3.4.2. Открытый береговой водосброс с фронтальным отводом воды

Входной участок водосброса представляет собой воронкообразное расширение (рис.3.3а) как правило, с обратным уклоном порядка і=0,05 ÷ 0,10, переходящее при большой длине в подходящий канал постоянного сечения трапецеидальной формы с нулевым уклоном. Подводящий канал перед головным сооружением и соединительный канал за ним должны иметь прямолинейные участки длиной не, менее ( – ширина канала по дну). На поворотах радиусы закруглений каналов принимаются ( – ширина канала по урезу воды). В дипломном проекте гидравлический расчет подводящего канала не выполняется, а потери напора в нем учитывается приближенно некоторым снижением коэффициента расхода водослива.

Водослив может представлять собой:

1. Горизонтальный порог (или площадку), расположенный на отметке НПУ – автоматический водослив без затвора;

2. Конструкцию, напоминающую низконапорную водосливную плотину с низким флютбетом, снабженную затворами с механическими подъемниками – регулируемый водослив (шлюз-регулятор).

Рис. 3.3. План гидроузла. Разрез по оси берегового водосброса.

Расчет регулируемого водослива.

Проектирование водослива представляет технико-экономическую задачу, т.е. его размеры должны определять минимальную стоимость сооружения. В дипломном проекте можно ограничиться предварительным назначением статического напора «Н₀» на водосливе в соответствии с табл. 3.10.

Таблица 3.10.

Q, м3/с	100	100-300	300-500	500
Н0, м	1-2	2-4	4-6	6-10

Задаемся при , напором на водосливе Н₀.

Определяем предварительную ширину порога водослива, пренебрегая в первом приближении боковым сжатием потока:

(3.16)

При вычислении ширины порога коэффициент расхода «m» следует принимать для водослива с широким порогом, расположенным на уровне подводящего канала, равным m=0,37 ÷ 0,38. Напор с учетом скорости подхода, учитывая ее небольшую величину, принимаем равным статическому напору, т.е.

Полученное значение «B» округляем до ближайшего значения, кратного рекомендуемым размерам водосливных пролетов, определяемым по табл. 3.11.

В береговых водосливах обычно принимаются пролеты отдельных отверстий b = 4.0; 4.5; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 10,0; 12,0м. Число отверстий водослива желательно принимать нечетным для уменьшения опасности возникновения сбойных течений. Таким образом ширину водослива в свету можно принять равной , где n – число отдельных отверстий.

Таблица 3.11.

Пролет (ширина) отверстий, м.	0,8	1	1,25	1,5	1,75	2	2,25	2,5	3	3,5	4	4,5
	5	6	7	8	10	12	14	16	18	20	22	24

Примечание: за пролет отверстия принимается размер в свету между ограничивающими отверстие боковыми вертикальными гранями сооружения.

С учетом коррекции ширины водосливного порога уточняем в первом приближении статический напор на водосливе:

(3.17)

Определяем значение коэффициента бокового сжатия потока по формуле А.С. Офицерова:

(3.18)

Значения и – коэффициентов, учитывающих форму устоев и быков в плане, принимают равными:

=1,0 – для устоев прямоугольных в плане;

=0,70 – для устоев с закругленными или срезанными углами под 45⁰;

=1,0 – для быков прямоугольной формы;

=0,45 – для полукруглых быков;

=0,25 – для быков заостренной (рыбообразной) формы.

Определяем статический напор на водосливе с учетом бокового сжатия:

(3.19)

По табл. 3.12. принимаем ближайшее большое нормальное значение высоты отверстия .

Таблица 3.12.

Высота отверстий, м	1,0	1,25	1,5	1,75	2	2,25	3	3,5	4	4,5
	5,5	6	6,5	5	7	7,5	8	8,5	9	10

Примечание: за высоту отверстия принимается для поверхностных отверстий – размер от порога до нормального подпорного уровня воды; для глубинных отверстий – размер от порога до верхней грани отверстия.

Определяем отметку порога водослива, необходимую для пропуска максимального расхода основного расчетного случая:

(3.20)

Проверим достаточность принятых размеров водослива для пропуска максимального расхода поверочного расчётного случая. Напор на пороге водослива в этом случае равен:

(3.21)

Коэффициент бокового сжатия по (3.18):

Пропускная способность водолива при :

(3.22)

Если Q , то принятые размеры водослива обеспечивают пропуск максимального расхода поверочного расчетного случая и не требуют дальнейшей корректировки.

При Q < следует уточнить отметку порога водослива, определить статический напор с учетом бокового сжатия, используя формулы (3.17), (3.18), (3.19) и принимая в качестве расчетного расхода « », найти нормативное значение « » и определить уточненную отметку порога водослива по формуле

Гидравлический расчет остальных сооружений водосброса в дипломном проекте можно выполнить для максимального расхода поверочного расчетного случая – .

Расчет соединительного канала.

Гидравлический расчет соединительного канала проводится на условия равномерного движения.

Принимаем ширину канала по дну равной ширине водослива с учетом толщины быков:

(3.23)

Толщина промежуточных быков при плоских затворах принимается равной и обычно равна .

Глубина воды в канале, чтобы гарантировать отсутствие подтопления водослива, назначается несколько менее или равной критической глубины на водосливе, определяемой по формуле:

(3.24)

Здесь: – коэффициент кинетической энергии;

q – удельной расход на водосливе, равный:

(3.25)

Принимаем глубину воды в канале: .

Площадь живого сечения трапецеидального соединительного канала определяем по формуле:

(3.26)

здесь: – коэффициент заложения откосов канала, принимаемый в зависимости от грунтов, слагающих русло канала по табл.3.13.

Таблица 3.13.

№ п/п	Грунты, слагающие русло канала	Коэффициент заложения подводных откосов канала
1.	Мелкопесочные	3,0 ÷ 3,5
2.	Песок, плотная супесь, суглинок	1,5 ÷ 2,0
3.	Тяжелый суглинок, глины	1,0 ÷ 1,5
4.	Скальные грунты	0,10 ÷ 0,50

Смоченный периметр канала определяем по зависимости:

(3.27)

Гидравлический радиус канала:

(3.28)

Приближенное значение скоростного коэффициента (коэффициент Шези) «С» может быть определено по формуле Маннинга:

(3.29)

Коэффициент шероховатости для бетонных облицовок канала можно принимать равным n=0,014÷0,016.

Уклон канала определяем по формуле Шези:

(3.30)

Отметка дна в конце соединительного канала:

(3.31)

Расчет быстротока.

Гидравлический расчет быстротока заключается в построении кривой свободной поверхности воды (кривой спада) и определении глубины по его длине. Приближенный расчет глубины воды в конце быстротока прямоугольного поперечного сечения может быть выполнен ниже.

Назначаем ширину быстротока равной ширине соединительного канала по дну:

(3.32)

Определяем перепад высот по длине быстротока (рис. 3.3б):

(3.33)

Находим длину быстротока (рис. 3.3б):

(3.34)

Горизонтальная проекция длины быстротока «S» определяется по продольному разрезу по оси водосбора. Так же определяется и длина соединительного канала (рис. 3.3б).

Определяем уклон быстротока:

(3.35)

Определяем расходную характеристику:

(3.36)

Определение глубины, соответствующей равномерному движению воды на быстротоке «h₀», выполняем методом подбора, задавая значение глубины «h» и определяя расходную характеристику по формуле Шези:

(3.37)

где: – площадь живого сечения быстротока;

С – скоростной коэффициент Шези;

R – гидравлический радиус.

Расчет сводим в табл. 3.14.

Таблица 3.14.

№ п/п	h, м
1	…	…	…	…	…	…
…

Примечание: коэффициент шероховатости облицовки быстротока в расчете принимать равным n=0,014.

Определяем критическую глубину на быстротоке:

(3.38)

Здесь:

(3.39)

Глубина в начале быстротока , т.к. вход быстротока рассматривается как водослив с широким порогом, в конце которого устанавливается критическая глубина. Необходимые гидравлические характеристики потока при глубине определяются в табл. 3.14.

Глубина в конце быстротока «h₂» определяем по уравнению Б. А. Бахметьева, приведенного к следующему виду:

(3.40)

где: – относительные глубины в начале и конце быстротока и – функции относительных глубин, определяемые в зависимости от значений « » и гидравлического показателя русла «Х».

Среднее значение « » и « » определяются по зависимостям:

(3.41); (3.42); (3.43)

где: – скоростные коэффициенты и смоченные периметры при глубинах «h₁» и «h₀» вычисленные в табл. 3.14.

Гидравлический показатель русла «Х» определяем по формуле:

(3.44)

Здесь «К₁» и «К₀» – расходные характеристики при глубинах «h₁» и «h₀» соответственно (из табл. 3.14).

Вычисляем известную правую часть уравнения (3.40), найдя при известном « », значение « » при ближайшем табличном значении «Х» вычисленного по формуле (3.44).

Определение « » выполняется методом подбора, задавая значением « » и определяя . Расчет сводим в табл.3.15.

Таблица 3.15.

…	…	…	…

Глубина воды в конце быстротока равна:

(3.45)

Выполняем проверку режима сопряжения потока, сходящего с быстротока в отводящий канал с нулевым уклоном, для чего находим сопряженную с глубиной « » глубину « » по формуле:

(3.46)

В случае, когда вторая сопряженная глубина гидравлического прыжка больше глубины воды в нижнем бьефе ( принято при ), в начале отводящего канала необходимо устройство водобойного колодца для затопления гидравлического прыжка, либо консольного перепада.

Расчет водобойного колодца.

Глубину водобойного колодца прямоугольного сечения (рис. 3.4) определяем по зависимости:

(3.47)

где: – перепад восстановления образующейся на выходе потока из водобойного колодца (рис. 4.4), определим приближенно по формуле:

(3.48)

Рис. 3.4. Водобойный колодец

где: – коэффициент скорости, принимаемый равным 0,95.

Длину водобойного колодца можно определить по М.Д. Чертоусову по зависимости:

(3.49)

где: – длина затопленного гидравлического прыжка, определяемая, по формуле Н.Н.Павловского:

(3.50)