Лекции - Водосбросные сооружения высоконапорных гидроузлов
Подождите немного. Документ загружается.
36 Лекция 1.
1. Водопропускные сооружения водохранилищных
гидроузлов.
При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются
водопропускные сооружения. Водопро
ускные сооружения предназначены для следующих целей:
1. для пропуска наибольших паводков (половодных и дождевых) и
других неиспользуемых расходов воды в период наполненного водохранилища
при расчетных уровнях воды; полезных попусков воды из водохранилища;
пропуска льда и шуги из верхнего бьефа в нижний (если это необходимо), а
также плавающих тел - такие сооружения называются в о д о с б р о с а м и;
2. для полного или частичного опорожнения водохранилища в
заданный срок для осмотра и ремонта сооружений, находящихся в верхнем
бьефе; частичного промыва наносов из водохранилища; полезных попусков воды
- такие сооружения называются в о д о с п у с к а м и или в о д о в ы п у с к а м и
В дальнейшем основное внимание будет уделено водосбросам
высоконапорных гидроузлов, главным образом, с грунтовыми плотинами.
Вид, состав и компоновка водопропускных сооружений в гидроузле
зависят от расчетного расхода, перепада уровней бьефов, назначения и типа
гидроузла, топографических и геологических условий створа и
эксплуатационных требований.
1.1.Классификация водосбросов.
Водосбросные сооружения, или водосбросы целесообразно разделить:
- по расположению в гидроузле на п л о т и н н ы е и б е р е г о в ы е;
- по гидравлическим признакам на б е з н а п о р н ы е и н а п о р н ы е;
- по конструкции на о т к р ы т ы е и з а к р ы т ы е (замкнутого
поперечного сечения).
П л о т и н н ы е водосбросы могут быть поверхностными и глубинными.
В большинстве случаев поверхностные водосбросы высоко- напорных бетонных
плотин выполняются в виде водосливов (рис.1.1,а). Их достоинство заключается
в том, что тело плотины не ослабляется отверстиями, затворы отсутствуют или
находятся в легких условиях, возможен сброс из водохранилища плавающих тел.
Глубинные водосбросы (а также водовыпуски и водоспуски) в теле
бетонных плотин представляют собой водоводы замкнутого круглого или
прямоугольного поперечного сечения (рис.1.1,б,в).
Рис. 1.1. Основные типы водосбросов в теле высоких бетонных плотин.
Поток в глубинных водосбросах напорный по всей длине или на
некоторой части со стороны верхнего бьефа. Глубинные водосбросы
1
применяются в тех случаях, когда необходима глубокая сработка водохранилища
(например, при опорожнении водохранилища), а также для пропуска
строительных расходов в процессе наполнения водохранилища при возведении
плотины.
Б е р е г о в ы е водосбросы применяются на гидроузлах с грунтовыми
плотинами, а также на гидроузлах с бетонными плотинами в узких створах.
Выполняются они в виде быстротоков или туннельных водосбросов -
безнапорных или напорных. Вариант компоновки гидроузла с береговым
водосбросом отличается разнообразием типов водосбросов.
Головная часть такого водосброса представляет собой водослив,
предшествуемый коротким подводящим каналом (подходной выемкой).
Водослив может быть с широким порогом и практического профиля, прямым и
кривым в плане, располагаться нормально берегу, по оси плотины (с нормальным
отводом воды) ( рис. 1.2,а ), и вдоль берега, если он крутой (с боковым отводом
воды, траншейный) (рис. 1.2,б); может быть кольцевым (шахтный) ( рис. 1.2,в ), с
неполной кольцевой воронкой и наклонной штольней (рис.1.2,г) - все зависит от
способа отвода воды в нижний бьеф.
в) г)
Рис. 1.2. Головная часть береговых водосбросов приплотинных
гидроузлов.
а – нормальный водослив:1 – ось плотины; 2 - мост; 3 – шпунт; 4 – понур; б – боковой
( траншейный) водослив; в – кольцевой водослив; г - с наклонной штольней.
Отводящая часть водосброса может быть в виде быстротока,
трассируемого по береговому склону и заканчиваемого трамплином или га-
сителем другого типа ( рис. 1.3,а ). Может быть в виде наклонной шахты,
переходящей в отводящий туннель ( рис. 1.3,б ). При этом в качестве отводя щей
части, как указывалось, может быть использован низовой участок строительного
туннеля. Может быть, также в виде вертикальной шахты, переходящей в туннель
( рис. 1.3,в ). Этому варианту соответствует кольцевой водослив, подходная
выемка к нему должна обеспечивать подвод воды по всему периметру.
2
а)
б) в)
Рис. 1.3. Отводящая часть береговых водосбросов.
а - нормальный водосброс с быстротоком: I - подходной канал ( расчистка ); II
- водослив; III - отводящий канал; IV - быстроток с концевым устройством; б – водосброс с
наклонной штольней; в – шахтный водосброс с вертикальной шахтой и отводящим туннелем.
Выбор типа водосброса решает технико-экономическое сопоставление,
результат зависит от природных условий и расчетного расхода водосброса.
1.2. Расчетные расходы.
Согласно СНиП 2.06.01-86 водосбросные сооружения гидроузла должны
быть рассчитаны на пропуск двух расчетных максимальных расходов - основного
и поверочного. Вероятность превышения этих расходов ( в % ) принимают в
зависимости от класса основных сооружений гидроузла (табл.1):
Таблица 1
Пропуск расчетного расхода для основного расчетного случая
должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ)
верхнего бьефа через:
- эксплуатационные водосбросные устройства при полном их
открытии;
- все гидротурбины ГЭС;
3
- другие водопропускные сооружения при нормальном режиме их
эксплуатации.
Пропуск расчетного расхода для поверочного расчетного случая
надлежит обеспечивать при наивысшем технически и экономически
обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми
водопропускными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные
водосбросы, все турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и
систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооружения и
резервные водосбросы.
Прохождение поверочного расхода относят к особым
воздействиям. Поэтому при его пропуске в расчеты прочности и устойчивости
сооружений вводится коэффициент сочетания нагрузок γ
fc
=0,9.
Лекция 2.
2. Приближенный технико – экономический расчет строительного
водосброса.
Строительными водосбросами называют временные сооружения для пропуска
расходов реки в период строительства гидроузла, до наполнения водохранилища и ввода
в эксплуатацию постоянных водосбросных сооружений.
4
Для временных сооружений максимальные расчетные расходы необходимо
принимать по основному расчетному случаю при ежегодной вероятности превышения, равной
5% .
Отвод расходов реки в строительный период осуществляется:
- строительными туннелями с частичным использованием их как водосбросных
сооружений в эксплуатационный период ( Нурекский гидроузел, Чарвакский гидроузел );
- донными галереями и деривационными водоводами ( Мингечаурская ГЭС );
- открытым каналом , выполняющим иногда функции подвода воды к зданию
ГЭС ( Вилюйская ГЭС ).
Сооружения гидроузла могут возводиться в одну или несколько очередей.
Водохранилищные гидроузлы в горных условиях, как в нашем курсовом проекте,
сооружаются обычно в одну очередь. При одноочередном строительстве работы
начинаются с создания искусственного русла для отвода реки. Затем
естественное русло перекрывается банкетом, возводятся перемычки и после
осушения русла начинаются работы в котловане. Искусственное русло –
береговой строительный водосброс может быть осуществлено в виде туннеля,
трубы или канала на берегу.
Если плотина возводится из грунтовых материалов, то в канале
сооружаются трубы (рис.2.1), длина которых соответствует ширине основания
плотины. По окончании строительства трубы закрываются затворами и
закладываются бетоном. Иногда эти строительные трубы бывает целесообразно
использовать в качестве постоянного сооружения - как отводящие водоводы
эксплуатационного водосброса, как трубопроводы, подводящие воду к турбинам
гидростанции, и т.п. В этом случае трубы должны быть сопряжены с
соответствующим головным сооружением башенного типа.
Рис.2.1. Строительный водосброс в грунтовой плотине – труба.
При невозможности разместить строительный канал или трубу на берегу
отвод реки осуществляется туннелем, который, естественно, начинается и
заканчивается каналами, сопрягающими его с руслом реки выше и ниже перемычек
гидроузла.
Поскольку работы по гидроузлу начинаются со строительного водосброса,
туннель, как и водосбросы других типов, предпочтительно располагать на том
берегу, с которого легче начать освоение строительной площадки. При
проектировании строительных водосбросов, как временных сооружений с
коротким сроком службы, естественно стремление сделать размеры их отверстий
5
возможно меньше, чтобы сооружение стоило дешевле. Однако это стремление
сопряжено с необходимостью создания больших скоростей в отверстиях для
пропуска расчетного для строительного периода максимального расхода, и
следовательно, требует концентрации достаточно большого напора путем
возведения высокой верховой перемычки, которая, в
свою очередь, оказывается
дорогостоящей. Оптимальным является решение, при котором суммарная стоимость
строительного водосброса и верховой перемычки оказывается минимальной.
В настоящем курсовом проекте в качестве строительного водосброса принимается
безнапорный туннель. Форма поперечного сечения строительного туннеля наиболее
целесообразна корытообразная, поскольку упрощается производство работ по туннелю ( рис.
2.2 ).
Рис. 2.2. Целесообразные формы сечения безнапорных
строительных туннелей.
Н/В = 1,0 - 1,5; r
1
/B = 0,5… 0,71; r
2
/B = 0,1 - 0,15.
Характерные конструкции монолитных бетонных обделок безнапорных
туннелей показаны на рис. 2.3.
Рис.2.3. Примеры монолитных бетонных обделок.
а - туннелей больших сечений; б - туннелей малых сечений;
1 - свод; 2 - стены; 3 - лоток; 4 - строительные швы.
Для выполнения технико-экономического расчета строительного
туннеля предварительно задаются следующими исходными данными:
- на плане в горизонталях намечают проектируемую грунтовую
плотину, перемычки (верховую и низовую), ось туннеля и продолжение его
порталов и определяют длину L туннеля ( рис.2.4 ).
6
Рис. 2.4. Схема пропуска строительных расходов с помощью туннеля.
1 - плотина; 2, 3 - верховая и низовая перемычки; 4 - ось туннеля;
5, 6 - входной и выходной порталы туннеля.
- назначают расчетные расходы : максимальный строительный Q
max
и
строительный при перекрытии русла Q
min
.
- считают, что для створа реки, отвечающего низовому порталу, кривая
связи
УНБ = f(Q) задана ( рис.2.5 ).
Рис.2.5. Кривая связи расходов и уровней воды.
- пользуясь этой кривой, по расходу Q
max
устанавливают
соответствующую отметку УНБ, если она отсутствует в задании на
проектирование;
- на плане выбирают местоположение верховой перемычки и строят
разрез по ее оси ( рис. 2.6 );
7
Рис. 2.6. Поперечный разрез русла реки по оси верховой перемычки.
- строят поперечный профиль верховой перемычки, не включаемой в
тело плотины ( рис.2.7 ), при этом расстояние L
0
должно быть достаточным,
чтобы между перемычкой и плотиной разместился откос котлована плотины и
проезжая дорога.
Рис.2.7. Поперечный профиль верховой перемычки.
1 - ось плотины; 2 - ось перемычки; 3 - ось банкета.
- принимают, что при пропуске Q
max
в туннеле имеет место
равномерное безнапорное движение воды с глубиной наполнения
h
0
= 0,7…0,75 h.
Размеры строительного туннеля определяют исходя из максимального
расхода в период строительства Q
max
и экономически целесообразного
соотношения сечения туннеля и высоты верховой перемычки. Чем больше
высота туннеля h, тем меньше скорость в туннеле, а следовательно, тем
меньше уклон i и перепад z
вх
свободной поверхности при входе воды в туннель.
При этом отметка уровня воды в верхнем бьефе понижается. Следовательно,
понижается отметка гребня верховой перемычки и, значит, понижается и ее
стоимость. В то же время с увеличением высоты h стоимость туннеля
увеличивается.
Алгоритм расчета выглядит следующим образом:
8
- для различных значений высоты h сечения туннеля определяют
геометрические и гидравлические характеристики туннеля и высоты H
П
верховой перемычки и подпора воды перед нею УВБ;
- вычисляют суммарные затраты на возведение туннеля и перемычки
по каждому варианту;
- по минимуму суммарной стоимости находят экономически
целесообразные высоту перемычки и габариты туннеля.
На рис. 2.8 показана расчетная схема туннеля.
Рис.2.8. Расчетная схема строительного туннеля.
Задача расчета, как уже было сказано выше, состоит в том, что
необходимо найти такой размер туннеля, при котором сумма стоимостей
туннеля и верховой перемычки будет минимальной.
Эту задачу обычно решают путем вычисления соответствующих
значений в табличной форме ( табл. 2 ) и построения на основе результатов этих
вычислений ряда кривых.
В этой таблице задаются рядом значений h и вычисляют
соответствующие гидравлические и геометрические параметры туннеля и
верховой перемычки.
Таблица 2
№ Определяемые величины ед.из
м.
Высота туннеля h, м Примечания
1 Глубина наполнения h
0
=k
h
h м k
h
=0,70…0,75
2 Ширина туннеля b=k
b
h м k
b
=0,70…0,75
3 Живое сечение =b h
0
м
2
4 Смоченный периметр =2h
0
+b м
5 Гидравлический радиус R=/ м
6 Коэф.Шези C=R
1/6
/n n=0,015
7 Скоростьv=Q
max
/ м/с Q
max
=……м
3
/c
8 Входной перепад Z
вх
=v
2
/2g
2
м =0,90
9 Уклон i = v
2
/C
2
R
10 Потеря напора по длине h
l
=iL м L=……..м
11 Разность уровней Z=Z
вх
+h
l
м
12
УВБ = УНБ
+ Z
м УНБ=……
13
УВ
1
= УНБ + h
l
м
14
Пр = УВ
1
– h
0
9
15
В = Пр + h
14
П
Р1
= УНБ – h
0
м
15
С = П
Р1
+ h
м
16 Отметка гребня верх. перем.
Гр = УВБ +1,0
м
17 Высота верховой перемычки
H
п
= Гр.пер - D
пер
м
D
пер
=…….м
18 Площадь сечения верх. перем.
F
п
=0,5[(m
1
+m
2
)H
п
+2b
п
]H
п
м
2
m
1
,m
2
=2,5…3,0
19 Длина перемычки по гребню l
п
м По чертежу
20 Объем перемычкиV
п
=2/3 F
п
l
п
т.м
3
21 Сечение туннелей F
т
=b∙h n
т
м
2
l
т
= …..м
22 Объем туннелей V
т
= F
т
l
т
т.м
3
23 Объем перемычки в приведенном
бетоне V
п
= 0,1 V
п
т.м
3
24 Объем туннелей в приведенном.
бетоне V
т
= 2,5 V
Т
т.м
3
25 V= V
i
= V’
п
+V’
т
т.м
3
По данным таблицы строятся ( рис. 2.9,а ) кривые cтоимостей перемычки
V
1
П
= f
1
( h ), туннеля V
1
Т
= f
2
( h ) и суммарной стоимости V
1
=
V
1
i
= f
3
( h ), а
также ( рис. 29,б ) кривые УВБ = f
4
( h), УВ
1
= f
5
( h), П
р
= f
6
( h), В= f
7
( h).
Минимум кривой
'V
(см. точку А) дает нам искомое h. Найденное,
таким образом значение h следует округлить до целого.
Установив таким образом экономически наивыгоднейшее значение h,
далее по кривым на рис. 29,б находят соответствующие этому значению h отметку
уровня верхнего бьефа УВБ, отметку уровня воды на входе в туннель УВ
1
,
входного порога П
р
, отметку верха туннеля (шелыга ) на входе В.
10