Гидроузел с плотиной из грунтовых материалов

3.4.2. Конструирование и расчет подводящего канала

Для подвода воды к входному оголовку берегового водосброса устраивают короткие подводящие каналы с нулевым или обратным уклоном дна. Подводящий канал в зависимости от топографических условий местности может быть прямолинейным или криволинейным. В поперечном сечении подводящие каналы имеют чаще всего трапецеидальное. Подводящие каналы бывают постоянного поперечного сечения и расширяющимися в плане в сторону водохранилища. Заложение откосов подводящего канала принимаем в зависимости от грунтов в которых проходит канал. В моем случае канал проходит в супеси, тогда m=2

hк=3м;

 Скорость воды в  канале составит :  Vk=0,5м/с

 Площадь живого сечения  канала:  ωк=м2

ωк=bкhк+m , отсюда найдем bк=60,6м, т.к. ширина подводящего канала большая, принимаем bк=1,5bб=1,5∙25=37,5м

3.4.4. Гидравлический расчёт и конструирование лотка водосброса в пределах транзитной части.

3.4.5.1. Построение кривой свободной поверхности на транзитной части водосброса

 

Для назначения высоты стенок и оценки гидравлического режима течения потока на быстротоке необходимо знать изменение глубин по длине лотка быстротока, что достигается путем построения кривой свободной поверхности потока.

Здесь мы будем считать, что глубина на быстротоке будет изменяться от критической в его начале до нормальной глубины.

3.4.5.2. Определение глубины в начале транзитной части.

Так как быстроток всегда трассируется с уклоном, превышающим критический (iKp), то в начале быстротока (точка А) устанавливается критическая глубина потока (hKp), которая для прямоугольного русла определяется по зависимости:

где:  =1,05- коэффициент, учитывающий распределение скоростей по сечению;

-удельный расход на быстротоке, м2/с;

- угол наклона к горизонту лотка быстротока (при уклонах менее 0,15 углом наклона к горизонту лотка быстротока можно пренебречь и принять cos 0=1);

3.4.5.3. Определение нормальной глубины потока на быстротоке

Нормальная глубина на быстротоке, соответствующая равномерному режиму течения потока, рассчитывается методом последовательного приближения по формуле Шези, которая для прямоугольного поперечного сечения применительно к принятым условным обозначениям имеет вид:

.

где:  R – гидравлический радиус, определяемый по выражению:

R = ω/χ;

ω – гидравлический радиус, определяемый по выражению:

ω = h0bб;

        χ – смоченный периметр потока: χ=2h0 +bб;

      С – коэффициент Шези, определяемый по формуле:

С=R1/6/п;

     п – коффициент шероховатости поверхности дна и стенок быстротока п=0,015;

i – уклон быстротока на рассматриваемом участке.

 

0	10,3	0	10,3	0	0	0,1	0
0,1	10,3	1,03	10,5	0,10	45,33	0,1	4,67
0,2	10,3	2,06	10,7	0,19	50,67	0,1	14,39
0,3	10,3	3,09	10,9	0,28	54	0,1	27,97
0,4	10,3	4,12	11,1	0,37	56,67	0,1	44,92
0,5	10,3	5,15	11,3	0,46	,6758	0,1	64,80
0,6	10,3	6,18	11,5	0,54	60	0,1	86,17
0,7	10,3	7,21	11,7	0,62	61,33	0,1	110,1

 

Далее по данным таблицы строим график (рис.    ) и по нему определяем нормальную глубину h0=0,595 м.

3.4.5,4. Оценка влияния аэрации на глубину потока в пределах транзитной части водосбросного сооружения

 

При движении потока с относительно большими скоростями поток на быстротоке захватывает часть окружающего воздуха и аэрируется. Это приводит к увеличению его глубины. Для назначения необходимой высоты боковых стен быстротока необходимо установить глубину аэрированного потока ha. Эта глубина определяется на каждом участке быстротока отдельно по следующей зависимости:

ha=(1+0,01V)h

Определяем будет ли аэрация на нашем водосбросном сооружении:

FrKp- критическое число Фруда, при котором начинается аэрация; его значение может быть найдено по формуле:

FrKp=45(1-∆/R)14=45(1-0,03)14=29,38

Fr- число Фруда, определяемое на каждом участке быстротока по формуле:

Fr=V2/gh=(13,87)2/9,81×0,595=32,9

V- скорость на быстротоке в рассматриваемом сечении, определяемая по формуле:

V=Qm/bбh=85/10,3×0,595=13,87  м/с

Так как Fr>FrKp, то аэрация в потоке присутствует.

3.4.5.5. Оценка     возможности     возникновения     в     лотке     быстротока катящихся волн и меры по предупреждению их образования.

 

На быстротоках большой длины при значительной величине отношения ширины быстротока к глубине воды (часто при bб/h>10 м) происходит потеря устойчивости потока с образованием продольных (катящихся) волн и сбойности течения.Они ухудшают режим сопряжения бьефов и могут вызывать не прогнозированные размывы в нижнем бьефе. Катящиеся волны, как правило, могут образовываться при невыполнении условия:

bб/h≤10…12

bб/h=17,31≤10…12-условие не выполняется, необходимо применение продольных стенок.

3.4.5.6. Назначение    высоты    стенок    лотка    быстротока    в    пределах транзитной части и построение поперечного сечения быстротока

 

Высота боковых стенок лотка быстротока hycназначается по формуле:

hyc=hа+а=1,91+0,6=2,51 м

гдеа - конструктивный запас над свободной поверхностью аэрированного потока; величина конструктивного запаса может быть принята по таблице 3.4[1].

Определив высоту боковых стен и зная ширину быстротока, устанавливаем размеры конструктивных элементов быстротока, которые определяются его конструкцией. Самой распространенной конструкцией быстротока на нескальном основании для относительно небольших расходов является доковая неразрезная конструкция быстротока из армированного монолитного бетона.

Ширина боковых стен принимаемbв=0,5 м. Лицевая поверхность стен выполняется вертикальной, а тыловая грань со стороны грунта обратной засыпки устраивается с коэффициентом заложения т6 1/6. В таком случае толщина боковых стен на уровне днища bнбудет равна:

bн=bв+hyc×т6=0,5+2,51×1/6=0,92 м

Толщину днища быстротока tdобычно принимаем равной 0,92 м.

        Участок  тыловой грани dбоковых стен в пределах толщины днища выполняют вертикальным. Таким образом, ширина быстротока по основаниюbоснстановится известной:

bосн=bб+2bн=10,3+2×0,92=12,14 м.

3.4.6. Гидравлический    расчёт   и    конструирование    концевого   участка водосброса.

3.4.6.1. Назначение отметки дна водобоя.

Отметка дна водобойного колодца определяется гидравлическим расчетом сопряжения бьефов из условия обеспечения надвинутого прыжка в водобойном колодце. Предварительно назначают отметку дна водобойного колодца (Ñвод) по отношению к отметке дна следующей за ним рисбермы:

Ñвод=Ñрис – (0…0,5)=100 – 0,5=99,5м.

Отметку рисбермы предварительно назначают по выражению:

Ñрис=Ñдна – (0…0,5)=100м.

где Ñдна – отметка дна отводящего канала.

3.4.6.2. Определение длины отлета струи.

Высота стенки падения , определяется по формуле:

р=ÑВ-Ñвод=100 – 99,5=0,5 м.

Длина отлета центральной струи определяется по формуле:

lотл=Vk=13,9=5,6 м,

где Vk – скорость в конце быстротока, Vk=qб/hк=8,25/0,595=13,9 м/с;

hк – глубина потока в конце быстротока, принимаемая равной нормальной глубине потока на быстротоке , hк=h0=0,595 м.

3.4.6.3. Расчет сопряженных глубин гидравлического прыжка.

В качестве первой сопряженной глубины пинимаеться глубина в сжатом сечении:

h’=hс=0,59 м.

Вторая сопряженная глубина определяется по формуле:

h"=0,5h’a=0,5×0,59×=4,5 м,

где qс=qб - удельный расход в сжатом сечении.

Длина водобойного колодца lкол с учетом длины отлетаlотлопределяется по выражению:

lкол=lотл+0,8lпр= 5,6+0,8×19,9=22 м,

где  lпр – длина прыжка, определяемая по формуле:

lпр= 2,5(1,9h"-h’)=2,5(1,9×4,5- 0,59)=19,9 м.

3.4.6.4.Оценка режима соряжения бьефов.

Водобойный колодец должен быть запроектирован таким образом , чтобы обеспечить надвинутый прыжок при попуске всех возможных расходов.

Надвинутый прыжок будет иметь место при выполнении условия:

ah"≤(hрис +d), 1,05×4,5=4,7>3,1+0,5,

где a - коэффициент затопления прыжка , a = 1,05…1,1;

hрис – глубина потока на рисберме, hрис= ÑУНБтах - Ñрис=103,1-100=3,1 м;

d – глубина водобойного колодца.

1,05×4,5=4,7>3,1+0,5 – условие не выполняется , следовательно, требуются дополнительные конструктивные мероприятия по обеспечению требуемого режима сопряжения бьефов.

Уточним отметку дна водобоя:

d>ah"-  hрис

d>1,05×4,5 -3,1=1,6 м.

d=1,7 м

При повторном расчете получили:

- h"=4,7 м;

-h’=hс=0,56 м;

- lкол=22 м;

- lпр=20,9 м.

3.4.6.5 Назначение отдельных параметров водобоя.

Для завершения конструирования водобойного колодца необходимо установить высоту боковых стенок, толщину фундаментной плиты и параметры отдельных параметров водобоя.

Высота боковых стенок водобоя:

hус,в= h"+а=4,7+1,5=6,2 м,

где а – конструктивный запас над уровнем воды в водобойном колодце,

а=0,1(h"+Vс)=0,1(0,56+8,25/0,56)=1,5 м.

Средняя толщина фундаментной плиты tв водобойного колодца :

tв=0,15Vс=0,15×14,7=1,7 м.

Остальные размеры водобойного колодца назначаются конструктивно: 

l1≥ 0,5 м, l2 ≥ 0,3 м, l3 ≥ 1 м, l4 ≥ 0,3 м, а1 ≥ 0,5 м, а2  ≥ 0,5 м, толщина боковых стенок по верху bус,в≥ 0,4…0,5 м.

Длина боковых открылков определяется по формуле:

lотк=lотк,рис+а3=

где  а3 – запас захода открылка за бровку откоса рисбермы, а3=0,3 м;

lотк,рис – длина (по горизонтали) откоса рисбермы, определяемая по формуле:

lотк,рис= (Ñв,рис - Ñрис)трис=

где Ñв,рис – отметка верхней бровки откоса рисбермы, Ñв,рис=Ñус,в;

трис– принимается в зависимости от вида грунта как и для остальных подводных откосов

Общая длина водобойной части водосброса с учетом конструктивных элементов:

lвод=l1+ lкол+l2=0,5+22+0,5=23 м.

3.4.6.7.Назначение параметров рисбермы.

Рисбермы предназначены для обеспечения гашения той части избыточной энергии потока, которая была не погашена в водобое, а также для выравнивания удельных расходов и скоростей по поперечному сечению потока и обеспечения совместно с концевым устройством сопряжения с отводящим грунтовым руслом без допущения подмыва элементов водосброса.

Ширина рисбермы в начале bрис,начназначается не менее ширины водобоя:

bрис,нач= bб + 2lводtgb=10,3+2×23×0,17=18,1 м.

Длина рисбермы составляет