3.3 Многоступенчатый перепад прямоугольного сечения колодезного типа
При глубоких вершинах оврагов головные сооружения устраивают в виде перепадов (рис. 6). В практике наибольшее распространение получили перепады, в поперечном разрезе напоминающие лестницу. Они называются ступенчатыми.
Различают одноступенчатые (рассмотрен выше) и многоступенчатые перепады. Перепады устраивают в основном прямоугольного или трапециидального сечения.
При высоте вершинного перепада 3-5 м применяют одноступенчатые перепады, при большей высоте – многоступенчатые. Для успокоения падающей на каждую ступень воды в конце ее устраивают водосливную стенку, которая гасит избыточную энергию потока.
В большинстве случаев перепады сооружают из монолитного или сборного железобетона реже из дерева, плетня, камня и других местных материалов.
В каждом перепаде можно выделить следующие элементы: входную часть (вход), стенку падения, водобойную часть (водобой), выходную часть (выход).
Входная часть может быть различной конструкции. Высота и длина ступеней должны быть подобраны так, чтобы конец перепада не врезался в глубокую выемку, где обычно вскрываются грунтовые воды.
Количество, высоту и длину ступеней подбирают (с последующим расчетом), чтобы перепад наиболее просто, без больших выемок и большого объема земляных работ вписывался в профиль земляной поверхности. Зная разность отметок начала (ÑН1) и (Ñ Н2) окончания перепада, делят на высоту ступени перепада (Р). Высоту ступени перепада чаще всего принимают равной 1 м. Длина ступени определяется отношением горизонтального проложения длины склона на количество ступеней.
Устройство перепадов на насыпном грунте недопустимо, так как при паводке это может привести к разрушению сооружения.
канал лоток
Рис. 6 Схема многоступенчатого перепада прямоугольного сечения колодезного типа:
Q- расчетный расход;
а – глубина воды в водоподводящем канале, м;
h – глубина воды в лотке при равномерном движении, м;
b – ширина канала или лотка по дну, м;
V0 – скорость воды в канале или лотке, м/с;
i0 – продольный уклон дна канала;
- коэффициент
кинетической энергии потока;
m1 = 0,42 – коэффициент расхода водослива в формуле
Данные для расчета:
Строительный материал – бетон;
Q = 1,9 м3/с
ÑН1 - Ñ Н2 = 5,9 м – разность высот верхнего и нижнего бьефа;
Р – 1,0 м – высота ступени;
i = 0,025
n = 0,014
Расчет первой ступени
1. Определяется наивыгоднейшая ширина входного отверстия по дну лотка перепада по формуле Ю.Н. Даденкова
.
2. Определяем необходимую площадь живого сечения перепада с учетом допустимых скоростей движения воды (прил. 3)
,
где Vдоп = 4,2 м/с
3. Определяем необходимую глубину воды в лотке:
.
4. Производим проверку ho на пропуск заданного расхода Q = 1,9 м3/с
х = в + 2 ho = 1 + 2 ∙ 0,36 = 1,72 м
n = 0,014 без учета аэрации
С = 55,75 (с учетом n и R)
Полученный расход 1,45 м3/с меньше заданного 1,9 м3/с. Однако расхождение меньше 5 % (3,4 %), поэтому окончательно принимаем ширину лотка в = 1 м глубину воды ho = 0,36 м.
5. Определяем критическую глубину на пороге первой ступени
.
6. Определяем первую сопряженную глубину (hIc) в сжатом сечении после перепада по методу проф. Ю.Н. Даденкова. При этом принимаем во внимание:
так как hк = (0,74) > ho (0,36), то глубина воды над перепадом hр = ho = 0,36 м (если hк < ho, то hр = 0,7 ∙ hк);
,
где Z – вспомогательная величина:
.
7. Определяем вторую сопряженную глубину
8. Определение высоты водобойной стенки (С) после перепада производим в следующем порядке:
Полный напор над водобойной стенкой
,
_
где μ – 1,86 из μ = m √2g при m = 0,42.
Скоростной напор перед водобойной стенкой:
.
Напор над водобойной стенкой без скоростного напора:
Н = Но – Нv = 1,02 – 0,03 = 0,99 м.
Высота водобойной стенки:
С = σ ∙ hcII – H = 1,05 ∙ 1,5 – 0,99 = 0,685 м ≈ 0,7 м.
Длина первой ступени перепада определяется по формуле
Lст1 = Lпад1 + Lпр1 = 1,98 + 4= 6м,
где Lпад1 – дальность падения струи:
Длина подпертого прыжка:
Lпр1 = 3 ∙ hc II = 3 ∙ 1,5 =4,5.
Длину колодца принимаем 6 м.