3.3 Быстроток

Выполняется в виде бетонного или железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным поперечным сечением. Уклон дна быстротока принимается всегда больше критического и наиболее часто задается в пределах 0,05...0,25. Ширина быстротока может быть постоянной или переменной, что обуславливается как условиями гашения энергии в нижнем бьефе, так и возможностью некоторого сокращения объемов работ.

В быстротоках небольшой ширины на нескальном основании стенки и днища представляют собой монолитную неразрезную конструкцию докового типа. В широких быстротоках боковые стенки отрезаются от днища деформационными швами. Толщина днища принимается 0,3... 0,8 м, стенки и днище по длине лотка разрезаются деформационными швами через 20...25 м.

В плане быстротокам необходимо придавать прямолинейное очертание, но иногда для уменьшения объемов строительных работ

устpaивают быстротоки с виражом. На криволинейном участке дну быстротока придается поперечный уклон, вогнутая боковая стенка его делается большей высоты, чем выпуклая.

В быстротоках большой ширины, а также на криволинейных участках без поперечного уклона дна, для обеспечения устойчивости потока в поперечном направлении устраивают продольные раздельные стенки.

При высоком положении уровней фильтрационного потока по трассе быстротока устраивается дренаж под днищем и за боковыми стенками. Чаще всего применяется трубчатый дренаж.

Превышение боковых стенок быстротока над уровнем воды в нем (кривая свободной поверхности воды в быстротоке устанавливается гидравлическим расчетом) принимается по табл. 3.2

таблица 3.2

Расход в быстротоке, м3/с	1	1…10	10…30	30…50	50…100
Превышение боковых стен над уровнем воды, см	20	30	40	50	60

Гидравлический расчет быстротока при заданных параметрах поперечного сечения, длины и уклона дна заключается в построении кривой свободной поверхности потока и определении максимального значения его скорости, а также расчете сопряжения бьефов и выполняется в следующем порядке:

1. Глубина воды на входе в быстроток (h₁) принимается равной критической глубине

h₁ = h_кр = , (3.7)

где  = 1...1,1;

Q - расход в быстротоке;

b_б - ширина быстротока.

h₁ = h_кр=(1,1*380²/24²*9,81)^2/3=3м

2. Подбором, задаваясь рядом значений глубины потока на быстротоке, определяют нормальную глубину из условия равенства модуля расхода, вычисленного по зависимостям

k = (3.8)

k = wc (3.9)

Принимаем h₂=0.6

ω=h*B; ω=0.6*24=14,4 м²

χ=2h +B; χ=2*0,6+24=25,2 м

; R=14,4/25,2=0,57 м

С= С=1/0,012*0,57^1/6=75,9

Q= Q=14,4*75,9*(√0,57*0,21)=378,1

В начале быстротока:

h₁₌3м

ω=72 м²

χ=30м

R=2,4м

С=96,4

В конце быстротока:

h₂₌0,6м

ω=14,4 м²

χ=25,2м

R=0,57м

С=75,9

С_ср =86,15

χ_ср =27,6

Величина j определяется по средним значениям c, b_б и  в начале и в конце быстротока, принимая в первом приближении глубину в конце быстротока h₂ = h₀

j = (3.10)

J_ср==1,1*86,15*86,15*24*0,21/9,81*27,6=149

k = wc

к₁=72*96,4*√2,4=10752

к₂=14,4*75,9*√0,57=825,2

Гидравлический показатель русла х определяется из соотношения модулей расхода и глубин в начале и в конце быстротока

( (3.11)

X=(2lg(K₁/K₂))/(lg*(h₁/h₂))=(2*lg(10752/825,2))/(lg(3/0.6))=3.2

Глубина воды на выходе из быстротока определяется из уравнения Б.А. Бахметьева

= ₂ - ₁ - (1 - j)[ (₂) - (₁)], (3.12)

где i₀ - уклон дна быстротока;

l - длина быстротока;

h₀ - нормальная глубина (при равномерном движении потока на быстротоке);

_{1 =} , ₂ = - относительные глубины в начале и в конце быстротока;

(₁), (₂) - функции относительных глубин, определяемые по таблице

j =

• - смоченный периметр.

По таблице 9.3 [6] определяются значение функции (₁)

и все найденные величины подставляются в уравнение , решая подбором которое определяют значение функции (₂).

ŋ₁=h₁/h₂=3/0.6=5, φ(η₁)=0,013

По найденному значению (₂) определяется относительная глубина ₂ и находится глубина воды в конце быстротока h_2.

₂=1,65, (₂) =0.166, h₂=1,08

Делаем снова перерасчёт, вследствие чего получаем след. результаты:

h₂=1,08

w=25,92

R=0,99

C=83,33

X_cp=26,28

C_cp=83,94

K₂=984,8

X=3.2 ( не изменился )

h₁=3 h₂=1,08 h₀=0.6

Максимальная скорость в конце быстротока определяется по зависимости (3.13)

V_max = , (3.13)

величина которой не должна превышать допустимого значения, равного 14...15м/с.

V_max =380/24/1,08=14,66м/с

Глубина в конце быстротока принимается в качестве первой сопряженной (h_{2 =} h') и определяется вторая сопряженная глубина

h^’’=1,08/2*(√(1+8(3/1,08)³)-1)=6,55м

Если , где h_нб -глубина воды в нижнем бьефе при пропуске расчетного паводкового расхода, (определяется по кривой связи Q = f(h), то гидравлический прыжок будет затоплен и не требуется устанавливать гасители кинетической энергии потока на водобое. Если , то для затопления гидравлического прыжка необходимо запроектировать гаситель кинетической энергии потока (водобойный колодец или стенку).

В данном случае h^’’>h_нб (h_нб=3м). Значит мы должны запроектировать водобойный колодец или стенку. Выбираем водобойный колодец.

Глубина водобойного колодца на ступени: .

Длина прыжка

_{Тогда длина водобойного колодца, когда струя входит в колодец, определяется:}

_{lk = (0,75…1)·lпр = 0,75·22,35= 16,76 м}

Принимаем длину водобойного колодца 17 м.

Глубина воды в нижнем бьефе и поскольку , прыжок отогнан.