Практическая работа№5 затворы бетонных плотин

Затворы бетонных плотин предназначены для перекрытия их водопропускных отверстий. В настоящее время применяются следующие типы затворов: поверхностные, располагаемые на гребне плотины; глубинные, перекрывающие донные водопропускные отверстия. В практической работе № 5 рассматриваются поверхностные затворы. По способу передачи давления воды на сооружение поверхностные затворы подразделяются на:

передающие давление на быки и устои – плоские, сегментные, цилиндрические;

передающие давление на гребень плотины – секторные, крышевидные, клапанные, откатные, с поворотными фермами, с поворотными рамами, подкосные, тканевые;

передающие давление на гребень и быки –мостовые, клапанные, плавучие (батопорты);

не передающие давление на сооружение – кольцевые.

Наиболее распространенные типом затворов является плоский, имеющий простую конструкцию и показавший в процессе эксплуатации надежность в работе. Он и рассматривается в практической работе № 5.

По конструкции плоский затвор представляет собой металлический щит, состоящий из набора, обшивки, опорных частей, уплотнений (рис. 15). В набор затвора входят ригели, стрингеры, поперечные вертикальные фермы (диафрагмы), стойки пролетные, стойки опорные, горизонтальные фермы.

Ригели представляют собой горизонтальные балки двутаврового сечения, составленные из листовой стали. Ригели являются несущими элементами затвора: они воспринимают гидростатическое давление воды и передают его через опоры на бетон быков и устоев.

Стрингеры являются вспомогательными горизонтальными элементами набора, располагаемыми по всей высоте затвора. Они выполняются в виде балок из двутавров или швеллеров, размеры которых подбираются по сортаменту.

Диафрагмы обеспечивают жесткость затвора в поперечном направлении и устраиваются в виде вертикальных ферм.

Стойки пролетные являются вспомогательными вертикальными элементами набора, располагаемыми по всей длине затвора. Они, как и стрингеры, выполняются в виде балок из двутавров или швеллеров.

Стойки опорные служат для размещения на них опорных частей затвора. Они изготавливаются в виде вертикальных балок коробчатого сечения из листовой стали.

Горизонтальные фермы обеспечивают жесткость затвора в горизонтальном направлении. Они крепятся к полкам ригелей со стороны нижнего бьефа.

Обшивка предназначена для обеспечения водонепроницаемости затвора. Она изготавливается из листовой стали и крепится к набору сваркой.

Опорными частями затвора являются колеса, катки, опоры скольжения. С появлением синтетических материалов и сплавов все чаще применяются опоры скольжения из фторопласта.

Уплотнения служат для обеспечения водонепроницаемости в местах примыкания металлических элементов затвора к бетону. Уплотнение горизонтальное крепится к нижнему стрингеру затвора по всей его длине. Уплотнения вертикальные боковые располагаются по всей высоте затвора и крепятся к обшивке.

Пазы затвора представляют собой углубления (ниши) в бетоне быков, в которых размещаются опорные стойки затвора. В бетон пазов заделываются закладные части, на которые опирается затвор – рельсы. Для уменьшения сил трения в местах примыкания уплотнений в бетон заделываются двутавры, швеллеры или производится облицовка бетона листовой сталью.

При конструировании плоского затвора можно придерживаться следующих рекомендаций.

Исходными данными для конструирования затвора являются: ширина пролета водопропускного отверстия в_пр; напор на гребень плотины Н_о; высота затвора Н_з (см. практические работы № 1, 2, 3).

Определение положения ригелей производится с использованием эпюры гидростатического давления воды на затвор (рис. 15). Наиболее распространенным типом затвора является двухригельный. Ригели должны быть равнонагружены, тогда их размеры можно принять одинаковыми. Равенство нагрузки на ригели будет обеспечено, если их расставить на равном расстоянии от равнодействующей гидростатического давлении. По предложению Б.Ю Калиновича [2] это расстояние можно принять равным , мм (все размеры металлоконструкций определяются в мм). Величина а подобрана из условия равенства изгибающих моментов в стойке в месте ее опирания на ригели и в пролете между ригелями. Другие размеры по вертикали показаны на рис. 15.

Размеры затвора зависят от ширины пролета в_пр. Длина пролета расчетная l_р между осями опор принимается равной: при в_пр до 10 м l_р=1,07·в_пр; при в_пр>10 м l_р=1,05·в_пр. Толщина затвора в пролете t_з зависит от l_р и принимается равной: при l_р до 5,00 м ; при l_р от 5,00 до 10,00 м ; при l_р от 10,00 до 17,00 м ; при l_р > 17,00 м . Толщина затвора в пазах уменьшается до . Размеры пазов зависят от конструкции опор затвора; предварительные размеры пазов принимаются равными: ширина m при в_пр до 10 м , при в_пр>10 м ; глубина паза . Для образования набора затвора шаг с стоек пролетных и диафрагм по длине l_р выбирается в пределах с=1,5-2,00 м. Шаг d стрингеров по высоте затвора Н_з выбирается в пределах d=1,00-1,50 м. При выборе c и d рекомендуется соблюдать соотношение . Толщина обшивки δ_о принимается равной δ_о=10-20 мм.

Конструирование ригеля заключается в определении размеров его поперечного сечения (рис. 15). Высота стенки принимается равной толщине затвора h_ст=t_з. Толщина стенки δ_ст определяется по эмпирической формуле:

, мм (48)

где h_ст в формуле (48) подставляется в мм.

Полученная по формуле (48) толщина стенки δ_ст округляется в большую сторону до целого числа мм. Толщина полки δ_п ригеля принимается равной толщине стенки δ_п=δ_ст. Ширина полки в_п принимается равной в_п=(20-30) δ_п.

Размеры стрингера зависят от шага стоек пролетных с. Сечение стрингера рекомендуется принимать в виде швеллера с высотой стенки . По h_с выбирается швеллер из сортамента и выписываются его размеры.

Стойки пролетные устраиваются из швеллеров того же размера, что и стрингеры.

Опоры затвора рекомендуется принимать скользящие с использованием фторопласта Ф4К20. Размеры опоры приведены на рис. 15. Такие же опоры устраиваются с торцов затвора и со стороны верхнего бьефа – для уменьшения вибрации и перекосов затвора при его подъеме и опускании. Опоры устраиваются по всей высоте затвора.

Вертикальные уплотнения изготавливаются из профильной резины и крепятся к затвору с помощью уголков, швеллеров(рис. 15). Размер уплотнения в_у принимается равным в_у=0,20-0,30 м.

Усилие для подъема затвора Т_п определяется по формуле

, кн 49)

где - вес затвора, определенный ранее в практической работе № 4, кн;

- силы трения в опорах скольжения, вычисляемые по формуле , кн;

здесь Е – гидростатическое давление воды на затвор, равное , ; - коэффициент трения фторопласта по нержавеющей стали, равный ;

- силы трения в вертикальных уплотнениях, вычисляемые по формуле , н;

здесь - размер уплотнения, м; - коэффициент трения резины по металлу, равный ;

- гидродинамическая сила, действующая на затвор в момент отрыва его нижнего уплотнения от гребня плотины и направленная вниз (явление подсоса); определяется по формуле , кн, здесь - величина подсоса, выраженная в метрах водяного столба; - площадь действия подсоса, равная , м², где h_с – размер нижнего уплотнения, принимаемый равным высоте стенки стрингера;

, - коэффициенты запаса, принимаемые равными соответственно 1,10 и 1,20.

Мощность привода затвора N определяется по формуле

, кВт (50)

где - скорость подъема затвора, принимаемая равной ;

- коэффициент полезного действия привода, принимаемый равным 0,60-0,80.

Усилие для опускания затвора вычисляется по формуле

, кн (51)

где - взвешивающее давление воды при опускании затвора, максимальная величина которого равна , кн;

- коэффициент запаса, принимаемый при опускании затвора равным .

При вычислении по формуле (51)могут быть два случая: - это означает, что собственного веса затвора достаточно для опускания затвора на гребень плотины; - это означает, что собственного веса затвора недостаточно для опускания затвора и требуется пригрузить его дополнительным грузом – балластом. Вес балласта равен , кн. После конструирования элементов затвора выполняются рисунки: вид затвора со стороны нижнего бьефа; план; поперечный разрез; опора скольжения; вертикальное уплотнение.