3198
.pdf
21
Определение длины второй ступени перепада
Lст2 = Lпад2+Lпр2 = 1,29+4,47 = 5,76 ≈ 6 м;
L |
=V |
2 P + hp |
=1,92 |
2 1,8 +0,87 |
=1,29м. |
|
|
||||
пад2 |
|
g |
|
9,81 |
|
|
|
|
|
Lпр2 = 3·hcII = 3 ·1,49 = 4,47
Из конструктивных соображений длина ступени принимается равной
Lст2 = 6,0 м.
Аналогично рассчитываются все последующие ступени. Однако, ввиду незначительного дальнейшего изменения гидравлических элементов потока, высоты стенки и длины ступени, все последующие стенки принимаем высотой 0,7 м и длину ступени 6,0 м.
Расчет последней стенки в нижнем бьефе
Если стенка работает как затопленный водослив, т.е. С<ho, то дополнительных гасителей энергии не требуется. Если же стенка работает как незатопленный водослив, т.е. С>ho, необходимо проверить достаточность одной стенки. В этом случае последняя стенка рассматривается как перепад, и определяется необходимость устройства за ней стенки (порядок расчета см. расчет первой ступени).
Так как С=0,7>ho=0,4, необходимо устройство гасителя энергии. Принимаем для последней стенки некоторые гидравлические элементы
предыдущей ступени (в нашем примере - ступень № 2).
Н= hр = 0,87 м V = 1,92 м/с
hк = 0,68 м
р= С = 0,7 м
1.Скорость в сжатом сечении
Vc = V |
2 |
+ 2 |
g(P + |
hp |
) = |
1,92 |
2 |
+ 2 |
9,81(0,7 |
+ |
0,87 |
) = 5,08м/ с |
|
2 |
|
2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Площадь сжатого сечения |
|
|
Q |
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ωс |
|
= |
= |
|
= 0,29м2 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5,08 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vc |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3. |
Глубина воды в сжатом сечении |
|
0,29 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
= h I |
= |
= 0,32м |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
c |
|
0,9 |
|
|
|
|
|
|
|
||
4. |
Вторая сопряженная глубина |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
II |
|
I |
|
|
|
8 h 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 0,683 |
|
|
||||
|
h |
|
= 0,5 h |
|
|
1 |
+ |
|
k |
|
|
−1 |
= |
0,5 |
0,32 |
1+ |
|
|
−1 |
=1,26м |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
c |
|
c |
|
|
|
I |
) |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,32 |
3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
(hc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5. Полный напор над водобойной стенкой
|
|
|
22 |
|
|
|
|
|
Но = 3 |
Q2 |
= 3 |
|
1,5 |
2 |
= 0,93м |
||
μ2 |
в2 |
1,862 |
0,92 |
|||||
|
|
|
||||||
6. Скоростной напор перед водобойной стенкой
Нv = |
α |
Q2 |
|
= |
1,1 1,52 |
= 0,09 ≈ 0,1 |
|
2g в2 |
(h |
II )2 |
2 9,81 0,92 1,262 |
||||
|
|
|
|||||
|
|
c |
|
|
|
||
7.Напор над стенкой без скоростного напора
Н= Но – Нv = 0,93 – 0,1 = 0,83
8.Высота водобойной стенки
С=σ·hcII – H = 1,05 ·1,26 – 0,83 = 0,48 см.
Ввиду того, что в водоотводящем канале возникают большие скорости (от 1,92 до 1,58 м/с), требуется мощное укрепление русла. Для сокращения длины кривой подпора применяем усиленную шероховатость в виде бетонных шашек высотой 0,1 м, располагаемых в шахматном порядке, с расстоянием по ширине 0,2 м на расстоянии до 5 – 6 метров.
3.4Сооружения в виде водопропускной трубы с шахтным колодцем
Шахтные водосбросы строятся для сбора воды в овраг с вертикальным обрывом при разности бьефов оврага 4-10 м и расходах воды от 2 до 100 м3/с, а также для устройства водосброса при строительстве плотин. Шахтный колодец применяется в тех случаях, когда возведение открытых водосбросов по топографическим, инженерно-геологическим и организационным условиям (хозяйственным и строительным) нежелательно. Шахтные водосбросы в последнее время получили весьма широкое распространение. Для шахтных водосбросов характерны: автоматическое действие по сбросу воды, малая стоимость строительства и небольшие эксплуатационные расходы.
При расчете шахтного водосброса приходится определять не только пропускную способность водослива, водоприемной шахты, но и пропускную способность трубы.
При большом относительном напоре ∆ Н более 0,25-0,3 происходит
Д
значительное снижение пропускной способности из-за самозатопления кольцевого водослива. Поэтому целесообразно принимать ∆ Н не более 0,25.
Д
При этом условии водослив будет затопленным до тех пор, пока глубина воды в водопроницаемой шахте будет меньше ее высоты (т.е. ниже гребня шах-
ты) (рис. 6).
23
Рис. 6 Схема шахтного колодца
Условные обозначения
Q – расчетный расход, м3/с;
hI – глубина подпертой воды перед трубой, м; ω – площадь живого сечения трубы, м2; υ – скорость воды в трубе, м/с;
d – диаметр водоотводящей трубы, м; d1 – глубина водобойного колодца, м; D – диаметр шахтного колодца, м; φ – коэффициент скорости 0,7 0;
P – высота шахтного колодца, м;
Н – глуби на воды перед шахтным колодцем, м; (определяется согласно гидравлическому расчету подводящего русла);
L – длина трубы по оси, м; io – уклон трубы;
g – ускорение силы тяжести – 9,81 м/с2;
ξ - коэффициент местного сопротивления при входе в трубу (ξ = 0,50); m1 – коэффициент расхода через приемный колодец;
λ – коэффициент трения 0,02.
Пример гидравлического расчета
Данные для расчета
Q = 4,0 м3/с; Р = 5,0 м; Н = 0,6 м; L = 25,0 м; io = 0,02.
Гидравлический расчет водопропускной трубы
Необходимая площадь сечения трубы
ω = |
Q |
= |
|
Q |
|
|
; |
|
υ |
|
|
|
|
|
|||
|
|
d |
|
|
||||
|
|
2g ϕ P + H − |
+i L |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2 |
o |
||||
|
|
|
|
|
|
|||
в первом приближении принимаем d = 1,0 м; и φ = 0,70;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тогда ω = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,546м2 |
|
|
||||||
|
|
4,43 0,7 |
|
|
5,0 +0,6 − |
1,0 |
|
+0,02 25,0 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
d = |
ω 4 = |
|
0,546 4 |
= 0,833м |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3,14 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Для дальнейших расчетов окончательно принимаем трубу d = 1,0 м с |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
d 2 |
|
|
|
3 14 12 |
2 |
|
|||||||||
площадью сечения ω = 0,785 м |
, так как ω |
= |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
= 0,785м |
|
. |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
4 |
|
|
4 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
ϕ = |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
= 0,707 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
1+ξ +λ |
L |
1+0,5 +0,02 |
|
25,0 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Глубина подпертой воды перед трубой: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
Q |
|
2 |
d |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
+ 0,5 −0,02 25,0 = 2,64м, |
||||||||||||||
h1 = |
|
|
+ |
|
|
−io L = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
4,43 0,785 0,707 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
2g ω ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
так как h1<Pk, то, следовательно, водослив не затоплен. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
Скорость воды в трубе |
|
|
Q |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
υ = |
= |
|
|
= 5,10м/ с |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0,785 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Гидравлический расчет шахтного колодца
Назначаем Д = 1,0 м, так как колодец не затоплен, коэффициент расхода m1 = 0,42, тогда максимальное превышение уровня воды по формуле водослива с тонкой стенкой
|
|
Q |
|
2 / 3 |
|
4,0 |
|
|
2 / 3 |
h1 |
= |
|
|
|
= |
|
|
|
= 0,78м. |
|
|
0,42 3,14 1,0 4,43 |
|||||||
|
m πД |
2g |
|
|
|
||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Ввиду того, что h1>H, (0,78>0,6), сечение шахтного колодца недостаточно. Назначаем Д=1,5 м и повторяем расчет:
h1 = 0,42 3,1441,50 4,43 2 / 3 = 0,59м < H = 0,6м.
Следовательно, принятый диаметр шахтного колодца обеспечивает пропуск воды в заданных проектных условиях.
Диаметр колодца можно определить и по формуле
D = |
Q |
|
= |
4 |
=1,47м |
m πН3 / 2 |
2g |
0,42 3,14 0,63 4,43 |
|||
|
1 |
|
|
|
|
Водобойный колодец назначаем конструктивно, в основном из соображений удобства очистки. Он является отстойником, где будут задерживаться крупные камни, которые могут быть принесены потоком. Если камни отсутствуют, колодец можно не устраивать. Глубина колодца обычно назначается в пределах 0,3 - 0,6 м. Для гашения падающей струи (при расходах близких к
25
max ) колодец не нужен, так как водяная подушка образуется вследствие подпора у входа в водоотводящую трубу.
В приведенном примере водоотводная труба работает как напорная. При малых расходах труба может работать как безнапорная, тогда размер шахтного колодц а назначается исходя из конструктивных соображений.
3.5 Трубчатый водовып уск (водослив)
Для забора воды из водо хранилища при плотинах устраивают водовыпуски, при помощи которых вода подается в оросительные, обводнительные каналы. Конструкция водовыпуска должна обеспечивать бесперебойную подачу воды и удобное обслуживание сооружения. Сооружение выполняют из сборного или монол итного железобет она. Трубы могут быть круглого или прямоугольного сечения. Размер определяется расчетом. Для гаш ения энергии потока в конце трубы устр аивают в одобойный колодец (при расходах до 4 м3 /с) глубиной 0,3 - 0,5 м и длиной
3 - 8 м (рис. 7).
Рис. 7 Схема трубчатого водослива:
1 – металлическая решетка; 2 – входной оголовок; 3 – труба; 4 – задвижка; 5 – выходной оголовок; 6 – водобойный колодец; 7 – гравийно-каменная отсыпка
Расход воды в трубе при подтопленном выходе определяется по фор-
муле
Q = μ ω 2g Z ,
где μ – коэффициент расхода 0,4-0,6; ω – площадь поперечного сечения трубы;
Z – разность отметок верхнего и нижнего бьефов, определяющая
напор Н.
Диаметр трубы при подтопленно м отверстии на выходе |
d = |
4ω |
, |
|
π |
||||
|
|
|
где d – диаметр трубы, м; ω - площадь сечения, м2, определяется по формуле
|
|
|
26 |
|
|
|
|||
|
|
|
ω = |
|
Q |
|
|||
|
|
|
μ |
2g H |
|||||
Пример расчета водовыпускной трубы |
|||||||||
Q – 0,8 м3/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н – 3 м-напор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L – 30 м – длина трубы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
μ – 0,5 |
|
|
0,8 |
|
|
|
|||
ω |
= |
|
= 0,208м2 |
||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
0,5 2 9,81 3 |
||||||
d = |
|
4 0,208 |
|
= 0,265 ≈ 0,27 м |
|||||
|
|
||||||||
|
|
|
3,14 |
|
|
|
|
|
|
3.6 Фонтан, проектиров ание и гидравлический расчет |
|||||||||
В лан дшафтно м проектировании |
применение воды имеет несколько |
||||||||
уровней. Вода используется в утилитарных и декоративных устройствах. К утилитарным устройствам, наиболее часто применяемым, относятся питьевые фонтанчики, колодцы, плескательные бассейны, рыбные пруды, каналы. Из декоративных устройств следует отметить декоративные струйные фонтаны с объемной структурой и силуэтами фонтанных струй. Огромный эффект имеет подсветка фонтанов, создающая целый фейерверк мгновенных состояний во ды и каж дый раз все новый сценарий. Грандиозные сооружения так их фонтанов определяют иногда архитектуру центров городов или мест отдыха трудящихся.
Особого внимания заслуживает искусство создания разнообразных композиций водяных струй имитирующих цвет ы, корзинки, гейзеры (рис. 8), многоструйные комп озиции (рис. 9).
|
|
|
|
а |
б |
в |
г |
Рис. 8 Композиции водяных струй:
а – расп ыляемая; б – сформированная; в – целая толстая; г – разбрызганная.
27
Рис. 9 Многоструйные композиции с меняющимися силуэтами
Эффект живоп исности пространства создается игрой водяных струй, отражениям и в зеркале бассейна.
Основ ное правило для установления величины фонтанной чаши заключается в том , что расстояние от края чаши до наивысшей водяной струи должно равняться полуторной высоте струи (рис.9).
Рис. 10 Типы фонтанных струй
в =
1,5 h
Рис. 11 Оптималь ные пара метры фонтана
28
Вода для питания фонтанов подается из водопроводов, прудов, ключей, рек и других источников водоснабжения. Использованная вода часто сбрасывается в водотоки или водоемы. Иногда при бо льших фонтанах применяется оборот воды.
Для фо нтанных трубопроводов применяются стальные и чугунные водопроводные трубы. На трубах ставятся вентели для регулирован ия расхода воды и высоты струй. Используются цилиндрические, коническ ие и коно и- дальные насадки из латуни или из бронзы. Иногда делаются и специальные типы насадок для придания струям различных форм.
Гидравлический расчет
Гидравлически й расчет фонтанов сводится к опр еделени ю расходов воды, высот ы фонтанных струй и их траекторий.
При устройстве фонтанов вода из трубопровода через насадку посту пает в атмосферу (рис. 1 2).
Рис. 12 Схема фо нтана
В этом случае общий напор Н, без учета местных потерь напора затрачивается на преодоление сопротивления по длине трубопровода и на высоту поднятия струи: Н = hдл+hо,
где Н – общий н апор, м;
hдл – потери напора по длине трубы, м; hо – высота струи (скоростной напор), м.
Потери напора по длине трубы определяется по формуле где L – длина трубопровода, м;
Q- расчетный расход, м3/с;
А– удельное сопротивление трубы (табл. 1).
29
Таблица 1 – Значение удельных сопротивлений А водопроводных труб
мм |
38 |
50 |
75 |
109 |
125 |
150 |
200 |
А |
41840 |
10340 |
1113 |
268 |
82,4 |
31,4 |
6,86 |
мм |
250 |
300 |
400 |
450 |
500 |
600 |
700 |
А |
2,11 |
0,805 |
0,176 |
0,094 |
0,054 |
0,021 |
0,0091 |
Для труб, бывших в употреблении, значение А умножается на 1,17. Расход воды фонтанной струи
Q = μωн |
2gH |
, |
2g ALμ2 ωn 2 +1 |
где μ – коэффициент расхода насадок, цилиндрической – 0,82; конической при углах конусности 5о,13о,45о – соответственно 0,92; 0,945; 0,857; для коноидальных – 0,97;
где ωн – площадь поперечного сечения выходного отверстия на-
садки,м2;
А – удельное сопротивление трубы; L – длина трубопровода, м.
Скоростной напор у насадки, определяющий высоту струи, равен
ho = |
H |
|
. |
2gALμ2ωн |
2 +1 |
Вследствие сжатия и сопротивления, оказываемого струе воздухом, фактическая высота струи меньше. Действительную высоту струи вычисляют по формуле Люгера
hD = |
|
|
ho |
; ϕ = |
|
|
0,25 |
|
|
, |
|
1 |
+ϕh |
d |
n |
+ (0,1 d |
n |
)3 |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|||
где dн – диаметр выходного отверстия насадки, мм; φ – коэффициент.
Насадки, а, следовательно, и струи могут быть наклонены к горизонту. Причем, чем больше угол наклона, тем круче будет восхождение L1 и нисходящие L2 ветви траектории струи.
Дальность или расстояние действия L наклонной струи будет слагаться из длин проекции L1 и L2 т.е. L = L1 + L2. Дальность действия зависит от напора у насадки и угла наклона ее к горизонту.
Длину ветвей можно определить по формуле
L1 = В1· ho и L2 = В2 · ho,
где В1 – коэффициент восходящей ветви струи; В2 – коэффициент нисходящей ветви струи.
Высота наклонной струи определяется по формуле Т = В3 ·ho, где В3 – коэффициент.
Значение коэффициентов В1; В2; В3 приведены в табл. 2.
30
Таблица 2 – Значение коэффициентов для определения дальности и высоты наклонной фонтанной струи
Коэффи- |
|
Значения коэффициента при углах наклона насадки к гор., град. |
|
|||||||
циент |
10 |
|
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
|
80 |
В1 |
0,455 |
|
0,617 |
0,790 |
0,827 |
0,760 |
0,596 |
0,391 |
|
0,183 |
В2 |
0,342 |
|
0,615 |
0,834 |
0,919 |
0,900 |
0,763 |
0,546 |
|
0,280 |
В3 |
0,030 |
|
0,113 |
0,235 |
0,372 |
0,489 |
0,583 |
0,640 |
|
0,663 |
Пример расчета
Определить расход фонтана Q и высоту струи ho.
Н – 10 м, диаметр трубы 0,3 м, длина трубопровода – 1200 м, диаметр выходного отверстия конической насадки – 0,04 м, коэффициент расхода
μ – 0,945, удельное сопротивление трубы – А = 0,805. Определяем расход
Q = 0,945 0,00125 |
|
|
|
|
2 9,81 10 |
|
|
|
|
|
|
= 0,0149м3 |
/ с, |
||||||
|
2 9,81 0,805 1200 0,9452 |
0,001252 + |
1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
где ωн = πd 2 |
= |
3,14 0,0016 |
= 0,00125м2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
4 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скоростной напор |
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
ho = |
|
|
|
|
|
|
|
|
= 8,08м; |
|
|||||||
|
|
2 |
9,81 1200 0,945 |
2 |
0,00125 |
2 |
+1 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
0,25 |
|
|
|
= 0,0024 . |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ϕ = |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
40 + (0,1 40) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Действительная высота струи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
8,08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
hD = |
|
|
= 7,92 |
≈ 7,9м |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1+0,0024 8,08 |
|
|
|
|
|||||||||||