4.4. Пример расчета сооружений в составе гидроузла рекультивационнго водохранилища
Расчетом рекультивационного водохранилища (см. пример расчета к разделу 3.2) установлено, что регулирующий объем WРВ = 688 тыс. м3, расход рекультивационного попуска Qp = 15 м3/с, и была определена схема регулирования половодья с Q1% = 78 м3/с (см. рисунок 3.15).
Требуется запроектировать основной донный водосброс с катковым затвором и резервный водосброс в виде обводного канала.
В дополнение к имеющимся исходным данным приводятся следующие:
1. Кривая расходов в створе сооружения и батиграфические кривые верхнего бьефа (рисунок 4.20).
а б
|
|
Рисунок 4.20 – Характеристики створа гидроузла:
а – кривая расходов Q = f(Z); б – батиграфические кривые
2. Морфометрические характеристики русла реки при уровне воды, соответствующем руслоформирующему расходу воды: средняя глубина H ср. = 1,48 м; максимальная глубина h max = 2,22 м; ширина русла по урезу воды B = 12,9 м; средний уклон на участке проектирования гидроузла i = 0,000225.
3. Характеристики грунтовой плотины: однородная с дренажем, грунт – суглинок (γг = 1,75 т/м3), высота плотины Hпл = 15 м, ширина гребня bгр = 10 м, отметка – Zгр = 23,00 м; заложение верхового откоса mв = 3,0 (в месте размещения входного оголовка mв = 2,0), низового откоса – mн = 3,0; тип дренажа – каменная призма до отметки ZУВНБ = 12,50 м, выше – наслонный дренаж до отметки ZУВНБ 1% = 14,50 м; отметка НПУ – 20,50 м, ФПУ – 21,00 м.
Расчет донного водосброса
Водосброс – водовыпуск (рисунок 4.21) предназначен для осуществления рекультивационного попуска расходом Qp = 15 м3/с при безнапорном режиме течения в трубе и отсутствии подтопления со стороны нижнего бьефа;
Рисунок 4.21 – Схема к гидравлическому расчету донного водосброса
уровень воды на выходе из трубы сопрягается с уровнем нижнего бьефа перепадом восстановления энергии потока.
Количество труб и их размеры принимаются по конструктивным соображениям оформления нижнего бьефа: ширина выхода труб не должна быть более 0,6B; высота труб hт ≥ 1,5 м; низ трубы на выходе располагается не выше отметки, соответствующей глубине Hср (Zн.т. ≤ 10,74 м) и не ниже отметки, соответствующей дну реки (Zн.т. ≥ 10,00 м); верх трубы – не ниже отметки Zв.т. ≥ ZНБ (при Qp) – Δhвс .
Принимаем три прямоугольные трубы с размерами hт = 2,0 м; bт = 2,0 м; уклон труб iт = 0,001; длина трубчатой части сооружения ориентировочно:
Lт = (mв + mн) Hпл. + bгр = (2,0 + 3,0)·15 + 10,0 = 85,0 м.
Приняв ширину разделительной стенки между трубами tб = 0,5 м, находим ширину выхода потока из труб: b1 = N·bт + tб·( N – 1) = 3·2,0 + 0,5·(3 – 1) = 7,0 м < 0,6B.
Расчет трубы выполняем на равномерный режим течения. Расход воды по одной трубе Q1 = 15,0/3 = 5,0 м3/с.
.
Здесь
одна неизвестная характеристика –
глубина воды в трубе h;
подбором или графическим построением
Q
=f(h)
находим искомую глубину h
= 1,81 м (Q1
= 5,02 м3/с).
Скорость потока в трубе
= 5,02/3,62 = 1,39 м/с; скорость потока в русле
=
15,0/12,9·1,48 = 0,79 м/с. Величину перепада
восстановления вычисляем по формуле:
м.
Отметка уровня воды в конце трубы Z1 = ZНБ – Δhвс = 12,22 – 0,05 = 12,17 м; здесь ZНБ – уровень воды в реке при Qp = 15,0 м3/с. Отметка нижней кромки трубы Zнт = Z1 – h = 12,17 – 1,81 = 10,36 м; отметка верхней кромки трубы Zвт = 10,36 + 2,0 = 12,36 > 12,17 м. По длине трубы Lт = 85 м и уклону iт = 0,001 находим превышение дна шахты оголовка над нижней кромкой конца трубы и отметку Zд.ш. = Zнт + Lт· iт = 10,36 + 85·0,001 = 10,45 м.
Отметку точки А (см. рисунок 4.4) получим, приняв конструктивный запас от верхней грани трубы 0,5 м; ZА = Zд.ш. + hт + 0,5 = 10,45 + 2,0 + 0,5 = 12,95 м.
Принимаем диаметр каткового затвора Dк = 2,0 м; при mв = 2,0, угол α = 29,50. По формуле (4.1) находим поперечный размер оголовка – а; для этого необходимо вычислить углы опирания затвора на стенки оголовка:
φ1 = 0,9Dкγб sin α /Ru = 0,9·2,0·2000·0,447/200 = 8,050;
φ1 = 0,9Dкγб cos α /Ru = 0,9·2,0·2000·0,895/200 = 16,110;
толщина стенок опирания tст′ = (Dк/2 )·(1 – cos φ1) = (2,0/2)·(1 – 0,992) = 0,008 м; tст″ = (Dк/2 )·[sin α – sin (α – φ2/2)] = (2,0/2)·(0,447 – 0,331) = 0,116 м; а = (2,0/2)·(1 + 0,447) – 0,008 – 0,116 = 1,323 м.
Принимаем а = 1,32 м .
Отметка верха оголовка ZД = ZА + (Dк/2)·cos α + tст″/mв = 12,95 + (2,0/2)·0,895 + 0,116/2 = 13,903 м. Принимаем ZД = 13,90 м.
Глубина шахты (ковша) оголовка водосброса Δ Zш = ZД – Zд.ш. = 13,90 – 10,45 = 3,45 м. Разность отметок водосливного порога оголовка и низа отводящей трубы в НБ сооружения составляет 13,90 – 10,36 = 3,54 м. Превышение отметки порога оголовка над уровнем воды на выходе из трубы (см. рисунок 4.21) Δ ZВ = 13,90 – 12,17 = 1,73 м. Это можно считать значимым фактором подпора уровней в бьефах, но делать “посадку” трубы ниже отметок дна реки не следует, т.к. это может привести к её заилению при расходах менее Qp и к заведомо напорному режиму течения в трубах.
Периметр входного оголовка (рисунок 4.22):
l0 = 2a + N·bт + tб(N – 1) + 2c = 2·1,32 + 3·2,0 + 0,5·(3 – 1) + 2·0,5 = 10,64 м; с = 0,5 м – конструктивный запас от крайних труб до торцовых стенок оголовка.
Уровень
воды в ВБ, при котором сооружение
пропускает расчетный расход Qp
= 15,0 м3/с,
определим из формулы (4.8):
.
Здесь неизвестные величины μ
и H
– напор над оголовком; μ
определяется по формуле (4.10), напор при
известном расходе будет равен:
;
; ξвх = 0,20; ξпов. = 1,20; ξL = 2gL/(C2R); R = 2,0·1,81/(2,0 + 2·1,81) = 0,64 м;
С = 0,640,167/0,017 = 54,66; ξL = 2·9,81·85/54,662·0,64 = 0,87; ξС = 0,2 + 1,2 + 0,87 = 2,27;
=
0,553;
= 1,16 м.
Рисунок 4.22 – Плановое очертание входного оголовка водосброса
H/a = 1,16/1,32 = 0,88 < 1,0 – оголовок работает в переходном режиме. Делаем проверку на подтопление оголовка: H/ΔZш = 1,16/3,45 = 0,34; (H/a)пред. = 0,2; H/a > (H/a)пред. – оголовок подтоплен и над ним устанавливается плоская свободная поверхность. Отметка УВВБ, соответствующая пропускной способности сооружения Qp = 15,0 м3/с – Zр = ZД + H = 13,90 + 1,16 = 15,06 м.
Для определения максимальной пропускной способности водосброса при ZФПУ установим условия подтопления выхода труб со стороны НБ при Q1% = 78,0 м3/с. С кривой Q = f(Z) (см. рисунок 4.20,а) отметка уровня воды в НБ: ZНБ 1% = 14,50 м; выход труб подтоплен на 14,50 – 12,36 = 2,14 м; сооружение работает в напорном режиме и его пропускная способность определится по формуле:
;
N
= 3; ω1
= 2,0·2,0 = 4,0 м2;
HД = ZФПУ – ZНБ 1% = 21,00 – 14,50 = 6,5 м;
для вычисления μ необходимо предварительно определить ξL = λRL/R;
R
= 2,0·2,0/2(2,0 +2,0) = 0,5 м. Из формулы (4.13)
= 12,63;
=
0,079; λR
= 0,0063; ξL
= 0,0063·85/0,5 = 1,064; ξС
= 0,2 + 2,0 + 1,064 = 3,264;
;
65,6 м3/с.
Для построения графика пропускной способности сооружения от ZД до ZФПУ необходимо выполнить несколько промежуточных расчетов при различных уровнях воды в ВБ [две точки уже имеются – это Q(ZФПУ = 21,00 м) и Q(Z р = 15,06 м)].
Участок безнапорного и переходного режима на графике пропускной способности.
Z = 14,3 м; H = Z – ZД = 14,3 – 13,9 = 0,4 м; H/а = 0,4/1,32 = 0,303;
H/Δ Zш = 0,4/3,45 = 0,116;
по
графику (см. рисунок 4.6,а) находим
(H/а)пред.
= 0,41; H/а
< (H/а)пред
– неподтопленный водослив оголовка;
расчет пропускной способности ведем
по формуле
;
m0
принимается по графику (см. рисунок
4.6,б) в зависимости от соотношения
размеров оголовка β
= b/a
= 8/1,32 =
6,06; m0
= 0,45; l0
= 10,64 м;
м3/с.
Уровень воды в НБ при этом расходе ZНБ = 10,70 м < 12,36 м – отметки верхней кромки трубы; следовательно, подтопления со стороны НБ не будет.
Z = 18,0 м; H = 18,0 – 13,9 = 4,1 м; пропускную способность сооружения вычисляем по формуле (4.8), считая, что верхняя кромка трубы будет подтоплена; Δ Z в = 13,9 – 12,36 = 1,54 м;
м3/с;
уровень воды в НБ при этом расходе ZНБ
= 13,50 м;
действующий
напор HД
= 18,0 – 13,5 = 4,50 м; уточняем расход воды
м3/с;
окончательно можно путем подбора
получить действительный расход воды
при заданном уровне:
м3/с.
На рисунке 4.23 приводится график пропускной способности основного водосброса. Как видим, весь расход 1% ВП сооружение при ФПУ пропустить не сможет, следовательно, необходим резервный водосброс на расход воды: Qрез. = Q1% - Q(ZФПУ) = 78,0 – 65,6 = 12,4 м3/с.
Рисунок 4.23 – График пропускной способности водосбросного сооружения
Конструирование нижнего бьефа начинаем от нижней кромки в конце труб Zнт = 10,36 м. Принимаем Zвод. = 10,00 м (дно русла); величина уступа а = 0,36 м. Ширина водобоя в месте выхода труб b1 = 2,0·3 + 0,5(3 – 1) = 7,0 м. Ширина водобоя при переходе его в рисберму b2 ≤ B.
Расчет ведется для случая начала устойчивого напорного режима течения в трубах при УВНБ, соответствующем отметке верхней кромки труб:
ZНБ
= Zв.т
= 12,36 м; этой отметке соответствует расход
воды в реке Q
= 17 м3/с;
скорость потока на выходе из труб
=
1,42 м/с; полная относительная удельная
энергия потока, выходящего из труб:
;
глубина воды на рисберме h2p = 2,36 м (см. рисунок 4.11).
Для определения высоты и местоположения рассеивающего порога воспользуемся графиками на рисунке 4.12, в зависимости от значения
=
1.
cп/hт =0,35; cп = 0,7 м; lп = 1,2·2,0 = 2,4 м.
Высота водобойной стенки определяется по зависимости (4.22) с предварительным определением неизвестных параметров:
(H
– средняя глубина на рисберме при Q
= 17 м3/с);
коэффициент k в формуле (4.23) учитывает геометрические параметры отводящего русла; для трехочковой трубы
;
;
при центральном угле раструба 300 (см. таблицу 4.1) значения коэффициентов в формулах (4.24) и (4.25): n1 = 0,117; n2 = 0,109; n3 = 0,024; n4 = 0,274; n5 = 0,045; n6 = – 0,009;
;
отношение
a/hт
= 0,36/2,0 = 0,18;
сст = 1,18·0,139·0,0170,286·2,36 = 0,121 м; конструктивно принимаем сст= 0,50 м; расстояние от выходного сечения труб до верховой грани водобойной стенки будет равно lст = 45 – 27(2,12/2)0,2 = 17,7 м; расстояние от верховой грани водобойной стенки до конца рисбермы (см. рисунок 4.11) принимаем не менее 0,6 lст; l = 11,3 м; общая длина закрепленного участка русла НБ сооружения составит 17,7 + 11,3 = 29,0 м.
Расчет затвора и механизма подъема
Для перекрытия 3-х отверстий входного оголовка принимаем три затвора в виде железобетонных труб диаметром Dк = 2,0 м, tоб = 0,2 м. Длина каждого из двух крайних затворов lк1 = 2,0 + 0,5 + 2·0,125 = 2,75 м; длина среднего – lк2 = 2,0 + 2·0,125 = 2,25 м.
Приведем расчет крайнего затвора с lк = 2,75 м.
Вес затвора Gз = 9,81·10 – 3 ·2400·3,14(2·0,2 – 0,22)·2,75·1,1 = 80,51 кН (8,21 т); Gts = 80,51·sin 29,50 = 35,99 кН; GN = 80,51·cos 29,50 = 72,02 кН. Гидростатическое давление на затвор определяем для схемы (см. рисунок 4.13,б) при ZНПУ = 20,50 м.
Горизонтальная
составляющая полного гидростатического
давления
т
(24,14 кН);
вертикальная составляющая полного гидростатического давления
т
(48,67 кН);
полное
гидростатическое давление
кН;
равномерно распределенная нагрузка по
длине катка от давления воды p
= 54,33/2,75 = 19,76 кН/м.
Тяговое усилие для расчета подъемного механизма
кН
(4,39 т).
Высота подъема груза (катка) Hпод. = 23,00 – 13,90 = 9,10 м.
Максимальное
усилие в одном канате
кГ;
разрывное усилие каната Sразр.
= 2310,5·12 = 27726,3 кГ. По таблице 4.4 выбираем
канат (трос) dк
= 21
мм типа ЛК – Р 6×19 с разрывным усилием
28222 кГ при [σп]
= 190 кГ/мм2.
Длина навиваемого на барабан каната
м.
Диаметр блока Dбл
= 450 мм. Диаметр барабана лебедки
= 450 мм; толщина стенок Δ = 0,02·450 +10 = 19 мм;
внутренний диаметр барабана
= 450 – 21 – 2·19 = 391 мм; число рабочих витков
на барабане при поднятом затворе
витков; длина барабана тогда будет равна
Lбар
= (16,6 + 2)(21 + 2) + 100 = 527,8 мм.
Скорость
подъема затвора
м/мин.
Статическая мощность электродвигателя лебедки
кВт.
Расчет берегового резервного водосброса
Расход
резервного водосброса определен при
расчете основного: Qрез.
= 12,4 м3/с.
Скорость течения воды в водосбросном
канале
м/с; ω
= 12,4/0,8 = 15,5 м2;
ширина входа в канал при hф
= 0,5 м: b1
= (15,5/0,5) – 2,0·0,5 = 30 м. Топографические
условия позволяют сделать такую ширину
подхода к резервному водосбросному
каналу. Длина канала – 300 м.
Размеры канала на границе его перехода в сопрягающее сооружение:
β
= 3·12,40,25
– 2,0 = 3,63;
м;
м.
Гидравлические
характеристики в граничных сечениях
сбросного канала: 1 – 1 –
м;
м;
;
2
– 2 –
м;
м;
;
м;
.
Уклон
дна канала
.
Элементами, провоцирующими размыв
песчаной перемычки, выбираем железобетонные
лотки марки Л
– 60, уложенные
вверх дном.