Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооружений

Проверка канала на заиление.

Определение глубин наполнения канала. 2. Расчёт распределительного и сбросного канала.

Определение глубины наполнения трапецеидального сбросного канала по заданной ширине по дну. Расчёт распределительного канала методом И.И Агроскина. Расчёт сбросного канала. 3. Расчёт кривой свободной поверхности в магистральном канале.

Определение критической глубины в распределительном канале.

Установление формы кривой свободной поверхности. Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом И.И. Агроскина. 4. Гидравлический расчёт шлюза-регулятора. 4.1 Определение ширины шлюза – регулятора в голове магистрального канала. 5. Расчёт водосливной плотины.

Определение гребня водосливной плотины.

Построение профиля водосливной плотины. 6. Гидравлический расчёт гасителей.

Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина.

Гидравлический расчёт водобойной стенки (Расчёт длины колодца). 7. Список используемой литературы.

Вариант 3(5). На реке N проектируется узел гидротехнических сооружений. В состав узла входят: А) Водосливная плотина. Б) Водозаборный регулятор с частью магистрального канала.

Магистральный канал подаёт воду на орошение и обводнение подкомандной ему территории. На магистральном канале устраивается распределительный узел. На сбросном канале, идущем от этого узла, устраивается перепад (схема I ). Схема I 1. Расчёт магистрального канала. В состав расчёта входит: 1. Определение размеров канала из условия его неразмываемости (при Q max = 1,5 Q н ) и незаиляемости (при Q min = 0,75 Q н ). 2. Определение нормальных глубин для заданных расходов и построение кривой Q = f(h). Данные для расчёта: - Расход Q н = 9,8 м 3 /сек. Q max = 14,7. Q min = 7,35. - Уклон дна канала i = 0,00029. - Грунты – плотные глины. - Условие содержания: среднее. - Мутность потока r = 1,35 кг/м 3 . - Состав наносов по фракциям в %: I. d = 0.25 – 0.1 мм = 3. II. d = 0,10 – 0,05 мм = 15. III. d = 0,05 – 0,01 мм = 44. IV. d = 0,01мм = 38. - Глубина воды у подпорного сооружения 3,0 h 0 . 1.1 Проверка канала на условие неразмываемости и незаиляемости. 1. Принимаем коэффициент заложения откоса канала « m » в зависимости от грунта и слагающего русла канала по таблице IX [1] m = 1. 2. Принимаем коэффициент шероховатости “ n ” в зависимости от условия содержания канала по таблице II [1] n = 0,025. 3. Принимаем допускаемое значение скорости на размыв в зависимости от грунта, слагающего русло канала по таблице XVI [1] V доп = 1,40 м/с. 4. Принимаем максимальную скорость потока в канале V max = V доп = 1,40м/с. 5. Вычисляем функцию 6. По вычисленному значению функции n ), определяем допускаемый гидравлический радиус ( R доп ). R доп = 2,92 м . Таблица X [1]. 7. Вычисляем функцию Q max – максимальный расход канала м 3 /с. 4 m 0 – определяется по таблице X [1] 4 m 0 = 7,312. 8. По вычисленному значению функции шероховатости ( n ), определяем гидравлически наивыгоднейший радиус сечения по таблице X [1]. R гн = 1,54 м . 9. Сравниваем R доп с R гн и принимаем расчётный гидравлический радиус сечения ( R ). Так как R доп > R гн то R R гн 2,92 > 1,54, принимаем R = 1,38. 10. Определяем отношение 11. По вычисленному отношению определяем отношение XI [1]. 12. Вычисляем ширину канала по дну и глубину потока в канале Принимаем стандартную ширину равную 8,5 м . 13. Определяется глубина потока в канале при пропуске нормального расхода Q н при принятой ширине канала в м. Для этого вычисляется функция Далее определяется гидравлический наивыгоднейший радиус по таблице X [1] R гн = 1,31 м . По вычисленному отношению определяется отношение XI [1]. Нормальная глубина 14. Определяется глубина потока в канале при пропуске минимального расхода: При R гн = 1,17, таблица XI [1]. Далее определяем отношение По этому отношению определяем таблица XI [1]. 1.2 Проверка канала на заиление. 1. Вычисляется минимальная средняя скорость течения в канале: 2. Вычисляется минимальный гидравлический радиус живого сечения канала: 3. Определяется гидравлическая крупность наносов для заданного значения диаметров частиц данной фракции, таблица XVII [1]. Таблица 1. Состав наносов по фракциям.

Сравниваем 0,002 м/с, то W 0 = 0,002 м/с. 7. Вычисляем транспортирующую способность потока: Сравниваем: 1.3 Определение глубины наполнения канала графическим методом. Расчёт для построения кривой Q = f ( h ) ведётся в табличной форме.

Таблица 2. Расчёт координат кривой Q = f ( h ).

h , м.	w , м 2 .	X , м 2 .		м/с.	Q , м 3 /с.	Расчетные формулы
0,5	4,5	9,9	0,45	22,72	1,74
1	8,5	11,3	0,75	32,72	4,73
1,5	15	12,7	1,18	44,83	11,43
2	21	14,1	1,49	52,50	18,74

Данные для расчёта: Распределительный канал: - ширина по дну b = 6,4 м . - расход Q = 0,5 Q max магистрального канала – Q = 7,35. - Уклон канала i = 0,00045. - Грунты – очень плотные суглинки. - Коэффициент шероховатости n = 0,0250. Сбросной канал: - расход Q = Q max магистрального канала Q = 14,7. - Уклон дна i = 0,00058. - Грунты – плотные лёссы. - Коэффициент шероховатости n = 0,0275. - Отношение глубины перед перепадом к h кр . 2.1.1 Расчёт распределительного канала методом Агроскина. 1. m = 1, табл. IX [1]. 2. n = 0,0250. 3. Вычисляется функция F ( R гн ). 4. Определяется гидравлически наивыгоднейший радиус по функции R гн = 1,07, табл. X [1]. 5. Вычисляем отношение 6. По отношению по таблице XI [1] определяем отношение 7. 2.1.2 Расчёт сбросного канала. 1. m = 1, таблица IX [1]. 2. n = 0,0275. 4 m 0 = 7,312. 3. Вычисляем функцию : 4. Определяем гидравлически наивыгоднейший радиус по таблице X [1] по функции R гн = 1,35. 5. Принимаем расчётный гидравлический радиус сечения R = R гн ; 6. По отношению XI [1]. 3. Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом Агроскина. 3.1 Исходные данные: (из расчёта магистрального канала). - Расход Q = 9,8 м 3 /сек. - Ширина канала по дну b ст = 8,5 м . - h н = h 0 =1,42 м. - коэффициент заложения откоса m = 1. - Коэффициент шероховатости n = 0,025. - Уклон дна канала i = 0,00029. - Глубина воды у подпорного сооружения h н = 3,0 h 0 =3 1,42 = 4,26 м . - Коэффициент Кориолиса a = 1,1. - Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с 2 . Наиболее простым способом является расчёт критической глубины методом Агроскина. Критическая глубина для канала прямоугольного сечения определяется по формуле: Безразмерная характеристика вычисляется по формуле Из этого следует: 3.2 Знак числителя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубины потока у подпорного сооружения h n с нормальной глубиной h 0 . Знак знаменателя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубин потока у подпорного сооружения h n с критической глубиной. Так как h n = 4,26 > h 0 = 1,42, то k > k 0 , Так как h n = 4,26 > h кр = 0,519, то поток находится в спокойном состоянии Пк 1, знаменатель выражения (1) положительный (+). в магистральном канале образуется кривая подпора типа A 1 . 3.3 Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом И.И. Агроскина.

Гидравлический показатель русла ( x ) принимаем равным 5,5. При уклоне i > 0 расчёт канала ведём по следующему уравнению: e 1-2 – расстояние между двумя сечениями потока с глубинами h 1 и h 2 , м. а – переменная величина, зависящая от глубины потока. i – уклон дна канала = 0,00029. z – переменная величина зависящая от глубин потока. - среднее арифметическое значение фиктивного параметра кинетичности. f ( z ) – переменная функция.

Переменная величина a определяется по формуле: , где h 1 и h 2 – глубина потока в сечениях. z 1 и z 2 – переменные величины в сечениях между которыми определяется длина кривой свободной поверхности. где 1,532 табл. XXIII (а)[1]. h – глубина потока в рассматриваемом сечении, м. s - безразмерная характеристика живого сечения. h 0 – нормальная глубина = 1,42. s 0 - безразмерная характеристика. 4 Гидравлический расчёт шлюза – регулятора в голове магистрального канала. 4.1 В состав расчёта входит: 1. Определение рабочей ширины регулятора при максимальном расходе в магистральном канале. Щиты полностью открыты.

Данные для расчёта: - Расход Q max = 14,7 м 3 /с. - Стандартная ширина магистрального канала b к = 8,5 м . - h max = 1,80 м . - коэффициент откоса m = 1. - D z = (0,1 – 0,3 м ) = 0,1м. - Форма сопряжения подводящего канала с регулятором: раструб.

Порядок расчёта: 1. Определяется напор перед шлюзом регулятором H = h max + D z = 1,80 + 0,1 = 1,9 м . 2. Определяется скорость потока перед шлюзом регулятором: 3. Определяется полный напор перед регулятором: a = 1,1. 4. Проверяется водослив на подтопление, для чего сравнивается отношение D - глубина подтопления. P – высота водослива со стороны НБ. 5. Вычисляем выражение: Где s п – коэффициент подтопления. m – коэффициент расхода водослива. b – ширина водослива. H 0 – полный напор.

Дальнейший расчёт ведётся в табличной форме.

Таблица 4.1 Расчёт для построения графика зависимости f ( b ).

b, м .	m таб.8.6 [1]	K 2 таб.8. 7 [1]	Подтопление водослива	s п таб.22.4 [1]		Примечание
Подтоплен	Не подтоплен
1	2	3	4	5	6	7	8
6,8	0,369	0,76	+	-	0,81	2,03
5,95	0,365	0,77	+	-	0,79	1,71
5,1	0,362	0,81	+	-	0,80	1,48
4,25	0,358	0,82	+	-	0,81	1,23

Порядок расчёта: I. Выбор профиля водосливной плотины.

Водосливная плотина рассчитывается по типу водослива практического профиля криволинейного очертания (за расчетный принимаем профиль I ). Полная характеристика: водослив практического профиля, криволинейного очертания, с плавным очертанием оголовка, безвакуумный. II. Определение бытовой глубины в нижнем бьефе плотины ( h б ). Для определения ( h б ) при заданном расходе необходимо по заданному уравнению построить график зависимости Q = f ( h б ). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме. Табл. 5.1 Расчёт координат графика зависимости функции Q = f ( h б ).

h б , м.	h б 2	ah б 2	bh б 2
1	1	12,1	20	32,1
2	4	48,4	40	88,4
3	9	108,9	60	168,9
4	16	193,6	80	273,6
5	25	302,5	100	402,5

Принимаем скорость подхода перед плотиной V 0 » 0 тогда полный напор равен H 0 = H пр . 2. Принимаем коэффициент расхода водослива при H 0 = H пр = 2,3 м , для профиля [1] m=0,49. 3. Определяем высоту водосливной плотины P = Г – дна = 58 – 49,2 = 8,8 м . 4. Проверяем условие подтопления водосливной плотины. Для этого сравниваем высоту плотины с бытовой глубиной. P = 8,8 > h б = 4,2 – плотина не подтоплена. s п =1. 5. Принимаем коэффициент бокового сжатия e =0,98. 6. Вычисляется ширина водосливной плотины в первом приближении: 7. Сравниваем вычисленную ширину водосливной плотины с шириной реки в створе плотины. b = 39,08 > B р = 24,0 м (ширина плотины больше ширины реки). Так как ширина плотины больше ширины реки – это значит, что отметка гребня плотины ( Г) равная НПГ (нормальный подпёртый горизонт) не обеспечивает при профилирующем напоре пропуск максимального расхода. В этом случае рекомендуется: 1. Понизить отметку гребня водосливной плотины увеличив тем самым профилирующий напор и пропускную способность плотины. 2. На ряду с водосливной плотиной спроектировать глубокие донные отверстия, отметки порога которых ниже отметки гребня водосливной плотины.

Принимаем за расчётный 1 вариант, т.е. понижаем отметку гребня водосливной плотины по всему водосливному фронту. 5.1 Определение отметки гребня водосливной плотины. 1. Принимаем ширину водосливной плотины равной ширине реки: B пл = B р = 24 м . 2. Определяем число пролётов: t = 1; b пр = 5,0 м . 3. Определяем расход проходящий через один пролёт водосливной плотины 4. Принимаем коэффициент расхода водосливной плотины m = 0,49. 5. Принимаем, что водосливная плотина не подтапливается s п = 1. 6. Выражаем расход проходящий через 1 водосливной пролёт по формуле: 7. Определение величины понижения отметки гребня водослива графоаналитическим способом.

Строим график зависимости f ( h ). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Таблица 5.2 Расчёт графика зависимости f ( h ).

h , м	H пр + h		E
0 ,5	2,8	4,68	0,96	4,49
1	3,3	5,99	0,95	5,69
1,5	3,8	7,41	0,95	7,04
2	4,3	8,92	0,94	8,38

Построение профиля водосливной плотины выполняется по способу Кригера – Офицерова. Для построения профиля по этому способу необходимо умножить на единичные координаты приведённые в таблице 8.2 [1]. Расчёт координат сливной грани плотины и профиля переливающейся струи сводим в таблице 5.3. Таблица 5.3 Координаты сливной грани плотины и переливающейся струи.

Радиус принимаем по таблице 8.3[1]. При P 10 м R = 0,5 P . По данным таблицы на миллиметровке строится профиль водосливной плотины и переливающейся струи. 6. Гидравлический расчёт гасителей. 6.1 Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина. 1. Определяем удельный расход водосливной плотины: 2. Вычисляется удельная энергия потока в верхнем бьефе: 3. Определяется вторая сопряжённая глубина t с ). где j - коэффициент скорости ( j =0,95). По вычисленной функции ф( t с ) определяется глубина табл. XXIX [1]. 4. Сравниваем с h б : - сопряжение в НБ, происходит в форме отогнанного гидравлического прыжка, для гашении энергии в нижнем бьефе проектируется гаситель (водобойная стенка). 6.2 Гидравлический расчёт водобойной стенки. 1. Определяем высоту водобойной стенки. 2. Определяется скорость потока пред водобойной стенкой: Где s - коэффициент запаса = 1,05. - вторая сопряжённая глубина = 5,33 м . 3. Определяется напор над водобойной стенкой без скоростного напора: 4. Вычисляется высота водобойной стенки. 5. Вычисляем удельную энергию потока перед водобойной стенкой: 6. Вычисляется функция ф( t с ). где j - коэффициент скорости, для водобойной стенки j =0,9. 7. Определяется относительная глубина по вычисленному значению функции t с , при коэффициенте скорости j , по табл. XXIX [1]. 8. Вычисляется вторая сопряжённая глубина после водобойной стенки: 9. Сравнивается с h б и устанавливается форма сопряжения за стенкой: h б = 4,2 – сопряжение за водобойной стенкой происходит в форме надвинутого гидравлического прыжка и стенка работает как подтопленный водослив, в этом случае напор над стенкой увеличивается, а высота водобойной стенки уменьшается. 10. Расчёт длины колодца: Длина колодца 16 метров . Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Андреевская А.В., Кременецкий Н.Н., энергия 1964 г . 2. Методические указания к курсовой работе по гидравлике на тему: «Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооружений». ПГСХА. Сост. Т.И. Милосердова – Уссурийск, 1994 г . 3. Методические указания к практическим занятиям по гидравлике на тему: «Гидравлический расчёт гасителя» ПГСХА; сост. Т.И. Милосердова – Уссурийск 1995 г . 4. Штеренлихт Д.В. Гидравлика.