборно-энергетическими, транспортно-

водозаборно-энергетическим и т.д.

В современных условиях комплексного использования водных ресурсов

плотина почти всегда является составной частью гидроузла и обычно главной

его частью.

В некоторых простейших случаях подпорное сооружение может быть

представлено одной плотиной, например, если имеется в виду поднять подпор

для регулирования эрозии речного русла (уменьшение размываемости русла и

прочих неблагоприятных условий) или, например, если плотина служит для за-

крытия одного из рукавов реки или для образования водоема в спортивных це-

лях, в целях благоустройства и т. п.

1.3 Классификация гидроузлов по величине напора

По величине напора, создаваемого узлом на реке, гидроузлы делятся:

а) на узлы низконапорные, или русловые, в которых нормальный подпер-

тый уровень, как правило, не выходит за пределы меженнего русла и при этом

пойма не затопляется; величина напора в наших условиях - примерно до 20 м;

б) узлы среднего напора или средненапорные, для равнинных рек харак-

терны напоры в пределах 20-100 м;

в) узлы высокого напора, или высоконапорные, величина напора которых

превышает 100 м.

Следует отметить, что границы между отдельными видами напорных уз-

лов условны и даны применительно к природным условиям нашей страны. Од-

нако величина напора имеет значение не только для выбора типов сооружений

и компоновки их, но нередко определяет и назначение узла. Так, низконапор-

ные узлы строятся обычно в целях водозабора или для судоходства и реже бы-

вают энергетическими (исключение - узлы малых гидроэлектростанций).

Средненапорные гидроузлы чаще всего бывают энергетическими и

транспортно-энергетическими, на малых реках - также регулирующими сток.

-8-

Высоконапорные узлы в основном строятся для нужд энергетики и регу-

лирования стока в разных водохозяйственных целях.

1.4 Состав сооружений в гидроузлах

В состав гидроузла входят постоянные и временные сооружения.

Постоянные сооружения делятся на основные, вспомогательные и

прочие.

Основные сооружения обеспечивают нормальную работу гидроузла и

делятся на общие, создающие необходимые напор, емкость верхнего бьефа и

гидравлические условия, соответствующие измененному узлом гидрологиче-

скому режиму, и специальные, осуществляющие специальные водохозяйствен-

ные функции, для которых построен узел, т. е. воднотранспортные, энергетиче-

ские и прочие сооружения.

Общими сооружениями являются:

• плотины, создающие напор и емкость верхнего бьефа (водохранилище);

• водосбросы - водосливы и водоспуски, обеспечивающие сброс излишков

воды и опорожнение водохранилища; нередко водосбросом является плотина

или часть ее;

• ледо- и шугосбросные и ледозадерживающие сооружения, позволяющие

удалять из верхнего бьефа лед и шугу или защищать от них сооружения (ледо-

защитные стенки, запани и пр.);

• наносоудаляющие (промывные) устройства, позволяющие сбрасывать в

нижний бьеф скапливающиеся в нежелательных для сооружений местах дон-

ные наносы;

• регуляционные (выправительные) сооружения - продольные и попереч-

ные дамбы, ограждающие дамбы, берегоукрепительные одежды и пр., направ-

ляющие поток к отверстиям сооружений наиболее целесообразно с гидравли-

ческой точки зрения и защищающие земляные части сооружений и берега от

размывов;

• сопрягающие сооружения, задачей которых является правильное конст-

руктивное и гидравлическое сопряжение различных по назначению и конст-

рукции сооружений узла, например, сопрягающие устои, дамбы, раздельные

быки и т. п.

Вспомогательные сооружения необходимы для осуществления экс-

плуатации основных и специальных сооружений; к ним относятся: жилые и

административно-хозяйственные здания (эксплуатационный поселок, водо-

снабжение, канализация, связь, освещение и пр.), дороги на территории узла и

подъездные к нему, мастерские и пр.

К временным сооружениям относятся перемычки, временные мосты,

дороги, силовые станции, бетонные заводы, мастерские деревообделочные и

механические, рабочий поселок и прочие сооружения, необходимые для по-

стройки постоянных сооружений.

-9-

Часть временных сооружений иногда остается и на период эксплуатации

и, так сказать, совмещается с постоянными (например, дороги, мастерские,

часть зданий рабочего поселка, иногда часть перемычек, временные водосбро-

сы и т.д.). Совмещение временных сооружений с постоянными удешевляет

строительство гидроузла и потому всюду, где это возможно, стремятся к тако-

му совмещению.

-10-

2 ПЛОТИНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Из вышеизложенного следует, что в напорных гидроузлах плотина явля-

ется главнейшим и наиболее ответственным сооружением и что чем выше на-

пор, тем относительное значение плотины больше. Вместе с тем, принципы

проектирования и строительства плотин полностью могут быть использованы и

в отношении всех других видов водоподпорных сооружений. Поэтому в на-

стоящем учебном пособии наиболее подробно рассматриваются плотины и

подпорные гидроузлы, а также связанные с ними общие сооружения, водо-

сбросы [5-7].

2.1 Классификация плотин по целям их устройства

Эта классификация наименее четка, так как чаще всего назначение пло-

тин бывает комплексным. Правильнее будет делить плотины и гидроузлы по

степени регулирования стока. Если плотина создает лишь подъем воды и не

может сколько-нибудь существенно регулировать сток, она называется водо-

подъемной.

Плотина называется водохранилищной, если она и гидроузел в целом

обеспечивают регулирование стока реки. Однако особой четкости и в таком

делении плотин нет, так как водохранилищная плотина создает обязательно

подъем воды перед собой, т.е. выполняет функции и водоподъемной; водо-

подъемная же может в некоторой мере выполнять задачи частичного, напри-

мер, суточного, регулирования стока, для которого не требуется накопления

значительных объемов воды в верхнем бьефе.

2.2 Классификация плотин по основному материалу, из которого они

выполняются

По этому признаку плотины могут быть подразделены на следующие

типы.

− Земляные плотины, основным материалом которых является земля, т.е.

песчано-глинистый, песчаный и тому подобные грунты. Это самый древний

вид плотин, получивший в последнее время новое развитие; наибольшая дос-

тигнутая высота таких плотин - около 140 м.

− Плотины из каменной наброски и из сухой каменной кладки, в основном

выполняемые из камня без применения вяжущих веществ. Наибольшая достиг-

нутая высота таких плотин - около 125 м.

− Плотины каменно-земляные, в которых применены земля и каменная на-

броска; наибольшая осуществленная высота таких плотин - 115 м.

− Каменные плотины, выполняемые из каменной (бутовой) кладки на рас-

творе, широко распространенные в 19 и начале 20 в., в настоящее время из-за

невозможности широкой механизации процесса кладки строятся редко. Наи-

большая высота их - 95 м.

− Бетонные плотины, являющиеся в настоящее время наиболее распро-