Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

Головной гидроузел с каменно-земляной плотиной и водосбросным сооружением

В нормах допускается при соответствующем обосновании снижать на 1 балл расчетную сейсмичность IРАС на период нахождения водохранилище в опорожненном состоянии.

Нижние границы для максимальных пиковых ускорений основания аППЗ и аПМВЗ на площадке строительства определяются по формулам:

аППЗ = kАПЗg A500 (2-1)

аПМВЗ = kАМВЗg A5000 (2-2)

где A500 и A5000 - расчетные амплитуды ускорения основания (в долях g, м/с2), определенные для землетрясений с нормативными периодами повторяемости T500ПОВ и T5000ПОВ соответственно с учетом отличия реальных грунтовых условий на площадке от средних грунтовых условий; значения A500 и A5000 (а также значения IРАС) даны в таблице 2.1; kАПЗи kАМВЗ - коэффициенты, учитывающие вероятность данного землетрясения за расчетный срок службы TСЛ, а также переход от нормативного периода повторяемости в 500 лет T500ПОВ к принятому периоду повторяемости ТПЗПОВ и от нормативного периода повторяемости в 5000 лет T5000ПОВ к принятому ТМВЗПОВ; значения kАПЗи kАМВЗ принимаются по таблице 2.1

Таблица 2.1 Значения величин A500 и A5000 (в долях g)

Примечание: IНОР имеет значения IНОР500 или IНОР5000, IРАС соответственно IРАС500 или IРАС5000. В таблице 2.1 используется расчетная сейсмичность площадки IРАС, которая устанавливается на основе значения нормативной сейсмичности IНОР с учетом местных грунтовых условий, рельефа поверхности и других особенностей площадки. Для сооружений 1-ой группы величина IРАС определяется с использованием уточненного (в результате проведения исследований ДСР) значения нормативной сейсмичности IНОР площадки. Влияние грунтовых и других местных условий оценивается обязательно методами СМР.

Таблица 2.2 Значения коэффициентов kАПЗ и kАМВЗ

2.4 Основные положения расчета сооружений на сейсмические воздействия.

Нормы предусматривают учет сейсмических воздействий в тех случаях, когда величина расчетной сейсмичности IРАС на площадке строительства составляет 7 баллов и более. Сейсмические воздействия включаются в состав особых сочетаний нагрузок. Гидросооружения, в зависимости от их группы сейсмостойкости и уровня расчетного землетрясения (ПЗ или МВЗ), рассчитываются на сейсмические воздействия методами динамической теории (ДТ) или линейно-спектральной теории (ЛСТ). Cхема использования различных методов расчета сооружений на сейсмические воздействия дана в таблице 2.3

Таблица 2.3 Схема использования методов расчета гидросооружений

на сейсмические воздействия

2.4.1 Сооружения 1-ой группы

Гидросооружения 1-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ и МВЗ методами динамической теории (ДТ) сейсмостойкости. В этом случае сейсмическое ускорение основания задается РА, представляющей собой в общем случае однокомпонентную, двухкомпонентную или трехкомпонентную (j=1,2,3) функцию времени . Сейсмические воздействия могут задаваться также велосиграммами либо сейсмограммами. Расчеты на ПЗ в рамках ДТ выполняются, как правило, с применением линейного динамического анализа, а на МВЗ - линейного или нелинейного временного динамического анализа.

При выполнении расчетов по ДТ деформации, напряжения и усилия определяются на всем временном интервале сейсмического воздействия на сооружение. При этом в случае применения линейного динамического анализа максимальные и минимальные значения этих величин за весь рассматриваемый временной интервал суммируются со начениями деформаций, напряжений и усилий, полученными от остальных нагрузок и воздействий, входящих в состав особого сочетания нагрузок, включающего сейсмические воздействия.

В расчетах сейсмостойкости сооружений по ДТ используются параметры затухания z, установленные на основе динамических исследований поведения сооружений при сейсмических воздействиях. При отсутствии экспериментальных данных о величинах параметров затухания z допускается применять значения параметров затухания, не превышающими:

0.05 - для бетонных и железобетонных сооружений;

0.15 - для сооружений из грунтовых материалов;

0.08 - для скальных пород оснований;

0.12 - для полускальных и нескальных грунтов оснований.

2.4.2 Сооружения 2-ой группы

Сооружения 2-ой группы сейсмостойкости рассчитываются на ПЗ методами линейно-cпект-ральной теории (ЛСТ). В этих расчетах материалы сооружения и основания считаются линейно-упругими; в поведении системы "сооружение-основание" отсутствует геометрическая или конструктивная нелинейность. Сейсмическое ускорение основания задано постоянным вектором, модуль которого определяется по формуле:

 = kАПЗg A500 (2-3)

где kАПЗ, g, A500 - то же, что и в формуле (2-1).

В случаях, когда при расчете сейсмостойкости по ЛСТ система "сооружение-основание" разбита на отдельные дискретные объемы, то в качестве сейсмических нагрузок используются узловые инерционные силы - Pikj, действующие на элемент сооружения, отнесенный к узлу k, в направлении j при i - ой форме собственных колебаний. В общем случае значения компонент узловых сил Pikj по трем (j=1, 2,3) взаимно ортогональным направлениям определяются как:

Pikj = kf kH ky mk  bi hikj (2-4)

где: kf - коэффициент ответственности сооружения и недопустимости в нем повреждений; kH - коэффициент, учитывающий конструктивные особенности сооружения; ky - коэффициент, учитывающий демпфирующие свойства конструкций; mk - масса элемента плотины, отнесенная к узлу k, (с учетом присоединенной массы воды).

Для всех гидросооружений принимается kf =0,50.

Для водоподпорных сооружений принимаются значения коэффициента kH: 1.0 для сооружений высотой 100 м и более; 0.8 для сооружений высотой 60 м и менее; по интерполяции между значениями 1,0 и 0,8 для сооружений высотой 60 - 100 м.

Значения коэффициента ky для бетонных, ж-б и сооружений из грунтов (в скобках): 1,00 (0,70) - при расчетной сейсмичности строительства IРАС не более 8 баллов; 0,80 (0,65) - при расчетной сейсмичности строительства IРАС свыше 8 баллов.

Для других видов гидросооружений значения коэффициентов, учитывающих конструктивные особенности и демпфирующие свойства сооружений, допускается принимать на основе опыта проектирования этих сооружении с учетом сейсмических воздействий.  - сейсмическое ускорение основания, определяемое по формуле (2-3); hikj - коэффициент формы собственных колебаний сооружения по i-ой форме колебаний:

hikj =Uikj  (2-5)

где Uikj - проекции по направлениям j смещений узла k по i-ой форме колебаний; cos (Uikj, ) - косинусы углов между направлениями вектора воздействия и перемещениями Uikj.

b (Ti) (или bi) - коэффициент динамичности, соответствующий периоду собственных колебаний сооружения Ti по i-ой форме колебаний;

Значения коэффициента динамичности b (Ti) определяются по зависимостям (2-6) - (2-8) или по графикам на рисунке 2-1:

b (Ti) = 1 + Ti (b0 - 1) /T1, 0 < Ti <=T1; (2-6)

b (Ti) = b0, T1 < Ti <=T2; (2-7)

b (Ti) = b0 [Ti/T2] 2/3, T2<Ti; (2-8)

где b0, T1, T2 - параметры, значения которых даны в таблице 2-4.

Примечание: Значение произведения kybш должно составлять не менее 0,80.

Рис.2-1. Коэффициент динамичности b (Ti) для трех категорий грунтов основания. Обозначения: Кривая 1 - для грунтов I категории; кривая 2 - для грунтов I-II и II категорий; кривая 3 - для грунтов II-III и III категорий

Таблица 2.4 Значения параметров b0, T1, T2

При расчете сейсмостойкости сооружений по ЛСТ расчетные значения возникающих в сооружении смещений (деформаций, напряжений и усилий) с учетом всех учитываемых в расчете форм собственных колебаний сооружений следует определять по формуле:

 (2-9)

где W - обобщенное значение расчетных смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических воздействий;

Wi - обобщенное значение смещений (деформаций, напряжений или усилий), возникших в рассматриваемых точках или сечениях под влиянием сейсмических нагрузок (сил), соответствующих i - ой форме собственных колебаний;

q - число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний.

3. Расчет сейсмостойкости плотины по новым нормам РФ.

3.1 Определение сейсмических параметров для плотины.

Ранее в разделе 1 было установлено, что исходная (нормативная) сейсмичность площадки строительства плотины IНОР = 8 баллов. Учитывая сложные грунтовые условия в основании плотины, сложенном из полускальных пород (мергелей, мергелей глинистых и мергелистых известняков, подстилаемых триасовыми гипсосодержащими породами), прикрытых 10-метровым слоем руслового аллювия, а также учитывая наличие вторичного тектонического разлома в русле реки, расчетную категорию грунтов основания плотины следует отнести к промежуточной между II и III категориями, т.е. к II-III. При этом расчетная сейсмичность площадки IРАС принимается как при грунтах III категории, т.е. IРАС = 9 баллов

Согласно новым нормам плотина как сооружение II класса относится к 1-ой группе плотин по сейсмостойкости и поэтому должна быть рассчитана на два уровня сейсмических воздействий: на проектное землетрясение (ПЗ) с минимальной повторяемостью ТПЗПОВ =100 лет и на максимальное землетрясение (МВЗ) с минимальной повторяемостью ТМВЗПОВ=5000 лет.

В связи с отсутствием в Алжире карт общего макросейсмического районирования страны с оценкой повторяемости землетрясений Заказчику следует срочно провести необходимые геофизические работы по уточнению нормативной сейсмичности площадки строительства методами детального сейсмического районирования (ДСР), включая сейсморазведку.

После получения от Заказчика уточненных данных по нормативной сейсмичности площадки строительства методами ДСР будут уточнены максимальные пиковые ускорения аППЗ и аПМВЗ. Это позволит получить для площадки строительства плотины достоверные расчетные акселерограммы (РА) и провести на их воздействие полные динамические расчеты сейсмостойкости плотины, как это требуют нормы РФ и ICOLD.

Учитывая вышеизложенное в настоящее время следует ограничиться выполнением расчетами сейсмостойкости плотины по линейно-спектральной теории (ЛСТ), как для сооружения 2-й группы по сейсмостойкости, но на воздействие двух уровней землетрясений (ПЗ и МВЗ), как это принято для сооружений I-й группы. В связи с этим следует принять следующие нижние границы максимальных пиковых ускорений основания согласно формулам (2-1) и (2-2) норм РФ:

аППЗ = kАПЗg A500 = 1x 0,25g = 0,25g

аПМВЗ = kАМВЗg A5000 = 1x0,32 g = 0,32g

где A500, A5000 взяты по таблицы 2.1 для IНОР=8 баллов и IРАС =9 баллов, соответственно, для II-III и III категорий грунта.

Следует отметить, что аППЗ = 0,25g и аПМВЗ = 0,32g совпали со значениями максимальных ускорений, амакс, полученных ранее по методике Гидропроекта, соответственно, для гидроузла от воздействия разлома и по зависимости (1-4) для плотины.

3.2 Определение сейсмических нагрузок на плотину как сооружения 2-й группы.

Узловые инерционные нагрузки определяются по формулам (2-3) - (2-9). Вначале определяют коэффициенты динамичности b (Ti) для первых трех форм собственных колебаний плотины по формулам (2-6) - (2-8) с учетом принятой II-III категории грунтов (табл.2.4).

b1 = b0 [T3/T2] 2/3=2,7

b2 = b0 = 2,5;

b3= 1 + T1 (b0 - 1) /T1= 1+ 0,16 (2,5-1) /0,2 = 2,2

b4= 1 + T1 (b0 - 1) /T1= 1+ 0,12 (2,5-1) /0,3 = 1,6

Узловая инерционная сила по 1-ой форме колебаний при воздействии ПЗ определяется по формулам (2-3) и (2-4):

P1kj = kf kH ky аППЗbi mk h1kj = 0,5x0,8x0,7x 0,3gx2,7mk h1kj = 0,1625g mk h1kj

Таким образом, "коэффициент сейсмичности" при воздействии ПЗ составил соответственно 0,162 и 0, 208, что соответственно в 1,6 и 2 раза выше, чем в расчете по нормам 1981г [9].

Из рис.2-1 и расчета коэффициента динамичности b (Ti) по формулам (2-6) - (2-8) видно, что в них отсутствует прямая связь между периодами собственных колебаний конструкции плотины Ti по первым формам колебаний и коэффициентами динамичности b (Ti), принятая в нормах 1981 г.

Поэтому ниже приведены расчеты трех первых периодов Ti плотины по нормам 1981 г.

Ti = 2pH/kiVs (2-10)

где H =60 м, высота плотины без уборки русловых отложений в большей части основания,

Vs - скорость поперечных волн в виброукатанной горной массе (известняк прочный),

ki - коэффициенты, определяемые по методу сдвигового клина (МСК) для каждой из первых трех форм собственных колебаний плотины с учетом податливости основания по табл.3 в [9].

Скорость поперечных волн Vs в горной массе наиболее точно можно определить через динамический модуль ее деформации Eдин используя известную зависимость:

Vs= [Eдин g/2gсух (1+n)] 1/2 (2-11)

где Eдин »100000 т/м2 по данным динамических испытаний плотного камня (рис.3, [9]),

gсух=1,8 т/м3

n =0,3 (коэффициент Пуассона для указанного камня)

Vs= [100000x9,81/2x1,8 (1+0,3)] 1/ 2= 450 м/с

Эта величина Vs, в целом, соответствует справочным значениям для камня (рис.7 [9]).

По данным таблицы 1 [7] соотношение между Vs в мергелях (M) основания плотины и в горной массе составляет примерно 2, что указывает на необходимость учета влияния податливости полускального основания на периоды собственных колебаний плотины. Поэтому коэффициент ki в формуле (2-10) определяется по табл.6 [9] с учетом коэффициента kо по формуле (19) в [9].

ko= kпE/2 (1+nо) Eо (2-12)

где E,Eо,nо - динамические модули упругости плотины, основания, коэффициент Пуассона,

kп - коэффициент податливости основания (по Фогту), определяемый по табл.7 [9] при nо=0,27 с учетом отношения длины к ширине подошвы основания плотины (A/B»2), kп=1,4. Мергель (M) в основании плотины по принятой в РФ классификации (по Протодьяконову) горных пород относится к V группе (довольно мягкие) с коэффициентом крепости fкр=2, что соответствует прочности на одноосное сжатие Rcs=20 МПа, близкой к средней 22,4 МПа в [14]. Учитывая, что отношение E/Eo=V/Vo=1/2, определим значение коэффициента ko по формуле (2-12):

ko =1,3/2 (1+0,3) x3 = 1,6

По табл.6 [9] определим для ko=1,6 величины коэффициента ki в формуле (2-10):

k1 = 1,3; k2 = 4,57; k3 = 7,75

Первые три периода собственных колебаний определятся по формуле (2-10):

T1 = 6,28x62,24/1,3x450 =0,668 c; T1 = 6,28x62,24/5,26x450 =0,167 c;

T1 = 6,28x62,24/8,4x450 =0,103 c;

Коэффициенты динамичности по формулам (2-8) - (2-10): b (T1) =2,7; b (T2) = 2,5; b (T3) =2,2; не изменились по сравнению с ранее полученными.

В соответствии с линейно-спектральной теорией (ЛСТ) приведенное сейсмическое ускорение от ПЗ определится в точке k плотины как:

P*ik =kf kH ky аППЗ =0,5x0,8x0,7x0,3 ,

 =0,065

Коэффициенты hikj первых трех собственных форм колебаний при расчете по методу сдвигового клина (МСК) определяются по таблицам 5 и 8 [9] с учетом влияния податливости основания (ko=1,6).

Табл.5. Коэффициенты hikj первых трех собственных форм

колебаний плотины (ko=1,1)

 x/H - относительная координата 10 горизонтальных сечений плотины, считая от гребня.

Расчет приведенного сейсмического ускорения P*ik от воздействия ПЗ и МВЗ и его распределение по высоте плотины приведены в таблице 6.

Табл. 6. Распределение сейсмического ускорения P*ik от ПЗ и МВЗ по высоте плотины.

2.5 Пропуск строительных расходов

Комплекс сооружений для пропуска расходов в строительный период включает в себя строительный туннель и верховую и низовую перемычку. Туннель предназначен для отведения воды в строительный период из верхнего бьефа в нижний и осушения котлована. Отводящий туннель находится на отметке 1130. туннель имеет длину 438 м. площадь сечения туннеля полуциркульная 8,5х8,5 м. Для предотвращения воды к месту строительства плотины устраиваем верховую и низовую перемычку. Они представляют собой насыпи трапециидального сечения. Отметка гребня верховой перемычки 1135,5 а низовой 1136,8.

2.6 Водосбросное сооружение

2.6.1 Выбор водосброса

Основные типы водосбросов, используемых в гидроузлах с глухими грунтовыми плотинами, имеют определенные области применения (рис1). Эти области показаны в зависимости от мощности сбросного потока:

N=0,0098∙Q∙H=0,0098∙6500∙43.7=2783,7 (МВт)

где Q - расчетный расход водосброса, м3/с; H - перепад между уровнем ВБ и отметкой уровня воды в русле в НБ при пропуске расчетного паводка Q.

и относительной ширины речной долины L/H, где L и Н - соответственно длина плотины по гребню и ее высота тогда 297/60=4,95 принимаем береговой открытый водосброс по графику В.М. Семенкову.

Рис 4. Области применения различных водосбросов в гидроузлах с глухими плотинами (по В.М. Семенкову): I - туннельные водосбросы; II - береговые открытые и глубинные водосбросы: III - русловые водосбросные плотины с поверхностным переливом и глубинными отверстиями.

Открытые береговые водосбросы устраивают на гидроузлах с грунтовыми и бетонными глухими плотинами. Располагают их обычно на одном берегу (рис.5). Расположение водосбросов на двух берегах применяют редко: при высоких сбросных расходах и возможности их размещения по топографическим и геологическим условиям и с учетом компоновки гидроузла. Обычно эти береговые водосбросы применяют при расходах 500-12000 м3/с на одно сооружение. Их выполняют в виде открытых водосбросных каналов, быстротоков и разных сочетаний водослива с ними. Водосбросной тракт (быстроток) водосбросов обычно имеет большую длину.

По типу оборудования эти водосбросы подразделяют на регулируемые (с затворами и механизмами для их подъема и опускания) и нерегулируемые (автоматического). Последние не имеют затворов (открытый водослив, сифон) или имеют их, когда подъем затворов происходит по достижению заданного уровня ВБ.

Регулируемые водосбросы с затворами при глухих плотинах обычно на 20% дешевле подобных нерегулируемых водосбросов.

Ось водосбросного тракта чаще всего трассируют по водораздельным участкам склона, по возможности перпендикулярно горизонталям. С особой осторожностью относятся к вариантам трассировки оси водосброса по понижениям эрозионного происхождения (балкам и оврагам), так как это говорит о неблагоприятных геологических и гидрологических условиях. При трассировке оси водосброса перпендикулярно горизонталям объемы земляных работ меньше, чем при трассировке под углом к горизонталям. При трассировке по крутым косогорам ширина транзитной части водосброса должна быть наименьшей. Поэтому быстротоки часто делают сужающимися по течению, что предупреждает также образование катящихся волн.

Открытые береговые водосбросы состоят из трех основных частей: а) подводящего канала; б) водослива фронтального типа, регулирующего сбрасываемый расход; в) водоотводящего тракта.

Рис.5. Схема открытого берегового водосброса: 1 - подводящий канал; 2 - водослив; 3 - отводящий промежуточный канал; 4 - быстроток; 5 - концевая часть; 6 - грунтовая плотина; 7 – русло

Входные части открытых береговых водосбросов

а - сужающаяся с прямолинейным водосливным порогом; б - с циркуль-ным порогом; в - с зигзагообразной тонкой стенкой по гребню циркуль-ного порога практического профиля; г - со струйным течением; д - с искусственной шероховатостью; е - с полигональным (лабиринтным) водосливным порогом; ж, з - план и разрез мексиканского водосброса

Особенностью водослива берегового водосброса является отсутствие ниже его устройств для гашения энергии воды, поступающей в водоотводящий тракт, состоящий из промежуточного канала, сопрягающего сооружения (быстротока) или многоступенчатого перепада и устройства для гашения энергии потока.

Быстроток.

Быстроток представляет собой канал, уклон которого намного превышает критический. Обычно уклон задают в пределах 0,05-0,25, но он может быть больше, например, в скальных грунтах. Ширина быстротока бывает постоянной или переменной уменьшающейся или возрастающей книзу (рис.6).

Рис.6. Быстротоки: а - расширяющийся; б – сужающийся

Изменение ширины быстротока вызывается условиями гашения энергии в НБ и возможностью сокращения объема работ. Быстротоки выполняют в виде железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным сечением Сужающиеся в плане быстротоки (рис.7, а) позволяют уменьшить объем земляных работ по трассе, обеспечить плановое сопряжение развитых входных частей с быстротоками постоянной ширины и создать благоприятный гидравлический режим работы концевой части. Однако на длинных быстротоках возникает необходимость устройства в его конце расширяющегося участка (рис.7, а) с рассеивающим носком-трамплином.

Рис.7. Средства борьбы с волнообразованием на быстротоках: а - сужение в плане быстротока; б, в, г - гасители в конце быстротока, соответственно, типа зигзаг, ребра и решетчатый трамплин; 1 - водовыпуск;.2 - плотина; 3 - водосброс; 4 - ребра нарастающей высоты; 5 - быстроток; 6 - растекатель; 7 - прорезная водобойная стенка

2.7 Гидравлический расчет открытого берегового водосброса-быстротока

Обусловлены наличием в его составе трех основных частей (головной, сбросной и концевой) и заключаются в следующем: определение параметров головного участка (очертания подводящего канала, число и ширина водосливных пролетов, отметка порога), обеспечивающих заданную пропускную способность;

Расчет водослива

Известно Q=6500 м3/с; В=100 м; m=0,48

Определение напора на гребне без учета бокового сжатия:

Задаем ширину отверстий:

Ширина одного бычка:

Количество отверстий:

Число бычков:

nб=nотв - 1 =5 - 1 =4 бычка

Уточним окончательную ширину фронта:

Форма бычка: ξ=0,95 (ξ - коэффициент бокового сжатия плотины);

Эффективная ширина фронта водослива с учетом бокового сжатия в первом приближении:

 принимаем 96 м

Уточняем напор на гребне:

Определение скорости воды на подходе:

Расчетный напор на гребне:

 - коэффициент кинетической энергии

Определение удельного расхода

Определим глубину воды в сжатом сечении hсж

принимаем

Во втором приближении:

В третьем приближении:

Принимаю

Гидравлический расчет быстротока.

Гидравлический расчет быстротока заключается в определении сечения на быстротоке, где скорость в этом сечении будет равна допустимой скорости. Допустимая скорость определяется в зависимости от материала поверхности. Для быстротока с большой пропускной способностью, допустимую скорость принимают в пределах 25. .35 м/с.

В начале быстротока т.е. на месте перелома где I больше Iкр

Известно

Q=6500м3/с; Bнач=86 м;

требуется: определить hкр=

w= hкр. B=8,65.86=744.3 м3

x=2 hкр+B=2.8,65.86=103,3 м

=0.014, находим

Определяем h0 - нормальная глубина на быстротоке

Составляем таблицу для нахождения нормальной глубины, для этого задаемся значениями h. Затем строим график h = f (K), из которого определяем h0.

Страницы: 1, 2, 3