Гидравлический расчет сопрягающих сооружениий
Если входная часть перепада работает как неподтопленный водослив, то =1, если входная часть подтоплена, то <1 и определяется в соответствии с рекомендациями по учету подтопления водосливов. Вопрос о подтоплении входной части решается после определения глубины воды на водобое и сравнения ее с высотой стенки падения со стороны нижнего бьефа перепада. По экспериментальным данным при свободном… Читать ещё >
Гидравлический расчет сопрягающих сооружениий (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Выбор сопрягающего сооружения производится на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом особенностей сооружений и трассы (в том числе геологических и топографических условий, гидравлических особенностей работы сооружения и отводящего русла, условий сопряжения в нижнем бьефе сооружения, эксплуатационных требований и т. д.). Эти вопросы детально изучаются в курсе гидротехнических сооружений.
К сопрягающим сооружениям относятся однои многоступенчатые перепады, быстротоки и консольные перепады, которые обеспечивают сопряжение участков каналов или водопропускного тракта в местах с резким изменением отметок поверхности земли. Эти сооружения используются также как открытые береговые водопропускные сооружения при пропуске расходов воды в обход плотин.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПЕРЕПАДОВ
Одноступенчатый перепад состоит из стенки падения и входной и выходной частей (рис. 1). Стенка падения может быть вертикальной, наклонной или криволинейной. Входная часть перепадов может выполняться в виде водослива с широким порогом [высота порога со стороны подводящего русла (рис. 1, а) или (рис. 1,6)], водослива практического профиля прямолинейного или криволинейного очертания.
Поперечное сечение водослива может быть как равно поперечному сечению подводящего русла, так и меньше него. В последнем случае будет боковое сжатие.
Рис. 1.
Ширина входной части, работающей как водослив, определяется из формулы расхода водослива.
.
Если входная часть перепада работает как неподтопленный водослив, то =1, если входная часть подтоплена, то <1 и определяется в соответствии с рекомендациями по учету подтопления водосливов. Вопрос о подтоплении входной части решается после определения глубины воды на водобое и сравнения ее с высотой стенки падения со стороны нижнего бьефа перепада.
Высота порога на входе.
.
где — нормальная глубина в подводящем русле.
Очевидно, что при =0 напор равен глубине в подводящем русле при равномерном движении, a.
.
где — скорость при равномерном движении в этом русле.
Если уклон дна подводящего русла (спокойное состояние потока) и порог в подводящем русле отсутствует, то, как известно, устанавливается кривая спада (рис. 1,6).
При отсутствии бокового сжатия на расстоянии выше ребра стенки падения (в сечении 1−1) глубина равна критической глубине, а непосредственно над ребром .
Если в подводящем русле (бурное состояние потока), то глубина при равномерном движении ho на входе в сечение 1−1 равна нормальной в данных условиях. Но. При этом на участке 1−1 глубина уменьшается не более 5%.
Обычно на подходе к перепадам поток находится в спокойном состоянии. Установим отношение критической глубины и напора, соответствующих данному удельному расходу. При прямоугольном поперечном сечении.
а.
или.
. (1).
При и.
; (2).
при и тех же значениях.
; (3).
Часто принимаемое в расчетах соответствует только и 0,385 (водослив с широким порогом при отсутствии потерь, =1).
Над ребром стенки падения глубина составляет: для водослива практического профиля прямолинейного очертания (0,4) по Н. Н. Павловскому.
и ,.
а для водослива с широким порогом (по М. Д. Чертоусову и Р. Р. Чугаеву).
и .
Движение спокойного потока выше сечения 1−1 будет плавно изменяющимся, а на участке между сечениями 1−1 и 1'-1' резко изменяющимся со значительной кривизной линий тока. Вследствие этого распределение давлений в сечении над ребром стенки падения отличается от гидростатического.
При свободном падении струи избыточное давление в нижних точках потока в сечении 1'-1' равно нулю.
Суммарная сила избыточного давления в сечении 1'-1' над ребром стенки падения составит по В. Н. Попову.
.
т. е. в раз меньше силы избыточного давления покоящейся жидкости при тех же площади и глубине погружения центра тяжести.
По экспериментальным данным при свободном доступе воздуха под струю и боковых стенках, ограничивающих падающую струю, =0,333; при истечении струи в атмосферу =0,2; при отсутствии доступа воздуха под струю =0. плотина водослив гидравлический русло Для удовлетворительной работы перепада необходим доступ воздуха в подструйное пространство.
Щелевые водосливы на входе. Если ширина входной части рассчитана на пропуск только одного значения расхода, то при других расходах в канале будет наблюдаться кривая подкора (увеличение глубин) или кривая спада (уменьшение глубин).
В первом случае скорости будут уменьшаться и в канале может начаться заиление. Увеличение глубин при подпоре приводит к необходимости предусматривать большие запасы высоты бортов канала, чтобы не допустить перелив воды через борта. При спаде, наоборот, скорости воды увеличиваются и может происходить размыв.
В связи с указанными особенностями работы канала для обеспечения движения, близкого к равномерному, проектируют или водослив с изменяемой высотой порога (разборный порог, состоящий из нескольких перегораживающих поток горизонтальных балок, которые по мере необходимости убираются), или водосливы, автоматически поддерживающие равномерное движение в канале при изменении расходов в некотором диапазоне.
В общем случае такой водослив должен иметь криволинейное сечение, нормальное к направлению потока (рис. 2). Равномерное движение поддерживается таким водосливом при изменении расходов от до .
Рис. 2.
Рис. 3.
Обычно применяют щелевые водосливы с трапецеидальным сечением, состоящие из одной или нескольких щелей (рис 3).
Принимая глубину в плоскости щелевого водослива равной, получим среднюю ширину трапецеидального сечения в этой плоскости.
.
где — угол наклона откосов трапецеидального сечения водослива.
Чтобы меньше нарушать условия равномерного движения, в данном расчете принимают два промежуточных значения расхода: и и назначают их так, чтобы соответствующие им значения нормальных глубин в канале равнялись.
; (4).
(5).
где и — нормальные глубины при и соответственно.
Обозначая, для неподтопленного трапецеидального водослива с боковым сжатием имеем.
.
отсюда.
. (6).
Тогда при принятых и.
(7).
Равномерное движение при расходах и будет сохранено при выполнении условия.
где — высота порога на входе (если); - напор над порогом.
Из (8) определяются и при назначенных и .
Следовательно, из (7) определяются ширина по дну щели водослива.
и коэффициент откоса.
. (10).
В формулах (9) и (10) скоростной напор в канале на подходе к водосливу не учитывается, т. е. и .
Для щелевых водосливов практического профиля коэффициент расхода по Е. А. Замарину принимается в зависимости от напора (табл. 1).
Таблица 1.
м. | м0,5/с. | м. | м0,5/с. | |||
<1,0. 1,5. |
|
|
|
|
| |
Коэффициент бокового сжатия принимают обычно равным приблизительно 0,9−0,95 без учета бокового сжатия =1.
Количество щелей определяется по зависимости.
(11).
где — ширина подводящего канала.
Таким образом, сначала определяем глубины и затем соответствующие им расходы и. Найдя требуемое число щелей водослива, округляем и находим приходящиеся на одну щель значения и .
Затем расчет ведем по формулам (7) — (10), подставляя вместо и вместо .
В конце расчета целесообразно построить кривые для канала и для водослива, а затем проанализировать, какие условия работы подводящего канала получены.
Выходная часть. Для расчета ступени и сопряжения за одноступенчатым перепадом необходимо знать характерные глубины .
При прямоугольном поперечном сечении эти глубины определяются с помощью функции для чего вычисляется, где высота стенки падения включает и высоту порога на входе, если он имеется.
По рекомендации Ю. С. Алексеева для перепадов без входного порога и бокового сжатия коэффициент скорости может быть принят по графику рис. 4 в зависимости от отношения, для перепадов с порогом на входе и боковом сжатии коэффициент скорости принимается по графикам рис. 5, а, б.
Рис. 4 Рис. 5
При боковом сжатии коэффициент зависит от комплекса (- средняя ширина подводящего русла).
Сопряжение с потоком в отводящем русле обычно проектируется в виде надвинутого гидравлического прыжка, если поток в нижнем бьефе находится в спокойном состоянии, а прыжок отогнан ().
Для создания надвинутого прыжка могут быть применены водобойный колодец, водобойная стенка или комбинированный водобойный колодец. Длина водобойного колодца или расстояние до водобойной стенки определяется по формулам (9), (9а).
При этом обязательно следует учитывать, что высота падения в этих формулах включает и высоту стенки падения, и высоту водосливного порога (при), глубину водобойного колодца (при его наличии).
При бурном состоянии потока в отводящем русле будет кривая подпора, если, или кривая спада, если .
Многоступенчатые перепады. Число ступеней многоступенчатого перепада N определяется на основе технико-экономических расчетов.
Входная часть многоступенчатых перепадов рассчитывается так же, как и входная часть одноступенчатых перепадов.
Ширина перепада обычно постоянная как на входе, так и на всех ступенях. Входная часть рассчитывается с учетом бокового сжатия (если оно имеется). Перепады могут иметь горизонтальные ступени, ступени с прямым () или обратным () уклоном.
Рис. 6.
Рассмотрим перепады с горизонтальными ступенями, в частности перепады без водобойных стенок, устраиваемых в концах ступеней (рис. 6).
При падении на ступени в сжатом сечении образуется глубина, при этом. С увеличением глубин (кривая подпора) удельная энергия сечения будет уменьшаться и даже может рассеяться до минимального значения при глубине в сечении 1−1, равной. Такая схема может наблюдаться при определенной длине ступени (рис. 6, а), равной.
.
где — длина кривой подпора типа от сечения с глубиной до сечения 1−1, где глубина равна — длина участка между сечениями 1−1 и 1'-1', равная. Индекс «кр» означает наличие глубины, созданной в конце ступени без образования гидравлического прыжка.
При длине ступени на расстоянии образуется гидравлический прыжок с последующим уменьшением глубины от до в сечении 1−1. В этом случае длина ступени (рис. 6, б).
.
где — длина кривой спада типа .
При длине ступени на всей ступени поток будет находиться в бурном состоянии, и в конце ступени глубина будет меньше (рис. 6, в). При этом может происходить нарастание кинетической энергии вниз по течению при переходе потока со ступени на ступень. Движение принимает вид, показанный на рис. 7. Условия сопряжения с потоком в нижнем бьефе за таким перепадом, на ступенях которого не выполняются требования гашения кинетической энергии, будут тяжелыми.
Рис. 7.
Без водобойных стенок длина ступеней получается весьма значительной или необходимого гашения кинетической энергии не происходит.
Придание ступеням обратного уклона позволяет сократить длину ступеней, кроме того, это достигается устройством водобойных стенок в конце ступеней. Такие перепады называются колодезными (рис. 8). В конце каждой ступени, кроме последней, устраиваются водобойные стенки, обеспечивающие создание на ступени глубины, равной (- степень затопления гидравлического прыжка на ступени).
На ступенях образуется подпертый гидравлический прыжок, длина которого принимается равной. Определение сопряженных глубин, а также расчет высоты водобойной стенки не отличаются от ранее приведенного, т. е.
.
где; - напор над гребнем водобойной стенки, работающей как водослив.
Рис. 8.
При расчете необходимо учесть подтопление водослива, если оно возможно.
Вертикальные размеры ступеней определяются на основе одного из двух условий:
1) равенства перепадов между отметками уровней воды на каждой ступени.
.
где — разность отметок уровней воды в подводящем и отводящем руслах;
2) равенства разности отметок дна соседних ступеней.
.
где — разность отметок дна в верхнем и нижнем бьефах перепада.
Расчет выходной части сводится к расчету сопряжения с надвинутым прыжком, если в отводящем русле поток находится в спокойном состоянии, или к расчету кривых подпора или спада, если поток в отводящем русле находится в бурном состоянии.
При проектировании водобойного колодца или водобойной стенки обычно ширина выходной части принимается равной ширине входной части и ступеней.