Проектирование водоотводных канав

Прямолинейные канавы длиной до 200 м с постоянным уклоном дна рассчитываются по формуле Шези (1.1). При этом возможно решение трех типов задач.

1. Расчет расхода. По известному поперечному профилю канавы, его размерам и шероховатости стенок и дна, а также уклону дна определяется по формуле (1.1) величина расхода. В случае, если канава имеет неоднородную шероховатость дна и откосов, вычисляют приведенный коэффициент шероховатости по приближенной формуле

(1.40)

где - части смоченного периметра канавы с коэффициентами шероховатости .(Значения коэффициента шероховатости см. приложения 1 или [2,3]).

2. Определение уклона. По известному поперечному профилю канавы, его размерам и шероховатости стенок и дна, также величине расхода необходимо определить уклон дна, при котором движение будет равномерным. Расчет производится по преобразованной формуле Шези

(1.41)

3. Определение глубины потока в канаве. По известному поперечному профилю канавы, его размерам и шероховатости стенок и дна, уклону дна, а также расходу воды определяют глубину воды, т.е. нормальную глубину. Эту задачу решают подбором такого значения h, при котором удовлетворяется формула Шези.

Запроектированные канавы необходимо проверить на неразмываемость и незаиливаемость.

Средняя скорость течения в канаве должна быть не менее той, при которой начинается осаждение наносов и заиливание канавы. Нижний предел скорости, определяемый условием незаиливаемости канавы, называется незаиливающей скоростью. Значения этой скорости можно определить по приложению 7. Для практических расчетов, когда насыщенность потока наносами крупнее 0,25 мм не превышает 0,01% по весу, при R = 1м незаиливающая скорость может быть определена по данным табл.1.1.Для канав с м значения умножаются на .

Приближенные значения незаиливающей скорости Таблица 1.1.

d, мм		d, мм		d, мм
0,1	0,22	0,4	0,82	1,5	1,03
0,2	0,45	0,8	0,90	2,0	1,10
0,4	0,67	1,0	0,95	3,0	1,11

Верхний предел средней скорости потока в канаве, определяемый из условия отсутствия размыва потоком грунта канавы или укрепления, называется допустимой (неразмывающей) скоростью.

Допустимая скорость зависит от характеристик грунта канавы или укрепления ее поверхности, от глубины потока, формы ее поперечного сечения и характеристик турбулентности потока. Значения допустимой скорости можно приближенно определить по приложениям 2,3,4. Более точные методы описаны в специальной литературе [3,4].

Канавы большой протяженности рассчитываются последовательно, по отдельным участкам. Границы участков назначают в соответствии с точками перегиба продольного профиля канавы. При наличии участков постоянного уклона дна длиной более 200 м, канаву разделяют на отдельные участки длиной 100 - 200 м.

Расчетный расход каждого участка определяют по формуле

(1.42)

где - расчетные расходы соответственно рассматриваемого и предыдущего участков канавы;

- приток воды с водосборного бассейна непосредственно к рассматриваемому участку.

При различных уклонах дна канавы расчет ведут в следующем порядке:

1. Определяют расчетные расходы участков по формуле (1.42).

2. Для каждого участка находят нормальные и критические глубины, а также критические уклоны потока.

3. Строят и анализируют схематический продольный профиль канавы с линиями нормальных и критических глубин.

4. Строят примерное очертание свободной поверхности потока в предположении бесконечной протяженности отдельных участков.

5. Рассчитывают длины кривых подпора, спада и параметры гидравлических прыжков (при их возникновении).

6.Строят уточненное очертание свободной поверхности потока на всех участках канавы.

7. Определяют средние скорости движения потока на различных его участках и подбирают типы укрепления или проверяют на незаиливаемость.

8. Выполняют повторный расчет канавы с учетом конкретных типов укрепления отдельных ее участков.

Пример расчета

Исходные данные.

Выполнить расчет водоотводного канала, состоящего из 3 участков, и пропускающего расход Q = 9 куб.м/с. Канал трапецеидального поперечного сечения с одернованными стенками и земляным дном (коэффициент шероховатости 0,03), ширина по дну 1,3 м; заложение откосов 1,5. Уклон 1-го участка - 0,003; 2-го - 0,005; 3-го - 0,020.

Решение

1. Определяем значение расходной характеристики для каждого участка канала - . Ïî çàäàíèþ Q= 9 êóá.ì/ñ. Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ ñâåäåì â òàáë. 1.2.

Òàáëèöà 1.2

Õàðàêòåðèñòèêè	1 ó÷àñòîê	2 ó÷àñòîê	3 ó÷àñòîê	1 ó÷àñòîê
Óêëîí	0,003	0,005	0,020	0,003
.	164,316	127,279	63,64	164,316

Зададимся рядом значений глубин потока h 1, h 2 ,..., h n, для которых рассчитываются значения расходных характеристик K 1, K2,..., K n,

g - ускорение силы тяжести, м/с.

Для русл произвольного поперечного сечения критическая глубина может быть определена подбором.

Перепишем уравнение (2) для условия - трапециидальный канал

; = =1,009;

Подбором получаем = 1,16 м

Критический уклон I к, т.е. уклон дна русла, при котором глубина равномерного движения (нормальная глубина h о) равняется критической глубине h к, определяется по формуле:

= =1,3+2*1,16* =5,482 м.

= 30,966 м / c ;

B k = = 1,3+2*1,5*1,16= 4,78 м.

Подставляя полученные значения в формулу, получаем I k = 0,009.

3. Построение кривых свободной поверхности потока

По результатам расчетов можно построить схематический чертеж канала(Рис.1.14), на котором показаны расположение трех гидравлических осей на каждом участке канала: линии нормальных глубин; линии критической глубины; линии дна. Расположение этих осей позволяет выяснить условия сопряжения потока при изменении продольного уклона. В конце первого участка может быть только выпуклая кривая спада (типа b1). Второй и третий участки могут сопрягаться только двумя кривыми - спада до критической глубины (типа b1) и кривой спада до нормальной глубины (типа b2). Сопряжение третьего и четвертого участков должно происходить с образованием гидравлического прыжка. Для определения места расположения этого прыжка рассчитаем вторую сопряженную глубину прыжка, если первая равна . Расчет выполним по формуле Рахманова (1.21)

Так как отношение сопряженных глубин меньше двух, то будет возникать прыжок-волна. Для прыжка волны вторую сопряженную глубину определим по формуле (1.28)

Так как 1,38< 1.55 (), то прыжок будет образовываться на третьем участке. За прыжком с глубины 1,38 м до глубины 1,55 м будет иметь место кривая подпора (типа а2).

Рис.1.14. Схематический чертеж канала

4. Определение длин сопрягающих кривых

Для определения длин сопрягающих кривых используем метод Б.А. Бахметева. При прямом уклоне дна потока:

где - относительные глубины, соответственно равные

h1 и h2 - глубины потока соответственно в конце и начале участка длиной l.

, - функции гидравлического показателя x è относительной глубины потока (см. приложение 8).

Для расчета промежуточных значений гидравлического параметра необходимо применять формулу

где а и b - табличные значения гидравлического показателя х.

Параметр . определяется выражением:

Средние значения ширины канала поверху , смоченного периметра и коэффициента Шези определяются зависимостями:

Результаты расчетов приведены в таблице.

Таблица 1.4

Продолжение табл.1.4

Длину прыжка волны определим по формуле (1.31)

Форма свободной поверхности потока, с учетом выполненных расчетов, приведены на рис.1.15.

Рис.1.15. Форма свободной поверхности потока в канале

4. Определение скоростей движения и подбор типа крепления

Для подбора типа укрепления необходимо определить средние скорости движения потока по формуле .

При ho1=1,55 м и ho4=1,55 м - = 1,62 м/с.

При; ho2= 1,38 м - - = 1,93 м/с

При; ho3= 1,16 м - - = 2,55 м/с

При; ho3= 1,0 - - = 3,21 м/с

Рис.1.16. График для определения типа укрепления канала

(1- укрепление одерновкой плашмя; 2 - укрепление одерновкой в стенку;

3-каменная наброска булыжником среднего размера с примесью гравия;

4-укрепление бетонными плитами)

Если известен состав переносимых наносов, то по данным приложения 5 можно сделать вывод о возможности заиливания отдельных участков канала.

Для подбора типа укрепления удобно построить специальный график (Рис.1.16), прямые линии на котором построены по данным приложения 4

Анализ графика позволяет сформулировать следующие рекомендации:

- первый и четвертый участки должны быть укреплены методом одерновки в стенку;

- второй участок канала до кривой спада должен быть укреплен методом одерновки в стенку;

- второй участок канала на кривой спада и третий участок канала на кривой спада должен быть укреплен каменной наброской;

- третий участок канала за кривой спада и до кривой подпора за гидравлическим прыжком должен быть укреплен бетонными плитами.

В связи с тем, что на третьем участке существенно изменился коэффициент шероховатости, для этого участка необходимо произвести уточняющий расчет.(Расчет не приводится, так как он аналогичен выше приведенному).

Поиск по сайту: