Проектирование и расчет обделки гидротехнических туннелей

Пояснительная записка к курсовой работе

Студент Гиргидов А.А., Группа : 5011/1

Санкт-Петербургский Государственный технический университет

Кафедра подземных сооружений, оснований и фундаментов

2000

Исходные данные

Режим работы – безнапорный.

Класс капитальности – II.

Максимальный расход воды в туннеле – м3/с.

Средняя скорость протекания воды в туннеле – м/с.

Отметка верха лотка туннеля – м/с.

Структурно-геологическая характеристика горных пород приведена в таблице:

Номер пласта	Наименование горной породы	Отметка кровли пласта, м
1	Суглинок	0
2	Сланец	-40

Физико-механические характеристики горных пород:

Номер Пластов	Удельный вес сухого грунта	Влажность			Коэффициенты
Поперечной деформации	удельного отпора	крепости
1	2.04
2	2.41	0.04	58	2.3	0.26	290	3.5

Определение внутренних размеров туннеля.

Будем считать, что колебания воды в туннеле не превышают , где - высота туннеля. Тогда отношение

,

где - ширина туннеля по дну.

Принимаем

,

где - радиус сечения туннеля, который определяется по формуле:

,

где м3/с - максимальный расход воды в туннеле; м/с - средняя скорость протекания воды в туннеле;

м.

Согласно таблице 2 [1, стр.17], получаем следующие соотношения основных размеров:

м;

.

Выбор формы сечения туннеля

Выбор формы поперечного сечения туннеля осуществляется с учетом условий статической работы обделки, гидравлических условий пропуска воды, а также способов и условий производства работ при сооружении туннеля.

В нашем случае туннель работает в безнапорном режиме, поэтому определяющей нагрузкой при выборе формы сечения является горное давление, величина и направление которого может оцениваться коэффициентом крепости породы , окружающей туннель.

Согласно таблице 1. [1, стр.14] поперечное сечение туннеля принимается корытообразную форму (II форма).

Составление эскиза конструкции обделки и выбор материалов для ее возведения.

Принимаем корытообразную монолитную железобетонную обделку (рис.4.1). Согласно таблице 3 [1, стр.23], толщина обделки назначается по следующим зависимостям:

м;

;

м;

м.

Обделка выполняется из железобетона, для этого используется бетон марки М 200 и арматура класса А II.

Определение нормативных и расчетных нагрузок, их сочетаний и коэффициентов упругого отпора породы

Одной из основных нагрузок, действующих на обделку туннеля, является горное давление. Это давление возникает из-за того, что при устройстве туннеля в горных породах образуется свод обрушения – область грунта, теряющего равновесие и, вследствие этого, оказывающего давление на обделку. Распределение нагрузок на обделку туннеля и форма свода обрушения приведена на рис.4.

Величина горного давления определяется расчетом, основанном на использовании значений характеристик пород, окружающих туннель. При этом в соответствии с указаниями СН распределение вертикального и горизонтального горных давлений принимаются равномерными по пролету и высоте выработки :

м;

м.

Вертикальное горное давление определяется по формуле:

,

где - коэффициент, равный  при м; - удельный вес грунта т/м3;

Высота свода обрушения , определяется по формуле:

 ,

где  - пролет свода обрушения:

м,

где - расчетный угол внутреннего трения породы;

.

Таким образом, получается, что

тс/м.

Горизонтальное нормативное горное давление определяется по формуле:

тс/м.

Возможность возникновения давления на обделку снизу (дутье) проверяется по условию:

,

где тс/м2 - сцепление породы по подошве выработки;

тс/м;

.

Следовательно,

тс/м,

следовательно, дутья нет.

Так как давление на обделку снизу отсутствует, принимается разомкнутая конструкция обделки.

Определение расчетного коэффициента отпора :

по боковой поверхности

,

где кгс/см3 - коэффициент удельного отпора, м;

тс/м3;

по подошве стены

,

где - коэффициент поперечной деформации породы,

тс/м3.

Для статического расчета обделки, который будет выполнен далее, выделим на срединной линии обделки 12 точек и определим их положение в системе координат, положение которой показано на рисунке 3. Для каждой точки определим координаты х и у, а также толщину обделки. Полученные результаты представим в виде таблицы и туда же запишем значения коэффициентов отпора К .

Таблица 5.1.

№	х, м	у, м	h, м	К, тс/м3
1	0.00	0.00	0.2875	109434
2	0.64	0.18	0.2887	109434
3	1.21	0.35	0.2924	109434
4	1.75	0.75	0.2988	109434
5	2.15	1.19	0.3086	109434
6	2.41	1.80	0.3227	109434
7	2.47	2.46	0.3450	109434
8	2.47	3.02	0.3450	109434
9	2.47	3.77	0.3450	109434
10	2.47	4.52	0.3450	109434
11	2.43	5.02	0.3450	635775

Статический расчет монолитной обделки туннеля

6.1Краткое описание метода метрогипротранса

Обделка туннеля, имеющая произвольную форму и окруженная упругой средой является бесконечное число раз статически неопределимой системой, точное определение усилий и реакций в которой невозможно в настоящее время. Для определения внутренних усилий в обделке используют численные методы дающие приближенное решение. Одним из наиболее точных методов является метод метрогипротранса, основанный на преобразовании заданной системы в расчетную принятием следующих допущений:

криволинейное очертание обделки заменяется вписанным многоугольником (рис.5);

непрерывное изменение жесткости обделки заменяется ступенчатым и постоянным в пределах каждой стороны многоугольника;

распределенные нагрузки заменяют усилиями сосредоточенными в вершинах многоугольника;

сплошную упругую среду заменяют отдельными упругими опорами расположенными перпендикулярно к поверхности обделки и помещенными в вершинах многоугольника.

Угол  характеризует зону безотпорного участка, которая устанавливается расчетом. Если при расчете реакций опор, поместить опоры в сектор, охватываемый углом , то их реакции получаются отрицательными. Это соответствует ²отрыванию² обделки от породы и имеет физический смысл только в случае анкеровки обделки в окружающую породу. Т.к. в нашем проекте этот вариант не рассматривается, то опоры, попавшие в этот сектор исключаются из рассмотрения, а реакции в них принимаются равными нулю (см. распечатку).

Основная система и канонические уравнения

Основная система представляет собой шарнирную цепь (шарниры в местах упругих опор и замке).

Расчет ведется методом сил, т.к. он дает минимальное число неизвестных. За лишние неизвестные принимаются парные моменты в шарнирах, которые определяются решением системы канонических уравнений, каждое из которых исключает взаимный поворот стержней сходящихся в шарнире.

Канонические уравнения записываются в следующем виде:

 (6.1)

где - число узлов на полупериметре срединной линии обделки;  и  -угловые перемещения в точке ²²по направлению неизвестного момента