10904
.pdf
140
Введение
Вданной работе предстоит произвести гидравлические расчёты канала, шлюза – регулятора, водосливной плотины и многоступенчатого перепада на основе исходных данных.
Для канала, определить габаритные размеры канала, найти скорость потока воды, определить режим движения жидкости и построить кривую свободной поверхности канала.
Врасчёте шлюза – регулятора нужно найти габаритные размеры данного сооружения, количество отверстий, количество быков, подобрать размеры плоских затворов и определить напор на гребне.
Расчёт водосливной плотины заключается в определение габаритных значений и высотных отметок элементов сооружения( нижний бьеф плотины, водобойный колодец, нахождение профиля плотины, плоских затворов и быков).
Расчёт многоступенчатого перепада заключается в нахождении размеров каждой ступени перепада и водобойного колодца в конце перепада,
атак же в нахождении высотных отметок в каждом уровне.
Комплекс гидроузла представлен на Рисунке 1: водосливная плотина, левобережная глухая земляная плотина, правобережная глухая земляная плотина, здание ГЭС, шлюз-регулятор, магистральный канал, многоступенчатый перепад.
Рисунок 1 – Схема компоновки сооружения гидроузла.
141
1 Расчет канала на равномерное движение воды
1.1 Основные расчетные формулы
Гидравлический расчет канала выполняется по формуле Шези
Q =ω c |
Ri, м3 / с |
(1) |
||||
где ω - площадь живого сечения, м2 ; |
|
|
|
|
||
с – коэффициент формулы Шези |
|
R 16 ; |
|
|
|
|
с = |
1 |
|
|
|
(2 ) |
|
|
м/ с2 |
|||||
R – гидравлический радиус |
n |
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
R = |
, м |
, |
|
|
(3) |
|
|
χ |
|
|
|
|
|
i=0,0003 – уклон канала,
n – коэффициент шероховатости русла, определяется по [3, табл.4]. Для грунтовых откосов и дна принимается n=0,018;
χ − смоченный периметр канала, м.
Сечение канала принимается трапецеидальным, тогда по [1, рис.1]:
ω= (b + mh)h
χ= b + mh
1+ m2
B = b + 2mh
m = ctgα
Подставляя формулы (2) и (3) в формулу (1) после преобразований можно получить модуль расхода удельной шероховатости
|
|
|
ω |
2 |
8 |
|
|
3 |
|||
К |
|
, м3 |
|||
Ш |
= ω |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
χ |
|
|
1.2 Численный расчет канала
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Дано:
QК = 0,21Qп = 0,21×600 =126 м3 / с
m=3,0 b=4,5 м i=0,0003 n=0,018
142
Для определения глубины потока в канале проводятся вспомогательные вычисления (табл.1). Для этого предварительно вычисляется значение КШ в общем виде.
КШ = |
QK n |
, |
(9) |
||
|
|
|
|||
|
i |
||||
|
|
|
|
||
8
КШ =130,943 м3
Это значение должно попасть в вилку при построении графика, таблица заполняется подбором.
Таблица 1 – Вспомогательные вычисления к определению глубины воды в канале
№ п/п |
Расчетная величина |
Единица |
|
Попытки |
|
||
|
|
|
|
||||
измерения |
1 |
2 |
3 |
Уточнен. |
|||
|
|
величина |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
1 |
Глубина, h |
м |
3,0 |
4,0 |
4,5 |
4,275 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Площадь сечения, ω |
м2 |
40,5 |
66 |
81 |
74,064 |
|
3 |
Смоченный периметр, χ |
м |
23,474 |
29,798 |
32,961 |
31,538 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Модуль расхода, КШ |
м |
8 |
58,26 |
112,146 |
147,506 |
130,855 |
3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
По данным табл. 1 строится график - рис.2
143
Рисунок 2 – График зависимости h = f (КШ )
При графическом решении обязательно создается погрешность,
поэтому для получения значения hиск. = h0 |
= 4,275м при КШ =130,855 |
8 |
надо |
|
м3 |
||||
провести уточнение. |
|
|
|
|
Определяется действительная скорость воды в канале |
|
|
||
υ = |
QK |
, м/ с |
|
(10) |
ω |
|
|||
|
|
|
|
|
υ =1,7, м/ с
По [3, табл.2 или 3] полученная скорость сравнивается с допустимыми значениями и делается вывод, размывается канал или нет и нужно ли его крепить.
Скорость воды в канале превышает Vдоп.. Канал размывается и его необходимо крепить.
2 Неравномерное установившееся безнапорное движение воды
2.1 Расчетные зависимости для определения критической глубины
Критическая глубина потока в канале определяется по зависимости
αQ2 |
= |
ωK3 |
, |
(11) |
g |
BK |
где α =1,1−коэффициент Кориолиса; Q =126 м3/с− расход воды в канале;
g=9,81 мс2 − ускорение свободного падения;
ωК − площадь живого сечения при критической глубине; ВК − ширина воды в канале поверху при критической глубине.
αQg 2 =1780,2 , м5
2.1.1 Определение критической глубины в канале
Для определения критической глубины выполняются предварительные расчеты в табличной форме, табл.2.
144
Таблица 2 − Вспомогательные вычисления к определению критической глубины в канале
№ п/п |
Расчетная величина |
Единица |
|
Попытки |
|
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
Уточненн |
||||
измерения |
1 |
2 |
3 |
||||
|
|
величина |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
1 |
Глубина, hK |
м |
2,5 |
2,7 |
2,66 |
2,657 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Площадь сечения, ωK |
м2 |
30 |
34,02 |
33,197 |
33,135 |
|
3 |
Ширина воды в канале |
м |
19,5 |
20,7 |
20,46 |
20,442 |
|
поверху, BK |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
ω3 |
|
|
|
|
|
|
4 |
K |
м5 |
1384,62 |
1902,1 |
1788,06 |
1779,66 |
|
BK |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
По результатам табл.2 строится график - рис.3
Рисунок 3 − График зависимости h = f (ωK3 )
BK
2.1.2 Определение критического уклона в канале
Критический уклон в канале определяется по формуле:
iK = |
g |
|
χK |
(12) |
α CK2 |
|
BK |
145
CK = 1n RK1/ 6 , м
|
|
|
|
|
= ωK |
, |
|
|
|
|
||
|
|
R |
K |
|
м/ с2 |
|||||||
|
|
|
|
χ |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
RK |
= |
33,135 |
=1,555м |
|||||||
|
|
21,304 |
||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1,555 16 |
|
|
||||||
CK |
= |
|
|
= 59,797 м/ с2 |
||||||||
0,018 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
iK |
= |
|
9,81 |
21,304 = 0,0026 |
||||||||
1,1 |
59,7972 |
|||||||||||
|
|
20,442 |
|
|
||||||||
2.2 Определение числа Фруда при глубине равномерного движения
Критерий Фруда находится по зависимости: |
|
||||||||
|
|
|
|
Fr |
= υ |
2 |
|
(13) |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
gh |
|
|||
где υ − средняя скорость движения потока воды в канале, м/с2; |
|
||||||||
|
|
= h0 = 3,526 м − средняя глубина потока в канале, принимается по табл.1 |
|||||||
|
h |
||||||||
|
|
F |
= |
1,72 |
|
|
= 0,069 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
r |
|
9,81 4,275 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
2.3 Характер режима движения воды в канале
Дано:
h0 = 4,275, м hK = 2,657, м i = 0,0003
iK = 0,0026 Fr = 0,069
Получаем:
h0 = 4,275 > hK = 2,657i = 0,0003 < iK = 0,0026Fr = 0,069 <1
При этих условиях характер движения потока будет спокойный.
2.4 Определение вида кривой свободной поверхности в канале
Дано:
hK = 2,546м
h2 =1.25hK =1.25 4.275 = 5.344м
h0 = 4,275м
LK = 4200м
146
На рис. 4 приводится схема свободной поверхности потока в канале
Рисунок 4 − Схема кривой свободной поверхности потока. Кривая подпора.
2.5 Построение кривой свободной поверхности в канале
Расчет свободной поверхности в канале проводится по методу Б.А. Бахметева
il |
=η2 −η1 −(1− |
|
) [ϕ(η2 )−ϕ(η1 )] |
|
j |
||||
h |
||||
|
|
|
||
0 |
|
|
|
где h0 = 4,275м − глубина равномерного движения воды в канале;
l =4200 м − длина участка канала; i =0,0003 − уклон канала
h2 =5,344 м - глубина воды в конце канала, h2 =2,9м η − относительная глубина
η1 = h1
h0
η2 = h2 h0
j − некоторый расчетный безразмерный параметр
|
|
α i |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
= |
C |
B |
||||||
j |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
g |
χ |
||||||||
|
|
||||||||
ϕ(η1 ),ϕ(η2 ) − функции, определяемые по таблицам Бахметева в зависимости от гидравлического показателя русла χ . Для определения величины χ используется график [1, рис.4].
(14)
(15)
(16)
(17)
147
Расчет глубины h1 и расстояния l ведется в табличной форме (табл.3).
Для удобства расчета длина канала L разбивается на 4 участка, произвольно, длина каждого участка вычисляется по формуле Бахметева
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l = |
h0 |
{η2 |
−η1 −(1− |
|
)[ϕ(η2 )−ϕ(η1 )]} |
|
|
|
|
|
|
(18) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 − Построение кривой свободной поверхности |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
№ п/п |
Глубина |
|
η1 |
= |
h1 |
η2 |
= |
h2 |
|
|
ϕ(η1 ) |
|
|
|
ϕ(η2 ) |
|
|
|
|
|
|
h + h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
h1 |
|
|
h2 |
|
h0 |
h0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
B = b + 2mh |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
4,6 |
|
|
5,344 |
|
1,076 |
|
|
1,250 |
|
|
0,072 |
|
|
|
0,0405 |
|
|
4,972 |
|
34,332 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
4,8 |
|
|
5,344 |
|
1,123 |
|
|
1,250 |
|
|
0,072 |
|
|
|
0,0405 |
|
|
5,072 |
|
34,932 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
3 |
|
|
|
5,0 |
|
|
5,344 |
|
1,170 |
|
|
1,250 |
|
|
0,0486 |
|
|
0,0405 |
|
|
5,172 |
|
35,532 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
|
5,1 |
|
|
5,344 |
|
1,193 |
|
|
1,250 |
|
|
0,0486 |
|
|
0,0405 |
|
|
5,222 |
|
35,832 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= (b + mh |
)h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α i |
|
|
|
|
|
|
|
|
l = |
h0 |
{η2 −η1 −(1− |
|
)[ϕ(η2 )−ϕ(η1 )]} |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
B |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
= b + 2 |
|
1+ m2 |
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
χ |
h |
|
|
|
|
R = |
|
C = |
R |
j |
= |
|
|
|
|
|
|
j |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
χ |
|
n |
|
|
|
|
g |
χ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
35,946 |
|
|
96,536 |
|
|
|
|
|
2,686 |
|
|
|
65,501 |
|
|
|
|
0,1379 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2866,475 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
36,578 |
|
|
100,1 |
|
|
|
|
|
2,734 |
|
|
|
65,694 |
|
|
|
|
0,1386 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2196,411 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
37,211 |
|
|
103,523 |
|
|
|
|
2,782 |
|
|
|
65,885 |
|
|
|
|
0,1394 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1239,335 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
37,527 |
|
|
105,307 |
|
|
|
|
2,806 |
|
|
|
65,980 |
|
|
|
|
0,1398 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
911,539 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
148
149
3 Шлюз регулятор
Шлюз-регулятор служит для организованного забора воды из водохранилища и подачи ее в канал.
Он состоит из ряда водопропускных отверстий перекрываемых плоскими затворами. Водопропускные отверстия разделяются промежуточными бычками. С берегами шлюз-регулятор сопрягается посредством береговых устоев.
Цель расчета заключается в определении габаритных размеров шлюзарегулятора, определении напора на гребне, подборе плоских затворов. Для расчета шлюза-регулятора используются следующие данные и схемы (рис.6):
1 |
2 |
|
1 |
aV |
|
|
|
2g |
5 |
|
|
НПУ=28 м |
|
|
|
0 |
|
|
|
H |
H |
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
|
К |
h |
нб |
|
h |
|
h |
PВ =0,8 м |
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
PН=0,8 м |
1- 1
|
4 |
2 |
3 |
|
5 |
4
1 − порог водослива
2 − водосливные пролеты
3 − промежуточный бычок
4 − береговые устои
5 − затворы
Рисунок 6 − Схема шлюза-регулятора