2.3. Отводящий канал
Для защиты от размыва низового откоса земляного полотна дороги и выходной части водопропускного сооружения часто устраивают водоотводные искусственные русла, по своей конструкции мало отличающеёся от подходных русел. Вода, выходящая из отверстия сооружения, часто обладает ещё большой энергией, т.е. повышенной против его естественного состояния разрушительной силой. Опыт эксплуатации водопропускных сооружений показывает, что если не предусмотреть специальных мер, отводные русла на выходе из сооружений сильно размываются, что иногда приводит к авариям сооружений.
Мерами против размывов водоотводных русел, т.е. способами гашения энергии водного потока, являются: непрерывное рассеивание энергии водного потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.
Известно много различных принципов гашения энергии потока. Наиболее распространенные из них:
1) усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов).
2) соударение свободных струй в атмосфере;
3) рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;
4) сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке – напорные гасители;
5) отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);
6) силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путём установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и.т.п.[1]
2.3.1. Определение гидравлических характеристик потока
Для определения нормальной глубины
отводящего канала, воспользуемся
графиком K=f(h) (Приложение 1), построенном
в подразделе 2.1.1, предварительно вычислив
расходную характеристику
,
соответствующую нормальной глубине
.
(2.47)
По расчету получаем: = 116 м3/с
Из графика видно, что при числовом значении = 116 м3/с, величина нормальной глубины принимает следующие значение =0,81м.
Критическая глубина не зависит от уклона
дна, поэтому сохранится неизменной на
протяжении всего призматического
русла:
=
=0,74
м.
Соответственно не изменится и критический
уклон:
=
=
0,0073 сравним, полученное значение
c заданным
= 0,0025 и полученное значение
=
0,74 м с
= 0,81м (т.к.
>
и
<
), то можно сделать вывод что поток
находится в спокойном состоянии.
Выясняя условие сопряжения бьефов быстротока и отводящего канала, приходим к следующему выводу: при смене уклонов на возникает гидравлический прыжок.
2.3.2. Расчет гидравлического прыжка
Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической в спокойное состояние с глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком.[2,7,3]
Рис. 11. Схема гидравлического прыжка
Расчёт гидравлического прыжка сводится
к определению его характеристик: h’
– первой сопряжённой глубины,
- второй сопряженной глубины, и lп
– длины гидравлического прыжка (рис.
11).
Выполняем расчёт в следующей последовательности:
а) Определяем сжатую глубину hc методом последовательного приближения:
,
(2.48)
где q – удельный расход;
(2.49)
φ – коэффициент скорости, φ = 0.9;
Е0 – энергия, с которой поток приходит в отводящий канал.
Е0=Екб, т.е. энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:
(2.50)
где hкб – глубина на конце быстротока, определяется по кривой свободной
поверхности при длине l, указанной в исходных данных,hкб = 0,35 м (Приложение 7); Vкб – скорость на конце быстротока, определяется по формуле:
(2.51)
Из вычислений следует:
Vкб = 8,29 м/с, Eкб = 4,203 м.
В первом приближении не учитывается hc в знаменателе тогда:
(2.52)
Из вычислений следует:
=0,355 м
Во втором приближении учитывается
в знаменателе тогда:
Получаем:
0,371
м
В третьем:
Получаем:
=0,372
м
т.к. расхождение между
и
составляет меньше 5% , то принимаем за
сжатую глубину последнее числовое
значение hc = 0,372 м.
2.Рекомендуется [6,8], за первую сопряжённую
глубину принять глубину равную сжатой:
0,372 м
3.Определим вторую сопряженную глубину по формуле:
(2.53)
Из вычислений следует:
=1,302 м
4. Сделаем выводы о типе гидравлического прыжка:
т.к.
1,302 >
=
0,81 м, то гидравлический прыжок отогнанный.
В случае отогнанного гидравлического прыжка, для погашения энергии, которая приходит с быстротока, необходимо в выходной части установить гаситель энергии [1].
2.3.3. Расчет водобойного колодца
Гашение энергии в водобойном колодце осуществляется затоплением гидравлического прыжка, образующимся в колодце при входе потока с быстротока. Расчёт гасителя энергии за быстротоком сводится к определению глубины и длины водобойного колодца. Глубина колодца определяется методом подбора [5,2,7,6].
Рис. 12. Схема водобойного колодца
В первом приближении глубина колодца d определяется по формуле:
, (2.54)
где
-
коэффициент запаса (1.1);
- выше определенная глубина, сопряжённая
с глубиной
при энергии
=Екб;
hб – нормальная глубина
в канале за быстротоком, она не зависит
от глубины колодца и остаётся постоянной
во втором и третьем приближении (hб
=
).
1)
2)
(2.55)
Из вычислений следует:
3)
=
0,331 м
4
5)
)
1,408 м
(2.56)
Из вычисления следует: d2=1,2·1,408 - 0,81=0,88 м
6) Сравниваем:
т.к. d1 и d2 отличаются более чем на 5% , определяем глубину в третьем приближении:
7)
(2.57)
Из Из вычислений следует:
8)
м
9
10)
)
(2.58)
Из вычислений следует:
м
Сравниваем:
Принимаем: d = d3 = 0,91 м
Длина водобойного колодца lк определяется суммой дальности отлёта струи lотл и длины подпёртого прыжка lпп :
(2.59)
1)
(2.60)
И
2)
з вычислений следует:
м
; (2.61)
где
– длина гидравлического совершенного
прыжка, определяется по рекомендациям
Н.Н. Павловского:
(2.62)
Из вычислений следует:
→ 
→ 
=
3,908 + 4,208 = 8,12 м