3198
.pdf
11
Va = Ca 
Ra i1 = 40,8 
0,2 0,01 =1,82м / с
Q = 0,40 1,82 = 0,72 м3/с
То есть бытовая глубина hа = 0,33 м в водоотводящем русле канала тра пециидального сечения принята правильно. Но так как hсII (1,08) > hа (0,33), необходимо устройство гасителя энергии потока в виде водобойного колодца или водобойной стенки.
Расчет водобойного колодца
Исход ные данные для расчета (рис. 2): Q = 0,7 2 м3/с
hа = 0,3 3 м – бытовая глубина водоотводящ его канала; hсII = 1,08 м – вторая сопряженная глубина;
hсI = hо = 0,17 м – первая сопряженная глубина.
Глубин а водобойного колодца должна отвечать условиям затопленного
гидравлического прыжка:
ha + d > hcII,
отсюда глубина колодца d = 1,1 hcII – hа = 1,1 1,08 – 0,33 = 0,85 м
Длина водобойного колодца (гасителя энергии) Lk, м
Lk = βLпр = 0,6 4,8 = 2,88 ≈ 3м,
где β – коэффициент, β = 0,6 - 0,8;
Lпр – длина совершенного прыжка в сооружениях прямоугольной формы, м:
Lпр = 2,5 (1 ,9 hcII – hсI) = 2,5 (1,9 1,0 8 – 0,17) = 4,75 ≈ 4 ,8 м.
Рис. 2 Схема к расчету быстротока с водобойным колодцем:
12
Расчет водобойной стенки
Исходные данные для расчета: Q = 0,72 м3/с
hа = 0,33 м – бытовая глубина водоотводящего канала; hсII = 1,08 м – вторая сопряженная глубина;
в = 0,7 м ширина лотка.
Полный напор над водобойной стенкой
(в предположении, что стенка работает как незатопленный водослив):
Но = 3 |
Q2 |
= 3 |
|
0,722 |
= 0,67м, |
|
μ2 в2 |
1,862 0,72 |
|||||
|
|
|
||||
где μ = 1,86.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
Нv = |
α Q2 |
|
1,1 0,722 |
0,57024 |
= 0,05м |
|
|
= |
|
= |
|
||
2gв2 (hcii )2 |
2 9,81 0,72 1,082 |
11,209 |
||||
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 0,67 – 0,05 = 0,62 м.
Высота водобойной стенки
С = σhсII – Н = 1,05 1,08 – 0,62 = 0,51 м,
где σ = 1,05 – коэффициент подтопления стенки.
Так как (C > hа), стенка работает как незатопленный водослив, поэтому есть необходимость запростировать еще одну стенку.
Если (C < hа), стенка работает как затопленный водослив. Необходимость в проектировании еще одной стенки отпадает.
Длина колодца
Lкол = Lпр
Lпр = 3hсII = 3ּ1,08 = 3,24 м.
Толщину дна лотка вычисляют по формуле В.М. Домбровского
__ ____
Т = 0,033 ּ а ּ V √hо = 0,033 ּ1 ּ6,12 √0,17 = 0,08 м = 8 см,
13
где V – средняя скорость воды в лотке; V = Vо;
hо – глуб ина воды в рассматриваемом сечении; h = hсI;
а – коэффициент от грунта основан ия – суглинок – 1; супесь – 1,5; песок
– 2.
Запас в ысоты боковых стенок лотка быстротока над уровнем воды назна чают в зависимости от расхода воды, протекающего через него:
Расход м3/с |
1 |
1-10 |
10-30 |
30-5 0 |
50-1 00 |
Запас над уровнем воды,м |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
Для трапециидальных быстротоков запас высоты стенок лотка над уровнем воды увеличивают на 15 %.
3.2Гидравлический расчет одноступен чатого перепада прямоугольного се чения
Проектирование одноступенчатого перепада включает гидравлический расчет входа и выходной части. При пр оектиро вании вхо да необходимо предусмотреть конструктивное оформление перехода от канала к собственно входной части. Этот переходный участок называется акванкамерой. Для п о- лучения определенной динамики воды стенки падения большое значение имеет характер краев у кромки перепада, через которые вода при движении переливается (рис. 3). Ровные края создают почти стеклянную пленку падающей вод ы, рваные, зубчаты е края с оздают оп ределен ный рисунок стру й и их разнообразное звучание.
Расчет входа состоит чаще всего в определении его пропуск ной спосо б- ности Q при заданной ширине b водосливного фронта или опред елении его ширины b п ри заданном расходе воды Q. В том и другом случае имеется заданная вели чина разности уровней Z верхнего и нижнего бьефов, стенки падения или напора на водосливе.
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 3 |
Влияние кромки на характер падения воды: |
|
1 – направление потока воды; 2 – характер кромки падения воды; а – вода падает гладкой, как с тена; б – создаются отдельные водопадики; в – создаются концентрированные струи.
14
Пример расчета при следующих исходных данных (рис. 4): hp = 1,7 м – глуби на воды в подводящем канале;
hа = 1,7 м – глубина воды в отводя щем канале; Q – 5,0 м3/с;
b кан = 2,0 м – ширина дна водоотводящего канала;
m = 1,0 – коэффициент откосов подводящего и отводящего каналов;
р = 4,5 м – высота падения потока воды. |
|
|
|
|
||||||||||
Расчет входного |
|
отверстия перепада |
состоит в определении ширины |
|||||||||||
лотка – b. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ширина прямоугольного входа |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
b = |
|
Q |
|
|
= |
|
5 |
|
|
=1,42м, |
|||
|
|
m Ho |
|
|
|
0,35 1,73 |
|
|
|
|||||
|
2 gHo |
2 9,81 1,73 |
||||||||||||
где m = 0,35 – коэффициент расхода водослива с широким порогом; |
||||||||||||||
Но – полный напор на водосливе |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
H0 = H + |
αV 2 |
1,1 0,82 |
=1,73 м |
||||||||
|
|
|
|
|
0 =1,7 + |
|
|
|||||||
|
|
|
2 |
2 9,81 |
||||||||||
|
|
|
|
|
g |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4 Одноступенчатый перепад (стенка падения)
Н – глуб ина воды в водоподводящем канале;
Vo – ск орость движения воды в водоподводящем канале трапециидального сечения равная:
Vo = |
Q |
= |
Q |
= |
5 |
= 0,8м/ с, |
|
W |
b hp + mhp2 |
2 1,7 +1,0 1,72 |
|||||
|
|
|
|
где W – площадь живого сечения потока в водоподводящем канале трапециидального сечения.
15
Определяем критическую глубину на входе перепада
|
|
|
|
hk |
= 3 |
α Q2 |
= 3 |
|
1,1 52 |
|
=1,17м. |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
g в2 |
|
9,81 1,422 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
Определяем первую сопряженную глубину |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
hci = |
|
|
|
|
Q |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
= 0,34м, |
|
|
|||||||
|
|
|
в |
2g Z |
|
|
1,42 2 9,81 |
5,38 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
где z – вспомогательная величина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Z = |
V |
+ P + |
hp |
|
= |
|
|
0,82 |
|
+ 4,5 + |
1,7 |
= 5,38 . |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
2g |
2 |
|
2 |
|
9,81 |
|
|
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
Определение второй сопряженной глубины |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ii |
|
i |
|
|
|
|
|
8 h |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
1,173 |
|
|
|
|||
h |
|
= 0,5 h |
|
|
1 |
+ |
|
k |
|
|
|
−1 |
= |
0,5 0,34 |
|
1+ |
|
|
|
|
−1 |
|
= 2,9м |
|||||||||||
|
|
(h i )3 |
|
|
0,343 |
|||||||||||||||||||||||||||||
c |
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высота водобойной стенки С после перепада определяется:
Полный напор над водобойной стенкой
H o = 3 |
Q2 |
= 3 |
|
52 |
=1,53м, |
|
μ2 в2 |
1,862 1,422 |
|||||
|
|
|
||||
__
где μ = 1,80 из μ = m√2g при m = 0,42.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
H v = |
α Q2 |
= |
1,1 52 |
= |
27,5 |
= 0,08м. |
|
2g в2 (h ii )2 |
2 9,81 1,422 2,92 |
331,6 |
|||||
|
|
|
|
||||
|
c |
|
|
|
|
|
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 1,53 – 0,08 = 1,45 м.
Высота водобойной стенки
С =σ ·hcII – H = 1,05 · 2,9 – 1,45 = 1,59 м ≈ 1,6 м,
где r = 1,05 – коэффициент подтопления стенки.
Если (С < hа) стенка работает как затопленный водослив, необходимости устройства гасителя энергии воды в виде еще одной стенки нет. Расчет закончен. Если (С > hа) стенка работает как незатопленный водослив, поэтому есть необходимость запроектировать еще одну стенку.
16
Определение расстояния от стенки падения до водобойной стенки
складывается из дальности падения струи и длины гидравлического прыжка:
L = Lпад+ Lпр.
Дальность падения струи
Lпад =Vp |
2 p + hp |
= 2,07 |
2 4,5 + |
1,7 |
= 2,15м, |
g |
9,81 |
|
|||
|
|
|
|
где Vp = вQhp = 1,425 1,7 = 2,07м/ с.
Длина подпертого прыжка
Lпр = 3 · hcII = 3 · 2,9 = 8,7 м,
следовательно,
L = 2,15 + 8,7 = 10,8 ≈ 11 м
3.3Гидравлический расчет многоступенчатого перепада прямоугольного сечения колодезного типа
При глубоких вершинах оврагов головные сооружения устраивают в виде перепадов (рис. 5). В практике наибольшее распространение получили перепады, в поперечном разрезе напоминающие лестницу. Они называются ступенчатыми.
Различают одноступенчатые (рассмотрен выше) и многоступенчатые перепады. Перепады устраивают в основном прямоугольного или трапециидального сечения.
При высоте вершинного перепада 3-5 м применяют одноступенчатые перепады, при большей высоте – многоступенчатые. Для успокоения падающей на каждую ступень воды в конце ее устраивают водосливную стенку, которая гасит избыточную энергию потока.
Вбольшинстве случаев перепады сооружают из монолитного или сборного железобетона, реже из дерева, плетня, камня и других местных материалов.
Вкаждом перепаде можно выделить следующие элементы: входную часть (вход), стенку падения, водобойную часть (водобой), выходную часть (выход).
Входная часть может быть различной конструкции. Высота и длина ступеней должны быть подобраны так, чтобы конец перепада не врезался в глубокую выемку, где обычно вскрываются грунтовые воды.
17
Количество, высоту и д лину ступеней подбира ют (с последующим расчетом), чтобы перепад наиболее пр осто, без больших выемок и большого объема земляных работ вписывался в профиль земляной поверхности. Зная раз ность отметок начала ( Н1) и ( Н2) окончания перепада, делят на высоту сту пени перепада (Р). Высоту ступени перепада чаще всего принимают равной 1 м. Длина ступени определяется отношением горизонтального проложения длины склона на количество ступеней.
Устрой ство перепадов на насыпном грунте недопустимо, так как при паводке это может привести к разрушению сооружения.
Данные для расчета
Строительный материал – бетон; Q = 1,5 м3/с
Н1 - Н2 = 5,3 м – разность высот верхнего и нижнего бьефа; Р – 1,0 м – высота ступен и;
i = 0,02 5 n = 0,014
Канал лоток
Рис. 5 Схема многоступенчатого перепада прямоугольного сечения колодезного типа
где Q- расчетный расход;
а – глубина воды в водоподводящем канале, м;
h – глубина воды в лотке при равномерном движении, м; b – ширина канала или лотка по дну, м;
V0 – скорость вод ы в канале или лотке, м/с; i0 – продольный уклон дна канала;
α - коэффициент кинетической энергии потока;
m1 = 0,42 – коэффи циент расхода водослива в формуле
μ = m 2g =1,86
18
Расчет первой ступени
1. Определяется наивыгоднейшая ширина входного отверстия по дну лотка перепада по формуле Ю.Н. Даденкова
в = 0,7655 Q2 = 0,7655 1,52 = 0,765 1,18 = 0,9м.
2. Определяем необходимую площадь живого сечения перепада с учетом допустимых скоростей движения воды (прил. 3)
ω = Q = 1,5 = 0,36м2 ,
Vдоп 4,2
где Vдоп = 4,2 м/с из (прил. 3).
3. Определяем необходимую глубину воды в лотке:
ho = |
ω |
= |
0,36 |
= 0,4м. |
|
в |
0,9 |
||||
|
|
|
4. Производим проверку ho на пропуск заданного расхода Q = 1,5 м3/с
х = в + 2 ho = 0,9 + 2 · 0,4 = 1,7 м
R = ωx = 01,,367 = 0,21
n = 0,014 без учета аэрации
С = 55,7 (прил. 1 с учетом n и R)
V = C
Ri = 55,71 0,21 0,025 = 55,7 0,744 = 4,03м/ с
Q =ω v = 0,36 4,03 =1,45м3 / с
Полученный расход 1,45 м3/с меньше заданного 1,5 м3/с. Однако расхождение меньше 5 % (3,4 %), поэтому окончательно принимаем ширину лотка в = 0,9 м глубину воды ho = 0,4 м.
5. Определяем критическую глубину на пороге первой ступени
hk |
= 3 α Q2 |
= 3 |
1,1 1,52 |
= 0,68м. |
|
9,81 0,92 |
|||||
|
g в2 |
|
|
6. Определяем первую сопряженную глубину (hIc) в сжатом сечении после перепада по методу проф. Ю.Н. Даденкова. При этом принимаем во внимание:
так как hк = (0,68) > ho (0,4), то глубина воды над перепадом hр = ho = 0,4 м (если hк < ho, то hр = 0,7 · hк);
hci = |
|
Q |
= |
1,5 |
= 0,22м, |
|
в |
2g Z |
0,9 2 9,81 2,85 |
||||
|
|
|
где Z – вспомогательная величина:
Z = |
V 2 |
+ P + |
hp |
= |
4,032 |
|
+1+ |
0,4 |
= 2,85 . |
||
2g |
2 |
2 |
9,81 |
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||||
19
7. Определяем вторую сопряженную глубину
h |
ii |
= 0,5 |
h |
i |
( 1 |
+ |
8 |
h |
3 |
−1) = 0,5 0,22( 1+ |
8 |
0,683 |
−1) =1,58м |
|
|
|
k |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
c |
|
|
c |
|
|
|
(h I )3 |
|
|
0,223 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
8. Определение высоты водобойной стенки (С) после перепада производим в следующем порядке:
Полный напор над водобойной стенкой
Но = 3 |
Q2 |
= 3 |
|
1,52 |
= 0,93м, |
|
μ2 в2 |
1.862 0,92 |
|||||
|
|
|
||||
_
где μ – 1,86 из μ = m √2g при m = 0,42.
Скоростной напор перед водобойной стенкой
Hv = |
α Q2 |
|
= |
1,1 1,52 |
= |
2,47 |
= 0,06м. |
|
2g в2 (h |
II )2 |
2 9,81 0,92 1,582 |
39,57 |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
c |
|
|
|
|
|
||
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора
Н = Но – Нv = 0,93 – 0,06 = 0,87 м.
Высота водобойной стенки
С = σ · hcII – H = 1,05 · 1,58 – 0,87 = 0,78 м ≈ 0,8 м.
Длина первой ступени перепада определяется по формуле
Lст1 = Lпад1 + Lпр1 = 1,97 + 4,74 = 6,7 м,
где Lпад1 – дальность падения струи:
Lпад1 =V |
2 P + h0 |
= 4,03 |
2 1 +0,4 |
=1,97м |
|
g |
9,81 |
||||
|
|
|
Длина подпертого прыжка
Lпр1 = 3 · hc II = 3 · 1,58 = 4,74.
Длину колодца принимаем 6,7 м.
Расчет второй ступени
Данные для расчета
Глубина воды над водобойной стенкой hp = Н = 0,87 м Площадь живого сечения ω = в · hp = 0,9 · 0,87 = 0,78 м2
Скорость протекания воды над стенкой V = ωQ = 01,,785 =1,92м/ с
Высота падения Р1 = Р + С = 1 + 0,8 = 1,8 м 1. Определяем скорость течения воды в сжатом сечении на второй сту-
пени после падения
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
hp |
|
|
2 |
|
|
0,87 |
|
|
Vc = V |
|
+ |
|
|
= |
1,92 |
|
+ 2 |
9,81 1,8 + |
|
= 6,88м/ с, |
|
|
|
|||||||||
+ 2 g P1 |
2 |
|
|
2 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Vc – скорость воды в сжатом сечении;
V - скорость протекания воды над стенкой; Р2 – высота падения воды;
hр - глубина воды над стенкой
Площадь сжатого сечения воды на второй ступени
ωс = |
Q |
= |
1,5 |
= 0,22м2 . |
|
V |
6,88 |
||||
|
|
|
|||
|
c |
|
|
|
Глубина воды в сжатом сечении второй ступени hc = hc I = ωвc = 00,22,9 = 0,24м.
2. Определяем вторую сопряженную глубину при прыжке с глубиной hcI = 0,24 м.
|
II |
|
I |
|
|
8 h 3 |
|
|
|
8 0,683 |
|
|
|||
h |
|
= 0,5h |
|
|
1+ |
|
k |
|
−1 |
= 0,5 0,24 |
1+ |
|
|
−1 |
=1,49м |
|
|
I |
|
3 |
|
3 |
|||||||||
c |
|
c |
|
|
|
) |
|
|
|
0,24 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
(hc |
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Определение высоты второй водобойной стенки (С2) производим в следующем порядке:
Полный напор над водобойной стенкой Но = 0,93 м (вычислен ранее).
Скоростной напор перед водобойной стенкой (С2)
Hv = |
α Q2 |
|
= |
1,1 1,52 |
= |
2,47 |
= 0,07м. |
|
2g в2 (h |
II )2 |
2 9,81 0,92 1,492 |
35,28 |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
c |
|
|
|
|
|
||
Напор над стенкой (С2) без скоростного напора
Н2 = Но - Нv = 0,93 - 0,07 = 0,86 м
Высота водобойной стенки
С2 = σhcII – H2 = 1,05 ·1,49 – 0,86 = 0,7 м.
Отсюда следует, что глубина воды перед второй водобойной стенкой составит
С2 + Н2 = 0,7 + 0,86 = 1,56 м,
а высота падения на первой водобойной стенке
Р1 = Р + С = 1 + 0,8 = 1,8 м т.е. С2 + Н2 < Р + С = 1,56 м < 1,8 м,
Следовательно, первая водобойная станка работает как незатопленный водослив и расчет ее окончательный.
Если Нп + Сп > Р + Сп+1, т.е. стенка работает как затопленный водослив, требуется сделать перерасчет первой стенки (можно изменить ширину лотка (в) высоту ступени (р).