Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидравлический расчет канала при равномерном движении жидкости

канал плотина водозаборный гидравлический

При равномерном движении жидкости в каналах расход Q, глубина h, уклон дна канала i, размеры канала w, его форма поперечного сечения, а так же коэффициент шероховатости n остаются постоянными по длине канала при этом уклон свободной поверхности равен уклону дна. Это и есть равномерное движение жидкости в канале. Тогда расход воды, проходящий в этом канале, может быть определен по формуле Шези:

, где

i - уклон дна канала;

-площадь живого сечения для трапециидального канала она будет равняться:

, где

m - коэффициент заложение откоса, применяется в зависимости от грунтов залегающих в каналах;

b - ширина канала по дну;

h - глубина воды.

Смоченный периметр для трапециидального канала:

Гидравлический радиус:

Коэффициент Шези определяется по формулам:

1. Павловского

, где

y - показатель зависящий от степени шероховатости;

2. Манинга , данная формула используется для предварительных расчетов;

3. Агроскина , где

n - коэффициент шероховатости русла зависит от грунтов слагающих русло каналов и определяется по справочникам;

i - уклон дна канала.

1.1 Гидравлический расчет деривационного канала

Определение размеров канала при нормальном расходе

Гидравлический расчет деривационного канала производим методом подбора при этом задаются различные глубины воды в канале, и рассчитываем расходные характеристики:

.

Весь расчет производим в табличной форме.

1)м³/с

Таблица 1. Определение глубины воды в деривационном канале

№	h, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с	К, м3/с
1	0					0	0
2	0,5	6,81	14,6	0,47	36,28	3,4688	169,209
3	1,0	14,25	16,2	0,88	39,32	10,77	525,36
4	1,5	22,31	17,8	1,25	41,12	21,008	1024,78
5	2,0	31,0	19,4	1,6	42,40	34,04	1660,48
6	2,5	40,31	21	1,92	43,37	49,47	2413,17
7	3,0	50,25	22,6	2,22	44,18	67,78	3306,34

2)м²

Расчёты для h=0,5 м

b - ширина первого участка по дну (b=13 м)

m_коэффициент заложения откоса супесчаного грунта=1 [Л 2. Табл.П. 3]

3) м

4)м

5)м^0,5/с

где:

n - коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,025 [Л 2. Табл.П. 2] (Для грунта: тяжёлые суглинки)

6) м³/с

где:

_площадь живого поперечного сечения

C - коэффициент Шези.

R_гидравлический радиус

i_уклон дна канала.

7)м³/с

На основании таблицы 1, по значениям глубины воды в канале h и расходной характеристики K, строится график.

Рис. 2. График зависимости h=f(K) для определения глубины при нормальном расходе в деривационном канале

h_o=2,07 м

Определяем основные параметры канала при ho=1.95 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

Таблица 2. Основные параметры деривационного канала

h, м	b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
2,07	13	32,266	19,624	1,644	42,564	36,08

Проверка деривационного канала на заиление и размыв.

Производим проверку канала на заиление и размыв при этом средняя скорость движения воды в канале должна быть больше заиляющей скорости, но меньше размывающей скорости.

VразVсрVзаи

Размывающая скорость (V_раз.) - это максимальная не размывающая скорость, которая зависит от грунтов, слагающих русла каналов и определяется по справочникам.

Заиляющая скорость (V_з) - минимальная незаиляющая скорость, которая зависит от взвешенных наносов, находящихся в воде.

Для предварительных расчетов незаиляющую скорость можно определить, как:

V_З= =м/c

V_pм/с [Л 2. Табл.П. 1] для грунта: тяжёлые суглинки

V_cp м/с

V_рV_срV_з (1,2 м/с >1,12 м/с >0,33 м/с)

Таким образом средняя скорость обеспечит неразмыв и незаиливание.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

м.

Определение глубины воды в канале при форсированном расходе

Определяем глубину воды в канале h₀ при равномерном движении, канал трапецеидального сечения, известны

Q _фор = 1,1* Q _норм. =1,1*36= 39,6 м³/с

ширина канала по дну b = 15 м,

уклон дна 1 канала i = 0.00042

К_фор = Qф/

где К - расходная характеристика

К_фор=39,6/(0,00042)^0,5=1980 м³/с

По графику зависимости h=f(K) определяем h_фор при К_фор=1980 м³/с

Рис. 3. График зависимости h=f(K) для определения глубины при форсированном расходе в деривационном канале

h_фор= 2 м

Определив значения глубины воды в канале h_o, определяем параметры канала.

Таблица 3 Основные параметры деривационного канала при Q_фор.

h, м	b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
2,19	113	34,465	20,008	1,722	42,8118	39,68

Проверка участка канала на размыв и заиление при Q_фор.

При минимальном расходе:

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср = Q_фор./щ

V_ср.= 39,6/34=1,16 м/с

V_З=

V_з.= 0,3 *1,13= 0.34 м/с

Допустимую не размывающую скорость для тяжёлых суглинок определяем по таблице [Л 2. Табл.П. 1]:

V_р.= 1,2 м/с

V_рV_срV_з (1,2 м/с >1,16 м/с >0,34 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение деривационного канала:

Рис. 4. Поперечное сечение деривационного канала, масштаб 1:100

1.2 Гидравлический расчет I_го участка сбросного канала

При расчете I_го участка сбросного канала принимаем глубину воды в канале h=h₀=1,95 м (глубина воды в деривационном канале) и определяем основные параметры I_го участка сбросного канала.

Расчет производим методом подборов в табличной форме.

m_коэффициент заложения откоса для песчано-гравелистого грунта=1,5 [Л 2. Табл.П. 3]

n - коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,0275 [Л 2. Табл.П. 2] (для песчано-гравелистого грунта)

Таблица 4. Определение ширины I_го участка сбросного канала по дну

b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
5	16,777	12,452	1,347	37,74	1,74
10	27,127	17,452	1,554	38,42	24,30
15	37,477	22,452	1,669	38,76	35,10
20	47,827	27,452	1,742	38,97	46,02

Расчёты для b=5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

На основание таблицы № 4, по значениям b и Q, строится график и для заданного значения расхода определяем ширину канала по дну.



Рис. 5. График зависимости b=f(Q) для определения ширины канала по дну при заданном расходе на I_ом участке сбросного канала.

b=14,9 м =14 м

Определив значение ширины канала по дну на I_ом участке сбросного канала, определяем параметры канала.

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

Таблица 5. Основные параметры I_ого сбросного канала

h, м	b, м2	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
0	14	0	0	0	0	0
0,5	14	7,32	15,8	0,46	32,9	3,076
1,0	14	15,5	17,6	0,88	35,78	9,73
1,5	14	24,37	19,4	1,25	37,39	19,31
2,0	14	34	21,21	1,6	38,56	31,02
2,5	14	44,37	23,01	1,93	39,47	45,85
3,0	14	55,5	33,5	1,65	38,71	51,62
2,15	14	37,03	21,75	1,7025	38,86	35,1

Проверка I_ого участка сбросного канала на заиление и размыв

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср = Q_норм./щ

V_ср =36,4 /38,8 =0,94 м/с

Находим незаиляющую скорость:

V_З=

V_З =0,3*1,126=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для песчано-гравелистого грунта определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 0,7-0,8 м/с

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном расходе канал подвержен размыву, так как V_ср > V_р (0,94 м/с >0,7-0,8 м/с)

Следовательно, проводим укрепление канала глиной.

Укрепление I_ого участка сбросного канала глиной

Значение коэффициента шероховатости n = 0.0225 [Л 2. Табл.П. 2]

Расчет производим в табличной форме, по прежним формулам.

Таблица 6. Определение глубины I_го участка сбросного канала по дну (с укреплением)

h, м	b, м2	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
0	0	0	0	0	0	0
0,5		7,32	15,8	0,46	32,9	3,076
1,0		15,5	17,6	0,88	35,78	9,73
1,5		24,37	19,4	1,25	37,39	19,31
2,0		34	21,21	1,6	38,56	31,02
2,5		44,37	23,01	1,93	39,47	45,85
3,0		55,5	33,5	1,65	38,71	51,62
5	15,45	12,03	1,28	46,3	15,18
10	25,2	17,03	1,48	47,4	27,21
15	35	22,03	1,58	48	40
20	44,7	27,03	1,65	48,3	52

Расчёты для b=5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

На основании таблицы № 5 по значениям b и Q строится график зависимости b=f(Q) и для заданного значения расхода определяем ширину канала по дну.

Рис. 6 График зависимости b=f(Q) для определения ширины I_го участка сбросного канала по дну.

b=13,3 м=14 м

Определив значения ширины I_го участка сбросного канала по дну, определяем параметры канала.

Таблица 7. Основные параметры I_ого сбросного канала

h, м	b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
1,95	14	33	21,03	1,57	48	37

Проверка I_го участка сбросного канала на размыв и заиление

V_ср = Q_норм./щ

V_ср =37/33= 1.12 м/с.

Находим незаиляющую скорость:

V_З=

V_З =0,3 1,57=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для глины определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1,2-1,8 м/с

V_разV_срV_заил (1,5 м/с >1,12 м/с >0,33 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 14+2*1,95*1,5 =19,85 м.

Определение параметров канала при форсированном расходе

Определяем глубину воды в канале h₀ при равномерном движении, канал трапецеидального сечения, известны

Q _фор = 1,1 Q _норм. = 39,6 м³/с

уклон дна i = 0.00035

В основании канала - глина.

m=1,5

n=0,0225

b=14 м

Таблица 8. Определение глубины при Q_фор

h, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
0	0	14	0	0	0
0,5	7,3	15,8	0,46	39,1	3,6
1	15,5	17,6	0,88	43,5	11,8
1,5	24,3	19,4	1,25	46,2	23,5
2	34	21,21	1,6	48	38,7
2,5	44,3	23	1,92	49,5	57,1

Расчёты для h=0,5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

По данным таблицы строим график и определяем h_фор.

Рис. 7 График зависимости h=f(Q) для определения глубины воды в I_ом сбросном канале при Q_фор

h_фор=2,1 м

Таблица 9. Параметров канала при форсированном расходе

h, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
2,1	36	21,5	1,67	48,4	42,1

Проверка I_ого участка сбросного канала с креплением на размыв и заиление при Q_фор

При минимальном расходе:

Средняя скорость воды в канале равна:

V_ср.= Q_фор./щ

V_ср.= 42,1/36=1,17 м/с

V_З=

V_З =0,3*1,136=0,34 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для глины определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1,2-1,8 м/с

V_разV_срV_заил (1,5 м/с >1,17 м/с >0,34 м/с)

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном и форсированном расходе канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение I_ого участка сбросного канала:

Рис. 8 Поперечное сечение I_ого участка сбросного канала, масштаб 1: 100

1.3 Расчет II_ого участка сбросного канала

Гидравлический расчет II_ого участка сбросного канала производится из условия гидравлически наивыгоднейшего сечения при этом величина

в==12

Определяются основные параметры этого канала и его поперечное сечение вычерчивается в масштабе, производится проверка на заиление и размыв.

Определение параметров II_ого участка сбросного канала.

Q=36 м³/с,

Грунт в основании канала - плотная супесь

n=0.025, [Л 2. Табл.П. 2]

m=1.7, [Л 2. Табл.П. 3]

i=0.00032

м³/с

Таблица 10. Определение глубины воды во II_ом сбросном канале.

h, м	b=вh, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с	K, м3/с
0	0	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
0,5	6	3,42	7,97	0,42	33,32	1,32	73,85
1	12	13,70	15,94	1,16	41,14	10,85	607,03
1,5	18	30,82	23,91	1,28	41,89	26,12	1460,65
2	24	54,80	31,88	1,71	44,12	56,55	3161,65
2,5	30	85,62	39,85	2,14	45,85	102,73	5742,77

Расчёты для h=0,5 м:

м²

м

м

м^0,5/с

м³/с

м³/с

На основании таблицы 10 строим график. По этому графику и по таблице определяем глубину воды в канале h₀.



Рис. 9 График зависимости h=f(K) для определения глубины воды во II_ом сбросном канале.

h_o=1,7 м

Определяем

b=h₀в=1,7*12=20,4 м ~ 21 м.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 21+2*1,7*1,7 =26,78 м.

Таблица 11. Основные параметры II_ого сбросного канала

h, м	b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с	B, м
1,7	21	40,6	27,7	1,46	43	37,7	26,78

Проверка II_ого участка сбросного канала на размыв и заиление

При нормальном расходе:

V_ср. = Q /щ =37,7/40,6=0,92 м/с

V_З=

V_З =0,3 1,1=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для плотной супеси определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1 м/с

V_разV_срV_заил (1 м/с >0,92 м/с >0,33 м/с)

Следовательно, можно сделать вывод, что при нормальном расходе канал не подвержен размыву и заилению.

Определяем ширину канала по верху B при нормальном расходе:

B= b+2*h*m= 20+2*1,675*1,7 =25,7 м.

Расчет глубины воды во II_ом сбросном канале при Qфор.

Q _фор = 39,6 м³/с

Грунт в основании канала - плотная супесь

n=0.025, [Л 2. Табл.П. 2]

m=1.7, [Л 2. Табл.П. 3]

i=0.00032

К_фор=39,6/(0,00032)^0,5=2213,77м³/с

Глубина h_фор определяем по графику зависимости h=f(K) при К_фор=2213,77 м³/с

Рис. 10 График зависимости h=f(K)

h_фор=1,75 м

Таблица 12. Основные параметры II_ого сбросного канала при форсированном расходе

h, м	b, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	Q, м3/с
1,75	21	42	28	1,5	43,1	39,66

Проверка II_ого сбросного канала при Q_фор на размыв и заиление

При форсированном расходе:

V_ср. = Q /щ =39,66/42=0,94 м/с

V_З=

V_З =0,3*1,1=0,33 м/с

Допустимую неразмывающую скорость для плотной супеси определяется по таблице [Л 2. Табл.П. 1]

V_р.= 1 м/с

V_разV_срV_заил (1 м/с >0,94 м/с >0,33 м/с)

При Q_фор и Qнор канал не подвержен размыву и заилению.

Строим поперечное сечение II_ого участка сбросного канала:

Рис. 11 Поперечное сечение 3_го участка канала, масштаб 1:100

1.4 Неравномерное движение жидкости в каналах

Неравномерное движение жидкости в канале характеризуется изменение площади и глубины воды в канале по его длине при нормальном расходе Q_нор. Перед водоприемником в конце этого канала глубина увеличивается до 1.6h₀, где h₀ - глубина при равномерном движении.

Выясним форму кривой свободной поверхности, критическую глубину, состояние потока и построим кривую свободной поверхности при условии, что длина этого участка равна длине кривой.

Определение критической глубины воды в каналах.

Глубина потока, при которой удельная энергия сечения для заданного расхода достигает минимума называется критической глубиной. Общее уравнение критического потока имеет вид:

Где _кр - площадь живого сечения при h=h_кр

В_кр - ширина канала по верху h=h_кр

Критическую глубину можно определить графическим способом.

, где

B - ширина канала по дну

m_коэффициент заложения откоса

- Коэффициент Кориолиса

Критическую глубину в канале (h_кр) определяется графическим способом, для чего составляем таблицу № 13.

Таблица 13. Определение критической глубины воды в деривационном канале

h, м	B, м	W, м2	W3, м6	W3/B, м5	бQ2/g, м3
0					145,3
0,5	16	7,75	465,5	29,1
1,0	17	16	4096	241
1,5	18	24,75	15161	842,3
2,0	19	34	39304	2068,6
2,5	20	43,75	83740,2	4187,01
3,0	21	54	157464	7498,3

Расчёты для h=0,5 м:

м

м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 13 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины в деривационном канале:



Рис. 12 График зависимости f=

h_кр=0,87 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 14. Параметры канала при h_кр=0,87 м

hкр, м	Bкр, м	Wкр, м2	Wкр3, м6
0,87	16,74	13,8	2632

Таблица 15. Определение критической глубины воды в I_ом сбросном канале.

h, м	B, м	W, м2	W3, м6	W3/B, м5	бQ2/g, м3
0					145,3
0,5	15,5	7,4	405,2	26,1
1,0	17	15,5	3724	219
1,5	18,5	24,3	14482,2	783
2,0	20	34	39304	1965,2

Расчёты для h=0,5 м:

м

м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 15 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины в I_ом сбросном канале:

Рис. 13 График зависимости f=

h_кр=0,9 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 16. Параметры канала при h_кр=0,9 м

hкр, м	Bкр, м	Wкр, м2	W3кр, м5
0,9	16,7	13,8	2628



Таблица 17. Определение критической глубины воды во II_ом сбросном канале.

h, м	B, м	W, м2	W3, м6	W3/B, м5	бQ2/g, м3
0					145,3
0,5	22,7	10,9	1304	57,4
1,0	24,4	22,7	11697	479,4
1,5	26,1	35,3	44080,5	1687

Расчёты для h=0,5:

м

м²

м⁶

м⁵

м⁵

По данным таблицы 17 строим график зависимости f= и определяем значение критической глубины во II_ом сбросном канале:



Рис. 14. График зависимости f=

h_кр=0,7 м

Определяем параметры канала при h_кр

Таблица 18. Параметры канала при h_кр=0,7 м

hкр, м	Bкр, м	Wкр, м	W3кр, м6
0,7	23,4	15,5	3747,7

Выясняем состояние потока:

Если: h > h_кр, П_к < 1 - спокойное состояние

h < h_кр, П_к > 1 - бурное состояние

h = h_кр, П_к = 1 - критическое состояние

1 Канал: h > h_кр (1,95 м> 0,87 м) и П_к<1 (П_к=0,84) - состояние потока спокойное.

2 Канал: h > h_кр (1,95 м > 0,9 м) и П_к<1 (П_к=0,84) - состояние потока спокойное.

3 Канал: h > h_кр (1,7 м > 0,7 м) и П_к<1 (П_к=0,82) - состояние потока спокойное.

Построение кривой подпора методом Н.Н. Павловского в деривационном канале

Кривой подпора называется линия свободной поверхности потока, глубина которой увеличивается в направлении потока.

Так как по длине потока увеличивается глубина и возрастает W, в канале будет наблюдаться явление подпора, и свободная поверхность потока будет иметь вид кривой подпора.

Для построения кривой подпора по длине канала определяем его конечную глубину, которая равна:

h _конеч. = 1.6 * h₀

Разбиваем значения от h₀ до h конечного на пять глубин, и производим расчет методом Н.Н. Павловского при гидравлическом показателе русла х=2.0 и уклоне дна канала .Тогда длина участка между глубинами воды может быть определена по следующей зависимости:

, ,

, где

, где

к - расходная характеристика

ко - расходная характеристика

z - коэффициент Павловского

- параметр кинетичности.

В-ширина канала по верху, ;

- смоченный периметр, ;

С - коэффициент Шези по Агроскину: ;

;

i - уклон дна канала.

Весь расчет кривой подпора производится в табличной форме

Таблица 19. Расчёт кривой подпора в деривационном канале

Исходные данные	№	h, м	W, м2	ч, м	R, м	B, м	C м0,5/с	К м3/с	z	Ф(z)	Пк	Пк ср	а	L, м
Qнор=36 м3/с канал трапециедальный n=0.025 m=1 b=15 м i=0,00042 hо=1.95 м hкр=0,87 м	1	1,95	33,0525	20,51543	1,611104	18,9	43,67023	1832,11	1,02	2,3	0,0827	0,0834	1,11	2698,3
	2	2,1	35,91	20,9397	1,714925	19,2	44,15082	2076,236	1,15	1,33	0,0841	0,0854	1,03	1810,2
	3	2,4	41,76	21,78823	1,916632	19,8	45,00658	2601,991	1,45	0,84	0,0867	0,0877	0,94	1122,35
	4	2,7	47,79	22,63675	2,111168	20,4	45,75055	3176,836	1,76	0,64	0,0888	0,0901	0,85	1314,35
	5	3,12	56,5344	23,82469	2,372933	21,24	46,65006	4062,634	2,26	0,47	0,0913

УL=6945,2 м

Расчёты для h=1.95 м:

м²

м

м

м

м³/с

м

Проверку расчета кривой подпора производим по крайним сечениям.

=

м

Процент ошибки определяется по формуле

Д=

Строим кривую подпора деривационном канале в масштабе:

Рис. 15 Чертёж кривой подпора в деривационном канале.

масштаб: горизонтальный … 1:30000

вертикальный … 1:100

Построение кривой спада методом И.И. Агроскина в I_ом сбросном канале

Расчет кривой спада выполняем по способу И.И. Агроскина

Кривая спада образуется перед сопрягающими сооружениями (перепад, быстроток) в конце I_го сбросного канала. Глубина в канале уменьшается до 0,7, при коэффициенте русла x=4,0 и i>0

При расчете кривых подпора и спада по Агроскину в руслах правильной формы поперечного сечения значения z и целесообразно вычислять по формулам Агроскина:

где

b_ширина русла по дну b=14 м.

нормальная глубина в русле при заданном расходе.

функция величина, которой определяется по [Л3. табл.XX111a]

функция величина которой, определяется по [Л3 табл.XX111b]

Определим м, разбиваем длину на 5 расчетных частей.

Расчеты производим в табличной форме.

Таблица 20. Расчёт кривой спада в I_ом сбросном канале

Исходные данные	№	h, м	у	F(у)	hF(у)	z	Ф(z)	И(у)	Пк	Пк ср	а	L, м
Qнор=36 м3/с канал трапециедальный m=1,5 b=14 м i=0,00035 hо=1,95 м hкр=0,9 м	1	1,95	0,241	1,584	3,088	0,998	1,714	0,391	0,0582	0,0576	3,6999	3287,3
	2	1,8	0,226	1,643	2,957	0,957	1,341	0,383	0,0570	0,0559	2,750	1431,7
	3	1,6	0,204	1,708	2,732	0,884	1,071	0,368	0,0548	0,0539	2,6109	698,8
	4	1,4	0,182	1,783	2,496	0,808	0,891	0,357	0,0531	0,0535	5,8834	50,6
	5	1,36	0,178	1,82	2,475	0,801	0,887	0,362	0,0539

У L= 5468,4 м

м

Проверку расчета кривой спада производим по крайним сечениям.

=м

Процент ошибки определяется по формуле

Д=

Строим кривую спада в I_ом сбросном канале в масштабе:

Рис. 16 Чертёж кривой спада в I_ом сбросном канале.

масштаб: горизонтальный …1:30000

вертикальный … 1:100

2. Гидравлический расчет сооружений

2.1 Расчет водозаборного регулятора на канале

При расчете регулятора необходимо определить ширину регулятора для пропуска расхода Q_норм. = 36 м³/с.

Ширина пролета должна быть не более 2.5*H при большей величине назначается 2,3… и более пролетов. Поперечное сечение принимается прямоугольное. Регулятор работает как водослив с широким порогом с боковым сжатием при выходе, причём необходимо определить подтоплен водослив или нет.

Расчетная формула водослива с широким порогом (широкий порог задан в условии) в общем виде будет равна:

Q=у*е*m*b**H₀^3/2,

где b - ширина водослива

При заборе воды из канала № 1 скорость подхода V = 1,75 м/с,

H=h_б + z=1,95+0,3=2,25 м

z = 0,3 м перепад на водосливе (дано в условии)

H₀ - напор на водосливе с учетом скорости подхода, где б*V₀² / 2g=0

H₀=Н=2,25 м

е - коэффициент сжатия потока, который определяется по формуле Замарина:

е =1 - a*H₀ / (b+H₀),

где a = 0,11_коэффициент, зависящий от формы оголовка устьев и быков

у - коэффициент подтопления,

у = 1, если водослив не подтоплен

у = F (b, h_S / H₀), если водослив подтоплен

m - коэффициент расхода

Уровень воды ниже водослива будет равен:

h_s = h_б - Р = 1,95- 0 =1,95 м.

Р = 0 высота порога водослива на выходе

Определяем относительное превышение, тогда:

если h_S / H₀ > 0.7, то водослив подтоплен и у подтопления определяется по справочнику.

если h_S / H₀ < 0.7, то водослив не подтоплен и у =1.

В нашем случае: h_S / H₀ = 1,95 / 2,25=0,866, что больше 0.7 значит водослив подтоплен.

Определяем коэффициент подтопления у при h_S / H₀ = 0.866 по определяем по справочнику Киселева [стр. 70 табл. 6-24]

у = 0.823

Коэффициент расхода водослива зависит от плавности входа воды в регулятор и его конфигурации и может быть определен по формуле В.В. Смыслова:

m = 0.3 + 0.08 / (1 + Р₁ / H₀),

где Р₁ = 0,35 м - высота порога водослива на входе, задано в условии

m = 0.3 + 0.08 / (1+ 0.35/2,25) = 0,369

Расчет по определению ширины водослива b производим в табличной форме методом подбора:

Таблица 21. Определение ширины водослива

b, м	m	у	е	уеmb, м	Примечание
5	0,369	0,823	0,965862	1,466
10			0,979796	2,975
15			0,985652	4,49
20			0,988876	6,006
25			0,990917	7,523

На основании данной таблицы строится график.

Рис. 17 График определения ширины регулятора

b=8 м

Полученное значение b сравниваем с предельным значением

м

8 м > 5,625 м

Принимаем количество пролетов: n=3, b=3 м

е =1 - (a*H₀) / (b+H₀)=1 - (0,11*2,25)/(3+2,25)=0,953

Определяем расход, пропускаемый регулятором

м³/с

Определяем процент расхождения между заданным и полученным расходом:

Длина водослива принимается равной

м

t= 1 м, где t - толщина быка.

Строим чертёж регулятора:

Рис. 18 Чертёж водозаборного регулятора во главе деривационного канала, масштаб 1:300

2.2 Расчет водосливной плотины

Проектируем водосливную плотину практического профиля криволинейного очертания с затворами на гребне по всему водосливному фронту.

Определение ширины и числа пролетов в водосливной плотине

Выбираем профиль водосливной плотины безвакуумный, очертанный по координатам Кригера-Офицерова.

Вычисляем высоту плотины:

Р = Гр -Д₁ =181 - 146 = 35 м

Вычисляем напор на гребне водослива:

H= ФПУ -Гр = 189-181= 8 м

Так как вода на водосливную плотину подается из водохранилища, то скорость подхода из сооружения будет равна 0.

V₀=0, тогда H = H₀ = 8 м

Расход, проходящий через водосливную плотину практического профиля можно определить по следующей зависимости:

-где:

коэффициент сжатия потока, который определяется по формуле Замарина

, где

-коэффициент, зависящий от формы оголовка

a = 0.11

ширина водослива.

Для принятого профиля водосливной плотины коэффициент расхода m=0.49. Тогда уравнение расхода можно записать в следующем виде:

Данное выражение можно представить в виде:

Принимаем коэффициент сжатия потока , тогда ширина водослива

В первом приближении принимаем число пролетов n=10 и определяем ширину водослива. Определяем коэффициент сжатия и уточняем ширину пролета и округляем ширину одного пролета до стандартного значения. Причем ширина одного пролета должна быть в пределах,

где Н_г -напор на гребне водослива при отметке НПУ, тогда

Н_г=НПУ-ГР=186-181=5 м

b = (7,5 ч12,5) м

Сравниваем полученную ширину одного пролета с рекомендуемой и если она получается в этих пределах, то оставляем, а если нет то возвращаемся в начало, вместо n=10, берем другое число.

Определяем расход водосливной плотины при принятом количестве пролетов и уточненной ширине пролета. Определяем расход через водосливную плотину по следующей зависимости:



Разница между заданным и найденным расходом должна быть в пределах 1-3 %, но найденный расход должен быть больше или равен заданному расходу.

Ширина водосливного фронта равна:

Ширина водосливной плотины:

,

где n - количество быков

t - ширина одного быка (t=1,5 м.)

Определение ширины и числа пролётов плотины.

Производим расчёт водосливной плотины:

Р =Гр -Д₁

Р=181 - 146 = 35 м

Вычисляем напор на гребне водослива:

H= ФПУ - Гр

Н= 189 - 181 = 8 м

Принимаю количество пролетов равных 10 (n=10).

,

м

м - не входит в предел b = (7,5 ч12,5) м

Принимаю количество пролетов равных 3 (n=3)

,

м

м - входит в предел b = (7,5 ч12,5) м

=1254,143 м³/с

=3*9=27 м

=27+(3-1)*1,5=30 м

Таким образом: b=9 м, n=3.

Построение профиля водосливной плотины по координатам Кригера-Офицерова

Рассчитываем координаты безвакуумного водослива для напора перед плотиной Н = 8 м при коэффициенте расхода m = 0.49 для чего рассчитываем таблицу № 22

Таблица 22. Определение координат поверхности водослива плотины и поверхности струи

Х, м	У, м	Х, м	У, м
	очертания кладки	очертания поверхности струи		очертания кладки	очертания поверхности струи
H= 1 м		внешней	внутренней	H= 8 м		внешней	внутренней
0	0,126	-0,831	0,126	0	1,008	-6,648	1,008
0,1	0,036	-0,803	0,036	0,8	0,288	-6,424	0,288
0,2	0,007	-0,772	0,007	1,6	0,056	-6,176	0,0556
0,3	0	-0,74	0	2,4	0	-5,92	0
0,4	0,006	-0,702	0,007	3,2	0,056	-5,616	0,056
0,6	0,06	-0,62	0,063	4,8	0,480	-4,96	0,504
0,8	0,146	-0,511	0,153	6,4	1,176	-4,088	1,224
1	0,256	-0,38	0,267	8	2,048	-3,04	2,136
1,2	0,394	-0,219	0,41	9,6	3,144	-1,752	3,28
1,4	0,564	-0,03	0,59	11,2	4,520	-0,24	4,72
1,7	0,873	0,305	0,92	13,6	6,984	2,44	7,36
2	1,235	0,693	1,31	16	9,88	5,544	10,48
2,5	1,96	1,5	2,1	20	15,68	12	16,8
3	2,824	2,5	3,11	24	22,592	20	24,88
3,5	3,818	3,66	4,26	28	30,544	29,28	34,08
4	4,93	5	5,61	32	39,44	40	44,88
4,5	6,22	6,54	7,15	36	49,76	52,32	57,2

По таблице П. 7 [Л.2 Табл.П7] определяем радиус закругления плотины:

Высота плотины Р = 35 м, следовательно, радиус определим интерполяцией 16,9 м.

Строим чертёж профиля водосливной плотины:



Рис. 19. Чертёж профиля водосливной платины.

Масштаб 1:250

Расчет сопряжения ниспадающей струи с потоком нижнего бьефа гидросооружения

Для выяснения характера сопряжения переливающейся струи через водослив практического профиля с потоком в нижнем бьефе, необходимо определить глубину в сжатом сечении у подошвы и сопряженную с ней глубину. Глубина в сжатом сечении определяется подбором из выражения:

где

q - удельный расход,

= м²/с где

- ширина водосливного фронта

- удельная энергия в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа.

- коэффициент скорости зависит от типа плотин и для плотин с водосливом практического профиля.=0,9

Во избежание подбора при определении глубины в сжатом сечении применим метод Агроскина:

Согласно методу находим функцию относительной глубины по следующей формуле:

=

= 35+8=43 м

и по значению функции по таблице П. 8 [Л.2 Табл.П. 8] определяем коэффициент =0,0427

Тогда глубина в сжатом сечении

=43*0,0427=1,8361 м

Вторая сопряженная глубина определяется как глубина в жатом сечении только при принятом значении тогда:

=0,3435

м

В нижнем бьефе гидротехнического сооружения возможны следующие формы сопряжений бурного потока со спокойным:

1. Отогнанный прыжок, если > h_б, который будет располагаться ниже по течению относительно сжатого сечения.

2. Предельное состояние, когда = h_б. В этом случае начало прыжка расположено в сжатом сечении.

3. Надвинутый прыжок, когда < h_б. Начало прыжка расположено выше по течению относительно сжатой глубины.

м

Т.к > h_б (14,77 м > 13 м), то наблюдается отогнанный прыжок.

Для создания необходимой глубины в нижнем бьефе обеспечивающей сопряжения с надвинутым прыжком является устройство водобойных колодцев, стенок или комбинированных сооружений.

Расчет сопряжения в нижнем бьефе с надвинутым прыжком

Глубина водобойного колодца (d) может быть определенна из следующего выражения:

где

d - Глубина колодца

г - коэффициент запаса принимается равным от 0,05 до 1,1 для обеспечения сопряжения с надвинутым прыжком.

- бытовая глубина.

- перепад, возникающий при выходе потока из водобойного колодца.

Перепад () определяется из предположения, что выходная часть водобойного колодца работает как подтопленный водослив с широким порогом

 где

это средняя скорость в колодце при глубине г .

=1

Определив перепад , определяем глубину колодца d.

При наличие колодца удельная энергия увеличивается и равна .

Тогда функция относительной глубины

После этого определяем по таблице П. 8 [Л.2 Табл.П8] при =0,9 значение и 2_ую сопряженную

Определяем ,, d. Расчеты ведем до тех пор пока разница между и будет меньше 1 %.

Длина колодца может быть определена

Расчёты глубины и длины водобойного колодца.

=46,48 м²/с

1) E₀ = H₀ + Р = 8 + 35 = 43 м

=0,1831

=0,3417 [2 Табл.П8]

м

м/с

м

Глубина колодца

м

При наличии колодца удельная энергия увеличивается и будет равна

2)м

Тогда функция относительной глубины:

=0,1665

=0,3260 [2 Табл.П8]

м

м/с

 м

м

3)м

=0,1509

=0,3079 [2 Табл.П8]

м

м/с

м

м

Длина колодца м

Построение профиля водосливной плотины по координатам Кригера-Офицерова и водобойного колодца

Строим профиль водосливной плотины и водобойного колодца:



Рис. 20. Чертёж профиля водосливной плотины и водобойного колодца.

Масштаб: 1:250

2.3 Расчёт регулятора на пропуск расхода в деривационном канале

При расчёте регулятора на пропуск расхода Qнорм необходимо определить величину открытия затвора, установить характер и виды гидравлического прыжка при сопряжении бьефов. Регулятор запроектирован как водослив с широким порогом прямоугольного сечения, выполненный из бетона, шириной одного пролета b=3 м, количеством пролётов n=3 и длиной l=9 м, в который установлены плоские затворы. Водобойного колодца нет.

Определяем пропускную способность канала при различных уровней воды в нём. По h определяем расход Q.

Таблица 23. Определение расхода Q при заданной глубине h

h, м	W, м2	ч, м	R, м	C, м0,5/с	V, м/с	Q, м3/с	Примечание
0						0	m=1 n=0,025 i=0,00042 b=15 м ho=1,95 м Qнорм=36 м3/с
0,5	7,75	16,4	0,472	35,2	0,49	3,84
1,0	16	17,8	0,898	39,27	0,76	12,2
1,5	24,75	19,2	1,29	41,77	0,97	24,06
2,0	34	20,6	1,65	43,55	1,14	39
2,5	43,75	22	2	45	1,3	57,05
3,0	54	23,4	2,3	46,1	1,43	77,37

Расчёты для h=0,5 м

м²

где:

b - ширина первого участка по дну (b=15 м)

m_коэффициент заложения откоса супесчаного грунта=1 [Л 2. Табл.П. 3]

м

м

м^0,5/с

где:

n - Коэффициент шероховатости русла слагающего канал.

n=0,025 [Л 2. Табл.П. 2] (Для грунта: тяжёлые суглинки)

м/с

м³/с

где:

_площадь живого поперечного сечения

C - коэффициент Шези.

R_гидравлический радиус

i_уклон дна канала.

Определим напор на пороге регулятора, тогда

м,

и определяем пропускную способность при различных открытиях затворов, причём в начале предполагаем, что прыжок за затвором будет отогнанный. Тогда расход воды через регулятор вычисляем по формуле:

-коэффициент расхода (0,85ч0,9)

-величина открытия затвора

-ширина одного пролёта

-количество пролётов

Вычисление расхода производится в табличной форме.

Таблица 24. К построению кривой пропускной способности шлюза регулятора

, м			, м	, м		, м3/с	, м
0,25	0,111	0,615	0,15	2,09	6,4	13	1,05
0,5	0,222	0,62	0,31	1,94	6,17	25	1,55
0,75	0,333	0,626	0,47	1,78	6	36	1,9
1	0,444	0,636	0,63	1,61	5,62	45,5	2,2
1,25	0,555	0,652	0,81	1,43	5,3	53,7	2,4
1,5	0,666	0,68	1,02	1,23	5	59,6	2,52
1,75	0,777	0,711	1,24	1,00	4,44	63	2,6
2	0,888	0,775	1,55	0,7	3,7	60	2,57

-величина открытия затвора

-коэффициент сжатия (определяем по справочнику Киселева)

-сжатая глубина

-напор

-расход

-глубина воды

=0,25/2,25=0,111

=0,25 0,615=0,15 м

=2,25-0,15=2,09 м

=0,9*0,25*3*3*6,4=13 м³/с

На основании таблицы 24, по значениям расхода Q и глубины в канале h, строим график:

Рис. 22 График зависимости h=f(Q)

Для определения вида сопряжения, вытекающей струи, из-под затвора, со струёй в нижнем бьефе (отогнанный или затопленный прыжок) воспользуемся формулой:



Расчёт производим в табличной форме

Таблица 25. К определению характера сопряжения бьефов

, м3/с	, м	, м	>; <; =	, м	Вид сопряжения
13	0,15	3,89	>	1,05	отогнанный
25	0,31	2,4	>	1,55	отогнанный
36	0,47	1,77	<	1,9	надвинутый
45,5	0,63	1,4	<	2,2	надвинутый
53,7	0,81	1,14	<	2,4	надвинутый
59,6	1,02	0,94	<	2,52	надвинутый
63	1,24	0,81	<	2,6	надвинутый
60	1,55	0,7	<	2,57	надвинутый

Отогнанный прыжок, если > h, который будет располагаться ниже по течению относительно сжатого сечения.

Предельное состояние, когда = h. В этом случае начало прыжка расположено в сжатом сечении.

Надвинутый прыжок, когда < h_. Начало прыжка расположено выше по течению относительно сжатой глубины.

В случаи если вторая сопряжённая глубина меньше чем глубина воды к канале, то прыжок затопленный (или надвинутый). Тогда расход проходящий через регулятор можно определить как:



или

где: -напор на водосливе

-глубина в начале гидравлического прыжка, определяется по формуле:

-напор на пороге регулятора

м

V_средняя скорость в деривационном канале (V=1,16 м/с)

Расчёт производится в табличной форме.

Таблица 26. Определение пропускной способности отверстий

, м3/с	, м	или м		, м2	, м2	, м
98,9	2,57	=1,9	5,5	18	6	2
85,4	2,6	=1,85	5,42	15,75	5,25	1,75
71,8	2,52	=1,78	5,31	13,5	4,5	1,5
58,47	2,4	=1,7	5,2	11,25	3,75	1,25
12,42	2,2	=0,12	1,38	9	3	1
17,43	1,9	=0,42	2,58	6,75	2,25	0,75
25	1,55	=0,77	3,5	7,14	2,38	0,8
13	1,05	=1,27	4,5	2,9	0,96	0,32

=2,32-1,05=1,27 м

=2,32-1,55=0,77 м

м

м²

По данным таблицы 24 и таблицы 26 строим график пропускной способности отверстий регулятора

Рис. 23 График пропускной способности отверстий регулятора

Чертёж регулятора:

Рис. 24 Чертёж водозаборного регулятора с затворами во главе деривационного канала. Масштаб: 1:300

2.4 Расчёт сопрягающего сооружения - быстроток

В состав быстротока сходят: а) головная часть быстротока - вход, б) водоскат, в) выходная часть. Гидравлическим расчетом определяются: размеры головной части (при выбранном типе входа), форма свободной поверхности, глубины и скорости на водоскате и размеры выходной части для обеспечения сопряжения потока с нижним бьефом в форме надвинутого прыжка.

Расчет головной части

Головная часть быстротока может быть запроектирована в виде водослива или короткого лотка с регулирующим затвором.

При расчете головной части с регулирующим затвором следует определить сжатую глубину за затвором, а зятем форму кривой свободной поверхности и глубины потока между затвором и началом водоската.

Принимая входную часть в виде водослива с широким порогом, прямоугольного в плане, при высоте Р=0, определим его ширину b, исходя из условия сохранения в канале глубины h0, т. е. при h0=Н.

При заданных условиях скорость в канале V=1,12 м/с, при этом скоростной напор:

м и напор перед входом

м

Расчет водоската

Для расчёта кривой свободной поверхности на водоскате найдём критическую глубину и глубину равномерного движения, пологая коэффициент шероховатости бетона n=0,017.

м

, где

-уклон быстротока

и м

Глубина (0,5 м) меньше (0,9 м), уклон водоската i>iкр, поток перейдёт на пороге входной части в бурное состояние и на водоскате сформируется кривая спада.

Расчет кривой спада по способу И.И. Агроскина

При расчете кривых подпора и спада по Агроскину в руслах правильной формы поперечного сечения значения z и целесообразно вычислять по формулам Агроскина:

где

b_ширина лотка быстротока, b=14 м.

нормальная глубина в русле при заданном расходе.

функция величина, которой определяется по [Л3. табл.XX111a]

функция величина которой, определяется по [Л3 табл.XX111b]

Расчеты производим в табличной форме.

Таблица 27/ Расчёт кривой спада

Исходные данные	№	h, м	у	F(у)	hF(у)	z	Ф(z)	И(у)	Пк	Пк ср	а	l, м
Qнор=36 м3/с b=14 м i=0.0086 hо=0,5 м hкр=0,9 м	1	0,9	0,128	2,033	1,8297	1,418	0,048	0,2096	2,007	2,141	1,032	8,6
	2	0,8	0,114	2,131	1,7048	1,321	0,07	0,2375	2,274	2,425	0,9992	5,36
	3	0,7	0,1	2,251	1,5757	1,221	0,108	0,269	2,576	2,745	0,944	5,24
	4	0,6	0,085	2,3985	1,4391	1,115	0,196	0,3043	2,914
	5	0,5	0,071	2,58	1,29		0

У L= 19,2 м

м

Из подсчётов в таблице № 27 следует, что на водоскате на расстоянии 19,2 м от начала будет глубина h=0,6 м, т. е. дальше на водоскате установится практически равномерное движение. Следовательно, глубину в конце водоската применим h=ho=0,6 м.

Найдём сопряжённую глубину по формуле

=1,22 м

Глубины =1,22 меньше бытовой hб=1,95 м в отводящем канале, следовательно, прыжок в нижнем бьефе надвинут и гасить не требуется.

Переход глубин от h=1,22 м на водоскате к глубинам h=1,95 м будет происходить в форме кривой подпора, которую можно рассчитывать известными способами. Приближенно (с некоторым запасом) можно определить расстояние l1 до прыжка от конца водоската из условия

м

м

Определим длину воронки

м

Выходную часть-сопряжение прямоугольного сечения водоската с трапецеидальным сечение отводящего канала можно выполнить в виде конически расходящейся воронки с конструктивно принятым роспуском .

Строим чертёж быстротока, находящийся между I_ым и II_ым сбросным каналом:



Рис. 25 Чертёж быстротока между I_ым и II_ым сбросным каналом. Масштаб: 1:200

Основная литература

1. Справочник по гидравлическим расчетам под редакцией П. Киселева М.1974 г. 312 с.

2. Андриевская А.Б и др. Задачник по гидравлике. М.1970 г., 424 с.

3. Штеренлихт Д.В. Гидравлика.М.2004 г., 655 с.

4. Павловский Н.Н. Собрание сочинений. Т.1-2. М.-Л. 1955-1956

5. Курсовое проектирование по гидравлике. Калининград. КГТУ.2002.

Размещено на Allbest.ru