Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооруженийПроверка 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. Фракции | I | II | III | IV | Диаметр, мм. | 0,25 – 0,1 | 0,1 – 0,05 | 0,05 – 0,01 | 0,01 | Р, %. | 1 | 12 | 28 | 59 | Гидравлическая крупность. | 2,7 | 0,692 | 0,173 | | Wd , см/с. | 2,7 - 0,692 | 0,692 - 0,173 | 0,173 - 0,007 | 0,007 | 4. Определяется осреднённая гидравлическая крупность для каждой фракции. 5. Определяется средневзвешенная гидравлическая крупность наносов: 6. Принимается условная гидравлическая крупность наносов.
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 | | - определяется по таблице X [1]. По данным таблицы 2 строится кривая Q = f ( h ). По кривой, при заданном расходе, определяется глубина: h max = 1,75 м при Q max = 14,7 м 3 /с. h н = 1,50 м при Q н = 9,8 м 3 /с. h min = 1,25 м при Q min = 7,35 м 3 /с. Вывод: При расчёте максимальной глубины двумя способами значения максимальной глубины имеют небольшие расхождения, что может быть вызвано не точностью округлений при расчёте – расчёт выполнен верно. 2. Расчёт распределительного и сбросного каналов.
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 | Водослив считается подтопленным если По данным таблицы 4.1 строится график зависимости и по графику определяется искомая ширина b . 5. Расчёт водосливной плотины. В состав расчёта входит: 1. Выбор и построение профиля водосливной плотины (без щитов). 2. Определение ширины водосливной плотины и определение щитовых отверстий при условии пропуска расхода Q = Q max . Исходные данные: 1. Уравнение для реки в створе плотины: - коэффициент «а» 12,1. - коэффициент « b » 20. 2. Расход Q max = 290 м 3 /с. 3. Отметка горизонта воды перед плотиной при пропуске паводка ПУВВ – 60,3 м . 4. Ширина реки в створе плотины, В – 24 м . 5. Ширина щитовых отверстий 5,0. 6. Толщина промежуточных бычков t , 1,0 – 1,5 м . 7. Тип гасителя в нижнем бьефе: водобойная стенка.
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 | III. Определение ширины водосливной плотины и числа водосливных отверстий при пропуске заданного расхода: 1. Определяем профилирующий напор перед плотиной где - ПУВВ – отметка подпёртого уровня высоких вод ( max отметка возможная в водохранилище). Г = НПУ = НПГ = 58 м . где НПУ – нормальный подпёртый уровень.
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 | a = 0,11, табл. 22.29[2]. b пр – ширина пролёта 5 м . По данным таблицы строим график. 5.2 Построение профиля водосливной плотины.
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. X, м . | Y, м . | Очертание кладки | Очертание струи | Внешняя поверхность | Внутренняя поверхность | 0,00 | 0,453 | -2,991 | -0,454 | 0,36 | 0,129 | -2,891 | -0,129 | 0,72 | 0,025 | -2,779 | -0,025 | 1,08 | 0,000 | -2,664 | 0,000 | 1,44 | 0,025 | -2,527 | 0,025 | 2,16 | 0,216 | -2,232 | 0,227 | 2,88 | 0,529 | -1,839 | 0,551 | 3,60 | 0,921 | -1,368 | 0,961 | 4,32 | 1,414 | -0,788 | 1,476 | 5,04 | 2,034 | -0,108 | 2,124 | 6,12 | 3,142 | 1,098 | 3,312 | 7,20 | 4,446 | 2,495 | 4,716 | 9,00 | 7,056 | 5,400 | 7,560 | 10,8 | 10,166 | 9,000 | 11,196 | 12,6 | 13,744 | 13,176 | 15,336 | 14,4 | 17,748 | 18,000 | 20,196 | 16,2 | 22,392 | 23,544 | 25,74 | Во избежании удара внизпадающей струи о дно нижнего бьефа, сливную грань плотины сопрягают с дном при помощи кривой радиуса R , так чтобы предать струе на выходе горизонтальное или близкое ему направление.
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.
|