Расчет сооружений деривационного гидроузла

1. Гидравлический расчет канала при равномерном движении жидкости

канал плотина водозаборный гидравлический При равномерном движении жидкости в каналах расход Q, глубина h, уклон дна канала i, размеры канала w, его форма поперечного сечения, а так же коэффициент шероховатости n остаются постоянными по длине канала при этом уклон свободной поверхности равен уклону дна. Это и есть равномерное движение жидкости в канале. Тогда расход воды, проходящий в этом канале, может быть определен по формуле Шези:

где

i — уклон дна канала;

— площадь живого сечения для трапециидального канала она будет равняться:

где

m — коэффициент заложение откоса, применяется в зависимости от грунтов залегающих в каналах;

b — ширина канала по дну;

h — глубина воды.

Смоченный периметр для трапециидального канала:

Гидравлический радиус:

Коэффициент Шези определяется по формулам:

1. Павловского

где

y — показатель зависящий от степени шероховатости;

2. Манинга, данная формула используется для предварительных расчетов;

3. Агроскина, где

n — коэффициент шероховатости русла зависит от грунтов слагающих русло каналов и определяется по справочникам;

i — уклон дна канала.

1.1 Гидравлический расчет деривационного канала

Определение размеров канала при нормальном расходе

Гидравлический расчет деривационного канала производим методом подбора при этом задаются различные глубины воды в канале, и рассчитываем расходные характеристики:

.

Весь расчет производим в табличной форме.

1)м³/с

Таблица 1. Определение глубины воды в деривационном канале

2)м²

Расчёты для h=0,5 м

b — ширина первого участка по дну (b=13 м)

m_коэффициент заложения откоса супесчаного грунта=1 [Л 2. Табл.П. 3]

3) м

4)м

5)м^0,5/с

где:

n — коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,025 [Л 2. Табл.П. 2] (Для грунта: тяжёлые суглинки)

6) м³/с

где:

_площадь живого поперечного сечения

C — коэффициент Шези.

R_гидравлический радиус

i_уклон дна канала.

7)м³/с

На основании таблицы 1, по значениям глубины воды в канале h и расходной характеристики K, строится график.

Рис. 2. График зависимости h=f (K) для определения глубины при нормальном расходе в деривационном канале

h_o=2,07 м

Определяем основные параметры канала при ho=1.95 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

Таблица 2. Основные параметры деривационного канала

Проверка деривационного канала на заиление и размыв.

Производим проверку канала на заиление и размыв при этом средняя скорость движения воды в канале должна быть больше заиляющей скорости, но меньше размывающей скорости.

VразVсрVзаи

Размывающая скорость (V_раз.) — это максимальная не размывающая скорость, которая зависит от грунтов, слагающих русла каналов и определяется по справочникам.

Заиляющая скорость (V_з) — минимальная незаиляющая скорость, которая зависит от взвешенных наносов, находящихся в воде.

Для предварительных расчетов незаиляющую скорость можно определить, как:

V_З= =м/c

V_pм/с [Л 2. Табл.П. 1] для грунта: тяжёлые суглинки

V_cp м/с

V_рV_срV_з (1,2 м/с >1,12 м/с >0,33 м/с)

Таким образом средняя скорость обеспечит неразмыв и незаиливание.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

м.

Определение глубины воды в канале при форсированном расходе

Определяем глубину воды в канале h₀ при равномерном движении, канал трапецеидального сечения, известны

Q _фор = 1,1* Q _норм. =1,1*36= 39,6 м³/с

ширина канала по дну b = 15 м,

уклон дна 1 канала i = 0.42

К_фор = Qф/

где К — расходная характеристика

К_фор=39,6/(0,42)^0,5=1980 м³/с

По графику зависимости h=f (K) определяем h_фор при К_фор=1980 м³/с

Рис. 3. График зависимости h=f (K) для определения глубины при форсированном расходе в деривационном канале

h_фор= 2 м

Определив значения глубины воды в канале h_o, определяем параметры канала.

Таблица 3 Основные параметры деривационного канала при Q_фор.

Проверка участка канала на размыв и заиление при Q_фор.

При минимальном расходе:

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср = Q_фор./щ

V_ср.= 39,6/34=1,16 м/с

V_З=

V_з.= 0,3 *1,13= 0.34 м/с

Допустимую не размывающую скорость для тяжёлых суглинок определяем по таблице [Л 2. Табл.П. 1]:

V_р.= 1,2 м/с

V_рV_срV_з (1,2 м/с >1,16 м/с >0,34 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение деривационного канала:

Рис. 4. Поперечное сечение деривационного канала, масштаб 1:100

1.2 Гидравлический расчет I_го участка сбросного канала

При расчете I_го участка сбросного канала принимаем глубину воды в канале h=h₀=1,95 м (глубина воды в деривационном канале) и определяем основные параметры I_го участка сбросного канала.

Расчет производим методом подборов в табличной форме.

m_коэффициент заложения откоса для песчано-гравелистого грунта=1,5 [Л 2. Табл.П. 3]

n — коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,0275 [Л 2. Табл.П. 2] (для песчано-гравелистого грунта)

Таблица 4. Определение ширины I_го участка сбросного канала по дну

Расчёты для b=5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

На основание таблицы № 4, по значениям b и Q, строится график и для заданного значения расхода определяем ширину канала по дну.

Рис. 5. График зависимости b=f (Q) для определения ширины канала по дну при заданном расходе на I_ом участке сбросного канала.

b=14,9 м =14 м

Определив значение ширины канала по дну на I_ом участке сбросного канала, определяем параметры канала.

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

Таблица 5. Основные параметры I_ого сбросного канала

Проверка I_ого участка сбросного канала на заиление и размыв

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср = Q_норм./щ

V_ср =36,4 /38,8 =0,94 м/с

Находим незаиляющую скорость:

V_З=

V_З =0,3*1,126=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для песчано-гравелистого грунта определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 0,7−0,8 м/с

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном расходе канал подвержен размыву, так как V_ср > V_р (0,94 м/с >0,7−0,8 м/с)

Следовательно, проводим укрепление канала глиной.

Укрепление I_ого участка сбросного канала глиной

Значение коэффициента шероховатости n = 0.0225 [Л 2. Табл.П. 2]

Расчет производим в табличной форме, по прежним формулам.

Таблица 6. Определение глубины I_го участка сбросного канала по дну (с укреплением)

Расчёты для b=5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

На основании таблицы № 5 по значениям b и Q строится график зависимости b=f (Q) и для заданного значения расхода определяем ширину канала по дну.

Рис. 6 График зависимости b=f (Q) для определения ширины I_го участка сбросного канала по дну.

b=13,3 м=14 м

Определив значения ширины I_го участка сбросного канала по дну, определяем параметры канала.

Таблица 7. Основные параметры I_ого сбросного канала

Проверка I_го участка сбросного канала на размыв и заиление

V_ср = Q_норм./щ

V_ср =37/33= 1.12 м/с.

Находим незаиляющую скорость:

V_З=

V_З =0,3 1,57=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для глины определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1,2−1,8 м/с

V_разV_срV_заил (1,5 м/с >1,12 м/с >0,33 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 14+2*1,95*1,5 =19,85 м.

Определение параметров канала при форсированном расходе

Определяем глубину воды в канале h₀ при равномерном движении, канал трапецеидального сечения, известны

Q _фор = 1,1 Q _норм. = 39,6 м³/с

уклон дна i = 0.35

В основании канала — глина.

m=1,5

n=0,0225

b=14 м

Таблица 8. Определение глубины при Q_фор

Расчёты для h=0,5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

По данным таблицы строим график и определяем h_фор.

Рис. 7 График зависимости h=f (Q) для определения глубины воды в I_ом сбросном канале при Q_фор

h_фор=2, 1 м

Таблица 9. Параметров канала при форсированном расходе

Проверка I_ого участка сбросного канала с креплением на размыв и заиление при Q_фор

При минимальном расходе:

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср.= Q_фор./щ

V_ср.= 42,1/36=1,17 м/с

V_З=

V_З =0,3*1,136=0,34 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для глины определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1,2−1,8 м/с

V_разV_срV_заил (1,5 м/с >1,17 м/с >0,34 м/с)

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном и форсированном расходе канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение I_ого участка сбросного канала:

Рис. 8 Поперечное сечение I_ого участка сбросного канала, масштаб 1: 100

1.3 Расчет II_ого участка сбросного канала

Гидравлический расчет II_ого участка сбросного канала производится из условия гидравлически наивыгоднейшего сечения при этом величина

в==12

Определяются основные параметры этого канала и его поперечное сечение вычерчивается в масштабе, производится проверка на заиление и размыв.

Определение параметров II_ого участка сбросного канала.

Q=36 м³/с,

Грунт в основании канала — плотная супесь

n=0.025, [Л 2. Табл.П. 2]

m=1.7, [Л 2. Табл.П. 3]

i=0.32

м³/с

Таблица 10. Определение глубины воды во II_ом сбросном канале.

Расчёты для h=0,5 м:

м²

м м

м^0,5/с м³/с м³/с На основании таблицы 10 строим график. По этому графику и по таблице определяем глубину воды в канале h₀.

Рис. 9 График зависимости h=f (K) для определения глубины воды во II_ом сбросном канале.

h_o=1,7 м

Определяем

b=h₀в=1,7*12=20,4 м ~ 21 м.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 21+2*1,7*1,7 =26,78 м.

Таблица 11. Основные параметры II_ого сбросного канала

Проверка II_ого участка сбросного канала на размыв и заиление

При нормальном расходе:

V_ср. = Q /щ =37,7/40,6=0,92 м/с

V_З=

V_З =0,3 1,1=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для плотной супеси определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1 м/с

V_разV_срV_заил (1 м/с >0,92 м/с >0,33 м/с)

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном расходе канал не подвержен размыву и заилению.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 20+2*1,675*1,7 =25,7 м.

Расчет глубины воды во II_ом сбросном канале при Q_фор.

Q _фор = 39,6 м³/с

Грунт в основании канала — плотная супесь

n=0.025, [Л 2. Табл.П. 2]

m=1.7, [Л 2. Табл.П. 3]

i=0.32

К_фор=39,6/(0,32)^0,5=2213,77 м³/с Глубина h_фор определяем по графику зависимости h=f (K) при К_фор=2213,77 м³/с Рис. 10 График зависимости h=f (K)

h_фор=1,75 м

Таблица 12. Основные параметры II_ого сбросного канала при форсированном расходе

Проверка II_ого сбросного канала при Q_фор на размыв и заиление

При форсированном расходе:

V_ср. = Q /щ =39,66/42=0,94 м/с

V_З=

V_З =0,3*1,1=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для плотной супеси определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1 м/с

V_разV_срV_заил (1 м/с >0,94 м/с >0,33 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение II_ого участка сбросного канала:

Рис. 11 Поперечное сечение 3_го участка канала, масштаб 1:100

1.4 Неравномерное движение жидкости в каналах

Неравномерное движение жидкости в канале характеризуется изменение площади и глубины воды в канале по его длине при нормальном расходе Q_нор. Перед водоприемником в конце этого канала глубина увеличивается до 1.6h₀, где h₀ — глубина при равномерном движении.

Выясним форму кривой свободной поверхности, критическую глубину, состояние потока и построим кривую свободной поверхности при условии, что длина этого участка равна длине кривой.

Определение критической глубины воды в каналах.

Глубина потока, при которой удельная энергия сечения для заданного расхода достигает минимума называется критической глубиной. Общее уравнение критического потока имеет вид:

Где _кр — площадь живого сечения при h=h_кр

В_кр — ширина канала по верху h=h_кр

Критическую глубину можно определить графическим способом.

где

B — ширина канала по дну

m_коэффициент заложения откоса

— Коэффициент Кориолиса Критическую глубину в канале (h_кр) определяется графическим способом, для чего составляем таблицу № 13.

Таблица 13. Определение критической глубины воды в деривационном канале

Расчёты для h=0,5 м:

м м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 13 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины в деривационном канале:

Рис. 12 График зависимости f=

h_кр=0,87 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 14. Параметры канала при h_кр=0,87 м

Таблица 15. Определение критической глубины воды в I_ом сбросном канале.

Расчёты для h=0,5 м:

м м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 15 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины в I_ом сбросном канале:

Рис. 13 График зависимости f=

h_кр=0,9 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 16. Параметры канала при h_кр=0,9 м

Таблица 17. Определение критической глубины воды во II_ом сбросном канале.

Расчёты для h=0,5:

м м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 17 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины во II_ом сбросном канале:

Рис. 14. График зависимости f=

h_кр=0,7 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 18. Параметры канала при h_кр=0,7 м

Выясняем состояние потока:

Если: h > h_кр, П_к < 1 — спокойное состояние

h < h_кр, П_к > 1 — бурное состояние

h = h_кр, П_к = 1 — критическое состояние

1 Канал: h > h_кр (1,95 м> 0,87 м) и П_к<1 (П_к=0,84) — состояние потока спокойное.

2 Канал: h > h_кр (1,95 м > 0,9 м) и П_к<1 (П_к=0,84) — состояние потока спокойное.

3 Канал: h > h_кр (1,7 м > 0,7 м) и П_к<1 (П_к=0,82) — состояние потока спокойное.

Построение кривой подпора методом Н. Н. Павловского в деривационном канале

Кривой подпора называется линия свободной поверхности потока, глубина которой увеличивается в направлении потока.

Так как по длине потока увеличивается глубина и возрастает W, в канале будет наблюдаться явление подпора, и свободная поверхность потока будет иметь вид кривой подпора.

Для построения кривой подпора по длине канала определяем его конечную глубину, которая равна:

h _конеч. = 1.6 * h₀

Разбиваем значения от h₀ до h конечного на пять глубин, и производим расчет методом Н. Н. Павловского при гидравлическом показателе русла х=2.0 и уклоне дна канала. Тогда длина участка между глубинами воды может быть определена по следующей зависимости:

,

где

где к — расходная характеристика ко — расходная характеристика

z — коэффициент Павловского

— параметр кинетичности.

В-ширина канала по верху, ;

— смоченный периметр, ;

С — коэффициент Шези по Агроскину: ;

;

i — уклон дна канала.

Весь расчет кривой подпора производится в табличной форме Таблица 19. Расчёт кривой подпора в деривационном канале

УL=6945,2 м

Расчёты для h=1.95 м:

м²

м м

м м³/с м

Проверку расчета кривой подпора производим по крайним сечениям.

=

м

Процент ошибки определяется по формуле Д=

Строим кривую подпора деривационном канале в масштабе:

Рис. 15 Чертёж кривой подпора в деривационном канале.

масштаб: горизонтальный … 1:30 000

вертикальный … 1:100

Построение кривой спада методом И. И. Агроскина в I_ом сбросном канале

Расчет кривой спада выполняем по способу И.И. Агроскина

Кривая спада образуется перед сопрягающими сооружениями (перепад, быстроток) в конце I_го сбросного канала. Глубина в канале уменьшается до 0,7, при коэффициенте русла x=4,0 и i>0

При расчете кривых подпора и спада по Агроскину в руслах правильной формы поперечного сечения значения z и целесообразно вычислять по формулам Агроскина:

где

b_ширина русла по дну b=14 м.

нормальная глубина в русле при заданном расходе.

функция величина, которой определяется по [Л3. табл. XX111a]

функция величина которой, определяется по [Л3 табл. XX111b]

Определим м, разбиваем длину на 5 расчетных частей.

Расчеты производим в табличной форме.

Таблица 20. Расчёт кривой спада в I_ом сбросном канале

У L= 5468,4 м

м

Проверку расчета кривой спада производим по крайним сечениям.

=м

Процент ошибки определяется по формуле

Д=

Строим кривую спада в I_ом сбросном канале в масштабе:

Рис. 16 Чертёж кривой спада в I_ом сбросном канале.

масштаб: горизонтальный …1:30 000

вертикальный … 1:100

2. Гидравлический расчет сооружений

2.1 Расчет водозаборного регулятора на канале

При расчете регулятора необходимо определить ширину регулятора для пропуска расхода Q_норм. = 36 м³/с.

Ширина пролета должна быть не более 2.5*H при большей величине назначается 2,3… и более пролетов. Поперечное сечение принимается прямоугольное. Регулятор работает как водослив с широким порогом с боковым сжатием при выходе, причём необходимо определить подтоплен водослив или нет.

Расчетная формула водослива с широким порогом (широкий порог задан в условии) в общем виде будет равна:

Q=у*е*m*b**H₀^3/2,

где b — ширина водослива

При заборе воды из канала № 1 скорость подхода V = 1,75 м/с,

H=h_б + z=1,95+0,3=2,25 м

z = 0,3 м перепад на водосливе (дано в условии)

H₀ — напор на водосливе с учетом скорости подхода, где б*V₀² / 2g=0

H₀=Н=2,25 м

е — коэффициент сжатия потока, который определяется по формуле Замарина:

е =1 — a*H₀ / (b+H₀),

где a = 0,11_коэффициент, зависящий от формы оголовка устьев и быков

у — коэффициент подтопления,

у = 1, если водослив не подтоплен

у = F (b, h_S / H₀), если водослив подтоплен

m — коэффициент расхода

Уровень воды ниже водослива будет равен:

h_s = h_б — Р = 1,95- 0 =1,95 м.

Р = 0 высота порога водослива на выходе

Определяем относительное превышение, тогда:

если h_S / H₀ > 0.7, то водослив подтоплен и у подтопления определяется по справочнику.

если h_S / H₀ < 0.7, то водослив не подтоплен и у =1.

В нашем случае: h_S / H₀ = 1,95 / 2,25=0,866, что больше 0.7 значит водослив подтоплен.

Определяем коэффициент подтопления у при h_S / H₀ = 0.866 по определяем по справочнику Киселева [стр. 70 табл. 6−24]

у = 0.823

Коэффициент расхода водослива зависит от плавности входа воды в регулятор и его конфигурации и может быть определен по формуле В. В. Смыслова:

m = 0.3 + 0.08 / (1 + Р₁ / H₀),

где Р₁ = 0,35 м — высота порога водослива на входе, задано в условии

m = 0.3 + 0.08 / (1+ 0.35/2,25) = 0,369

Расчет по определению ширины водослива b производим в табличной форме методом подбора:

Таблица 21. Определение ширины водослива

На основании данной таблицы строится график.

Рис. 17 График определения ширины регулятора

b=8 м

Полученное значение b сравниваем с предельным значением

м

8 м > 5,625 м

Принимаем количество пролетов: n=3, b=3 м

е =1 — (a*H₀) / (b+H₀)=1 — (0,11*2,25)/(3+2,25)=0,953

Определяем расход, пропускаемый регулятором

м³/с

Определяем процент расхождения между заданным и полученным расходом:

Длина водослива принимается равной

м

t= 1 м, где t — толщина быка.

Строим чертёж регулятора:

Рис. 18 Чертёж водозаборного регулятора во главе деривационного канала, масштаб 1:300

2.2 Расчет водосливной плотины

Проектируем водосливную плотину практического профиля криволинейного очертания с затворами на гребне по всему водосливному фронту.

Определение ширины и числа пролетов в водосливной плотине

Выбираем профиль водосливной плотины безвакуумный, очертанный по координатам Кригера-Офицерова.

Вычисляем высоту плотины:

Р = ГрД₁ =181 — 146 = 35 м Вычисляем напор на гребне водослива:

H= ФПУГр = 189−181= 8 м Так как вода на водосливную плотину подается из водохранилища, то скорость подхода из сооружения будет равна 0.

V₀=0, тогда H = H₀ = 8 м Расход, проходящий через водосливную плотину практического профиля можно определить по следующей зависимости:

— где:

коэффициент сжатия потока, который определяется по формуле Замарина

где

— коэффициент, зависящий от формы оголовка

a = 0.11

ширина водослива.

Для принятого профиля водосливной плотины коэффициент расхода m=0.49. Тогда уравнение расхода можно записать в следующем виде:

Данное выражение можно представить в виде:

Принимаем коэффициент сжатия потока, тогда ширина водослива

В первом приближении принимаем число пролетов n=10 и определяем ширину водослива. Определяем коэффициент сжатия и уточняем ширину пролета и округляем ширину одного пролета до стандартного значения. Причем ширина одного пролета должна быть в пределах, где Н_г -напор на гребне водослива при отметке НПУ, тогда Н_г=НПУ-ГР=186−181=5 м

b = (7,5 ч12,5) м Сравниваем полученную ширину одного пролета с рекомендуемой и если она получается в этих пределах, то оставляем, а если нет то возвращаемся в начало, вместо n=10, берем другое число.

Определяем расход водосливной плотины при принятом количестве пролетов и уточненной ширине пролета. Определяем расход через водосливную плотину по следующей зависимости:

Разница между заданным и найденным расходом должна быть в пределах 1−3%, но найденный расход должен быть больше или равен заданному расходу.

Ширина водосливного фронта равна:

Ширина водосливной плотины:

где n — количество быков

t — ширина одного быка (t=1,5 м.)

Определение ширины и числа пролётов плотины.

Производим расчёт водосливной плотины:

Р =ГрД₁

Р=181 — 146 = 35 м Вычисляем напор на гребне водослива:

H= ФПУ — Гр Н= 189 — 181 = 8 м Принимаю количество пролетов равных 10 (n=10).

м м — не входит в предел b = (7,5 ч12,5) м Принимаю количество пролетов равных 3 (n=3)

м м — входит в предел b = (7,5 ч12,5) м

=1254,143 м³/с

=3*9=27 м

=27+(3−1)*1,5=30 м

Таким образом: b=9 м, n=3.

Построение профиля водосливной плотины по координатам Кригера-Офицерова

Рассчитываем координаты безвакуумного водослива для напора перед плотиной Н = 8 м при коэффициенте расхода m = 0.49 для чего рассчитываем таблицу № 22

Таблица 22. Определение координат поверхности водослива плотины и поверхности струи

По таблице П. 7 [Л.2 Табл. П7] определяем радиус закругления плотины:

Высота плотины Р = 35 м, следовательно, радиус определим интерполяцией 16,9 м.

Строим чертёж профиля водосливной плотины:

Рис. 19. Чертёж профиля водосливной платины.

Масштаб 1:250

Расчет сопряжения ниспадающей струи с потоком нижнего бьефа гидросооружения

Для выяснения характера сопряжения переливающейся струи через водослив практического профиля с потоком в нижнем бьефе, необходимо определить глубину в сжатом сечении у подошвы и сопряженную с ней глубину. Глубина в сжатом сечении определяется подбором из выражения:

где

q — удельный расход,

= м²/с где

— ширина водосливного фронта

— удельная энергия в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа.

— коэффициент скорости зависит от типа плотин и для плотин с водосливом практического профиля.=0,9

Во избежание подбора при определении глубины в сжатом сечении применим метод Агроскина:

Согласно методу находим функцию относительной глубины по следующей формуле:

=

= 35+8=43 м

и по значению функции по таблице П. 8 [Л.2 Табл.П. 8] определяем коэффициент =0,0427

Тогда глубина в сжатом сечении

=43*0,0427=1,8361 м

Вторая сопряженная глубина определяется как глубина в жатом сечении только при принятом значении тогда:

=0,3435

м

В нижнем бьефе гидротехнического сооружения возможны следующие формы сопряжений бурного потока со спокойным:

1. Отогнанный прыжок, если > h_б, который будет располагаться ниже по течению относительно сжатого сечения.

2. Предельное состояние, когда = h_б. В этом случае начало прыжка расположено в сжатом сечении.

3. Надвинутый прыжок, когда < h_б. Начало прыжка расположено выше по течению относительно сжатой глубины.

м

Т.к > h_б (14,77 м > 13 м), то наблюдается отогнанный прыжок.

Для создания необходимой глубины в нижнем бьефе обеспечивающей сопряжения с надвинутым прыжком является устройство водобойных колодцев, стенок или комбинированных сооружений.

Расчет сопряжения в нижнем бьефе с надвинутым прыжком

Глубина водобойного колодца (d) может быть определенна из следующего выражения:

где

d — Глубина колодца

г — коэффициент запаса принимается равным от 0,05 до 1,1 для обеспечения сопряжения с надвинутым прыжком.

— бытовая глубина.

— перепад, возникающий при выходе потока из водобойного колодца.

Перепад () определяется из предположения, что выходная часть водобойного колодца работает как подтопленный водослив с широким порогом

где

это средняя скорость в колодце при глубине г .

=1

Определив перепад, определяем глубину колодца d.

При наличие колодца удельная энергия увеличивается и равна .

Тогда функция относительной глубины

После этого определяем по таблице П. 8 [Л.2 Табл. П8] при =0,9 значение и 2_ую сопряженную

Определяем, d. Расчеты ведем до тех пор пока разница между и будет меньше 1%.

Длина колодца может быть определена

Расчёты глубины и длины водобойного колодца.

=46,48 м²/с

1) E₀ = H₀ + Р = 8 + 35 = 43 м

=0,1831

=0,3417 [2 Табл. П8]

м

м/с

м

Глубина колодца

м

При наличии колодца удельная энергия увеличивается и будет равна

2)м

Тогда функция относительной глубины:

=0,1665

=0,3260 [2 Табл. П8]

м

м/с

м

м

3)м

=0,1509

=0,3079 [2 Табл. П8]

м

м/с

м

м

Длина колодца м

Построение профиля водосливной плотины по координатам Кригера-Офицерова и водобойного колодца

Строим профиль водосливной плотины и водобойного колодца:

Рис. 20. Чертёж профиля водосливной плотины и водобойного колодца.

Масштаб: 1:250

2.3 Расчёт регулятора на пропуск расхода в деривационном канале

При расчёте регулятора на пропуск расхода Qнорм необходимо определить величину открытия затвора, установить характер и виды гидравлического прыжка при сопряжении бьефов. Регулятор запроектирован как водослив с широким порогом прямоугольного сечения, выполненный из бетона, шириной одного пролета b=3 м, количеством пролётов n=3 и длиной l=9 м, в который установлены плоские затворы. Водобойного колодца нет.

Определяем пропускную способность канала при различных уровней воды в нём. По h определяем расход Q.

Таблица 23. Определение расхода Q при заданной глубине h

Расчёты для h=0,5 м

м²

где:

b — ширина первого участка по дну (b=15 м)

m_коэффициент заложения откоса супесчаного грунта=1 [Л 2. Табл.П. 3]

м

м

м^0,5/с

где:

n — Коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,025 [Л 2. Табл.П. 2] (Для грунта: тяжёлые суглинки)

м/с

м³/с

где:

_площадь живого поперечного сечения

C — коэффициент Шези.

R_гидравлический радиус

i_уклон дна канала.

Определим напор на пороге регулятора, тогда

м,

и определяем пропускную способность при различных открытиях затворов, причём в начале предполагаем, что прыжок за затвором будет отогнанный. Тогда расход воды через регулятор вычисляем по формуле:

— коэффициент расхода (0,85ч0,9)

— величина открытия затвора

— ширина одного пролёта

— количество пролётов

Вычисление расхода производится в табличной форме.

Таблица 24. К построению кривой пропускной способности шлюза регулятора

— величина открытия затвора

— коэффициент сжатия (определяем по справочнику Киселева)

— сжатая глубина

— напор

— расход

— глубина воды

=0,25/2,25=0,111

=0,25 0,615=0,15 м

=2,25−0,15=2,09 м

=0,9*0,25*3*3*6,4=13 м³/с

На основании таблицы 24, по значениям расхода Q и глубины в канале h, строим график:

Рис. 22 График зависимости h=f (Q)

Для определения вида сопряжения, вытекающей струи, из-под затвора, со струёй в нижнем бьефе (отогнанный или затопленный прыжок) воспользуемся формулой:

Расчёт производим в табличной форме

Таблица 25. К определению характера сопряжения бьефов

Отогнанный прыжок, если > h, который будет располагаться ниже по течению относительно сжатого сечения.

Предельное состояние, когда = h. В этом случае начало прыжка расположено в сжатом сечении.

Надвинутый прыжок, когда < h_. Начало прыжка расположено выше по течению относительно сжатой глубины.

В случаи если вторая сопряжённая глубина меньше чем глубина воды к канале, то прыжок затопленный (или надвинутый). Тогда расход проходящий через регулятор можно определить как:

или

где: -напор на водосливе

— глубина в начале гидравлического прыжка, определяется по формуле:

— напор на пороге регулятора

м

V_средняя скорость в деривационном канале (V=1,16 м/с)

Расчёт производится в табличной форме.

Таблица 26. Определение пропускной способности отверстий

=2,32−1,05=1,27 м

=2,32−1,55=0,77 м

м

м²

По данным таблицы 24 и таблицы 26 строим график пропускной способности отверстий регулятора

Рис. 23 График пропускной способности отверстий регулятора

Чертёж регулятора:

Рис. 24 Чертёж водозаборного регулятора с затворами во главе деривационного канала. Масштаб: 1:300

2.4 Расчёт сопрягающего сооружения — быстроток

В состав быстротока сходят: а) головная часть быстротока — вход, б) водоскат, в) выходная часть. Гидравлическим расчетом определяются: размеры головной части (при выбранном типе входа), форма свободной поверхности, глубины и скорости на водоскате и размеры выходной части для обеспечения сопряжения потока с нижним бьефом в форме надвинутого прыжка.

Расчет головной части

Головная часть быстротока может быть запроектирована в виде водослива или короткого лотка с регулирующим затвором.

При расчете головной части с регулирующим затвором следует определить сжатую глубину за затвором, а зятем форму кривой свободной поверхности и глубины потока между затвором и началом водоската.

Принимая входную часть в виде водослива с широким порогом, прямоугольного в плане, при высоте Р=0, определим его ширину b, исходя из условия сохранения в канале глубины h0, т. е. при h0=Н.

При заданных условиях скорость в канале V=1,12 м/с, при этом скоростной напор:

м и напор перед входом

м

Расчет водоската

Для расчёта кривой свободной поверхности на водоскате найдём критическую глубину и глубину равномерного движения, пологая коэффициент шероховатости бетона n=0,017.

м

где

— уклон быстротока

и м

Глубина (0,5 м) меньше (0,9 м), уклон водоската i>iкр, поток перейдёт на пороге входной части в бурное состояние и на водоскате сформируется кривая спада.

Расчет кривой спада по способу И.И. Агроскина

При расчете кривых подпора и спада по Агроскину в руслах правильной формы поперечного сечения значения z и целесообразно вычислять по формулам Агроскина:

где

b_ширина лотка быстротока, b=14 м.

нормальная глубина в русле при заданном расходе.

функция величина, которой определяется по [Л3. табл. XX111a]

функция величина которой, определяется по [Л3 табл. XX111b]

Расчеты производим в табличной форме.

Таблица 27/ Расчёт кривой спада

У L= 19,2 м

м

Из подсчётов в таблице № 27 следует, что на водоскате на расстоянии 19,2 м от начала будет глубина h=0,6 м, т. е. дальше на водоскате установится практически равномерное движение. Следовательно, глубину в конце водоската применим h=ho=0,6 м.

Найдём сопряжённую глубину по формуле

=1,22 м

Глубины =1,22 меньше бытовой hб=1,95 м в отводящем канале, следовательно, прыжок в нижнем бьефе надвинут и гасить не требуется.

Переход глубин от h=1,22 м на водоскате к глубинам h=1,95 м будет происходить в форме кривой подпора, которую можно рассчитывать известными способами. Приближенно (с некоторым запасом) можно определить расстояние l1 до прыжка от конца водоската из условия

м

м

Определим длину воронки

м

Выходную часть-сопряжение прямоугольного сечения водоската с трапецеидальным сечение отводящего канала можно выполнить в виде конически расходящейся воронки с конструктивно принятым роспуском .

Строим чертёж быстротока, находящийся между I_ым и II_ым сбросным каналом:

Рис. 25 Чертёж быстротока между I_ым и II_ым сбросным каналом. Масштаб: 1:200

Основная литература

1. Справочник по гидравлическим расчетам под редакцией П. Киселева М.1974 г. 312 с.

2. Андриевская А. Б и др. Задачник по гидравлике. М.1970 г., 424 с.

3. Штеренлихт Д. В. Гидравлика.М.2004 г., 655 с.

4. Павловский Н. Н. Собрание сочинений. Т.1−2. М.-Л. 1955;1956

5. Курсовое проектирование по гидравлике. Калининград. КГТУ.2002.