Водобойный колодец

Водобойный колодец (рис.2.8) глубиной для затопления гидравлического прыжка должен обеспечивать в месте его образования глубину спокойного потока выше второй сопряженной :

(2.18)

Рис.2.8. Схема водобойного колодца

С учетом коэффициента затопления прыжка глубину определяют по формуле

(2.19)

Устройство колодца увеличивает первоначальную высоту стенки падения p, поэтому глубину колодца определяют методом последовательного приближения.

Первоначально глубину и определяют так же, как и в перепадах. Пренебрегая в первом приближении величиной и полагая , находят по формуле (2.19) глубину колодца .

Во втором приближении расчет производят аналогично, но глубины и определяют с учетом высоты падения на величину , т. е. принимают .

Обычно второе приближение можно принять за окончательное. Поэтому в формуле (2.19) используют в случае пренебрежения перепадом на выходе из колодца . Если учитывают, то принимают . Выход из колодца работает как подтопленный водослив с широким порогом, и перепады отметок на выходе определяют по формуле

(2.20)

где - коэффициент скорости, принимаемый равным 0,95.

Длину водобойного колодца принимают равной дальности полета струи и длине подпертого гидравлического прыжка

(2.21)

Пример расчета

Исходные данные:

Расход - 9 куб.м/сек; глубина потока в верхнем бьефе - 1,16 м; высота перепада - 1,5 м; подводной канал трапецеидального профиля (коэф. заложения откосов - 1,5; ширина по низу - 1,3 м; коэффициент шероховатости 0,03; уклон русла - 0,004); отводной канал трапецеидального профиля (коэф. заложения откосов - 1,5; ширина по низу - 1,3 м; коэффициент шероховатости 0,03; уклон русла - 0,001); Перепад и водобой перепада облицован бетоном (коэффициент шероховатости 0,014).

Решение.

Нормальная глубина на водобое равна 1,41 м.

Определяем глубину в сжатом сечении за перепадом из уравнения(2.1)

= ;

Так как используется простейший водослив на перепаде, то коэффициент сжатия - e, принимаем равным единице. Коэффициент скорости определяем в зависимости от = , j = 0,92. Скорость на гребне падения -

м/с.

= ; = 0,75 м.

Определяем вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка относительно глубины в сжатом сечении =1,67.

Определяем глубину колодца в нулевом приближении, принимая =1,2 и =0.

=1,2*1,67 - 1,41 = 0,59 м.

Определяем глубину в сжатом сечении за перепадом с учетом увеличения высоты падения на перепаде. Получаем =0,72 м

Определяем вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка относительно глубины в сжатом сечении =1,72 м.

Определяем величину перепада по формуле (2.20), принимая =1,05 и j = 0,95

м.

. Определяем глубину колодца в первом приближении

=1,05*1,72 - (1,41+0,19) = 0,19 м.

Определяем глубину в сжатом сечении за перепадом с учетом увеличения высоты падения на перепаде. Получаем =0,74 м

Определяем вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка относительно глубины в сжатом сечении =1,68 м.

Определяем величину перепада по формуле (2.20), принимая =1,05 и j = 0,95.

м.

. Определяем глубину колодца во втором приближении

=1,05*1,72 - (1,41+0,18) = 0,17 м.

Дальнейшее уточнение глубины колодца не имеет смысла.

Определяем длину колодца по формуле (2.12)

+3*1,68 = 7,93 м.

Водобойная стенка

Водобойные стенки (рис.2.9) рассчитывают исходя из тех же принципов, что и водобойные колодцы. Разница лишь в том, что перед водобойной стенкой, работающей как водослив с тонкой стенкой, образуется подпор, и необходимо проверять условия сопряжения бьефов ниже стенки. Высоту стенки определяют по формуле

(2.22)

где степень затопления водослива;

Н - напор перед стенкой относительно ее гребня.

Рис.2.9. Схема водобойной стенки

Напор перед стенкой определяют в первом приближении из условия работы водобойной стенки как неподтопленного водослива; при этом коэффициент расхода принимают .

Полный напор перед стенкой вычисляют по формуле

(2.23)

Затем определяют глубину в сжатом сечении за перепадом (см. расчет перепада). Принимая = , определяют вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка .

Величину статического напора находят из выражения

(2.24)

где - ширина стенки водослива.

Далее проверяют режим работы стенки - не является ли она подтопленной. Для возникновения подтопленного режима необходимо выполнение двух условий:

1. (2.25)

2. (2.26)

Значения определяются по графику приведенному на рис.2.3.

Если оба эти условия выполняются, то стенка работает как подтопленная и ее высоту можно уменьшить. Для определения высоты такой стенки необходимо построить график зависимости расхода от высоты стенки, используя данные, ранее полученные при расчете стенки. Расход через подтопленный водослив с тонкой стенкой определяется по формуле

(2.26)

где - коэффициент подтопления, величину которого можно определить по формуле

(2.27)

С учетом величин, полученных в расчете стенки, работающей как незатопленный водослив, получаем

(2.28)

. (2.29)

По полученному графику определяют новое значение высоты водобойной стенки.

При расчете водобойных стенок обязательно проверяют тип сопряжения ниже водобойной стенки. Если оказывается возможным надвинутый или затопленный прыжок, то требуется установка стенки меньшей высоты.

Методика расчета второй стенки (а в некоторых случаях и третьей) водобойной стенки та же, что и первой. Запас удельной энергии над гребнем водобойной стенки составляет

Расстояние от стенки падения до водобойной стенки определяют так же, как и длину водобойного колодца.

Пример расчета

Исходные данные.

Используем данные примера расчета одноступенчатого перепада

Решение.

Напор перед стенкой определяют в первом приближении из условия работы водобойной стенки как неподтопленного водослива; при этом коэффициент расхода принимают .

Полный напор перед стенкой вычисляют по формуле

м

Затем определяют глубину в сжатом сечении за перепадом (см. расчет перепада). Принимая = , определяют вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка .

Величину статического напора находят из выражения

м.

где - ширина стенки водослива.

Определяют высоту стенки =1,05*2,49-1,76= 0,85 м.

Далее проверяют режим работы стенки - не является ли она подтопленной. Для возникновения подтопленного режима необходимо выполнение двух условий:

1. = 1,53 - 0,85 =0,68 > 0

2. ; (1,76+ 0,85 - 1,53)/0,85 = 1,08 > 0,75 - водослив неподтопленный.

Методика расчета второй стенки (а в некоторых случаях и третьей) водобойной стенки та же, что и первой. Запас удельной энергии над гребнем водобойной стенки составляет

Дальнейшие расчеты показали, что требуется большое число стенок для гашения энергии потока (р2= 0,65; р3= 0,55; р4= 0,51). Поэтому необходимо изменить уклон водобоя. Примем что уклон водобоя равен 0,002. Тогда нормальная глубина в отводящем русле будет равна 2,25 м.

= (1,76+ 0,85 - 2,25)/0,85 = 0,43 < 0,75 - водослив подтопленный

Если оба эти условия выполняются, то стенка работает как подтопленная и ее высоту можно уменьшить. Для определения высоты такой стенки необходимо построить график зависимости расхода от высоты стенки, используя данные, ранее полученные при расчете стенки. Расход через подтопленный водослив с тонкой стенкой определяется по формуле

где - коэффициент подтопления, величину которого можно определить по формуле

С учетом величин, полученных в расчете стенки, работающей как незатопленный водослив, получаем

.

По полученному графику определяют новое значение высоты водобойной стенки.

Высота стенки будет равна 0,53 м Длина водобоя получается равной:

Быстроток

Быстротоком называется русло с уклоном дна более критического.

Гидравлический расчет быстротока сводится к расчету входной части, лотка быстротока и выходного участка

Часто входной участок быстротока устраивается более узкий, чем подводящее русло. В этом случае расчет ее ведется по формулам водослива с широким порогом (рис.2.10а,б) или водослива практического профиля (рис.2.10в). Исходя из условий поддержания в верхнем бьефе заданной глубины h. определяется ширина лотка быстротока

(2.30)

где ( -скорость подхода к водосливу);

m - коэффициент расхода водослива.

Рис.2.10. Типы входных участков быстротоков

Ширина прямоугольного лотка быстротока гидравлически наивыгоднейшего сечения определяется по формуле Ю.Н.Даденкова [4]

(2.31)

Если входная часть быстротока устраивается такого же сечения, как и лоток быстротока, глубина в конце входной части(на изгибе) принимается равной критической. Если нормальная глубина на быстротоке то по данным В.А.Большакова глубина на изгибе [4].

Расчет лотка быстротока сводится к определению глубины в конце быстротока и построению кривой спада. Параметры кривой спада определяются по зависимостям неравномерного установившегося движения (см. раздел 1).

Если длина кривой спада от начала быстротока до глубины нормальной на быстротоке окажется меньше длины быстротока, то необходимо определить глубину в конце быстротока.

При больших скоростях поток на быстротоке аэрирует, что приводит к увеличению глубины. Учет аэрации потока, также вопросы применения в лотке повышенной шероховатости рассмотрены в специальной литературе.

Быстроток сопрягается с участком канала, уклон которого меньше критического. На этом участке возникает гидравлический прыжок. Местоположение этого прыжка зависит от уклона отводящего канала. Для уменьшения длины сопрягающего участка на выходе из быстротока устраивают водобойное сооружение (колодец или стенка).

При отсутствии водобойного сооружения местоположение гидравлического прыжка устанавливается как в случае резкого изменения уклона дна канала (см. раздел 1).

Расчет водобойных колодцев на выходных участках быстротоков имеет некоторые особенности.

Если колодец устраивается с уступом типа перепада, то необходимо определить глубину на стенке падения, построив кривую спада. Дальнейший расчет не отличается от традиционного (см. выше). Длину таких колодцев определяют по формуле

(2.32)

При больших продольных уклонах (0,25...0,40) водобойный колодец устраивается по схеме показанной на рис.2.11 [3].

Рис.2.11. Схема водобойного колодца

В этом случае определяют глубину в конце быстротока и находят сопряженную с ней глубину . Тогда глубина водобойного колодца будет равна:

а) с учетом перепада на выходе из колодца

(2.31)

б) без учета перепада

(2.32)

Длину водобойного колодца в этом случае определяют только как длину подпертого гидравлического прыжка.

Пример расчета

Исходные данные

Подводящий и отводящий каналы трапецеидального поперечного сечения, ширина по дну - 1 м, заложение откосов - 1,0, продольный уклон - 0,005, коэффициент шероховатости - 0,025.

Быстроток также трапецеидального поперечного сечения, ширина по дну - 1 м, заложение откосов - 1,0, продольный уклон - 0,1, коэффициент шероховатости - 0,014, длина - 50 м.

Решение.

Нормальная глубина в отводящем и подводящем каналах - 1,04 м. Нормальная глубина быстротока - 0,35 м. Критическая глубина - 0,90 м.

Глубина на изгибе равна 0,75 =0,78 м, так как .

Для определения глубины потока в конце перепада построим кривую спада. Параметры кривой спада определяем методом Б.А.Бахметева (см. раздел 1). Результаты расчетов приведены в нижеследующей таблице.

Таким образом, глубина потока в конце быстротока будет 0,37м.

Определяем по уравнению гидравлического прыжка 1,74 м и 0,73 м. Так как . При отсутствии водобойного сооружения будет иметь место отогнанный гидравлический прыжок. Скорость на выходе из быстротока будет равна При такой скорости требуется защита канала бетоном. Длина кривой подпора в бетонном канале (коэф. шероховатости - 0,014) с глубины 0,37 м до 0,73 м, определенная методом Б.А.Бахметева составит 146,8м.

Для гашения энергии потока запроектируем водобойный колодец по схеме, приведенной на рис.2.11.

Определяем величину перепада по формуле (2.20), принимая =1,05 и j = 0,95

м.

. Определяем глубину колодца в первом приближении

=1,05*1,74 - (1,04+0,26) = 0,53 м.

Определяем длину колодца

= 3*1,74 =5,22 м. Принимаем 5,5 м.

(а - свободное растекание б - несвободное растекание в - сбойные течения )

Поиск по сайту: