3.2Багатосходиновий перепад

Перепад – це споруда в якій сполучення рівнів води верхнього та нижнього б’єфів відбувається шляхом руху води по сходах (виступах). Застосовується для сполучення б’єфів на місцевості з крутим рельєфом.

В залежності від кількості сходин перепад може бути односходиновий та багатосходиновий, виконуються з бетону або залізобетону.

Частіше використовують багатосходинові перепади, оскільки, різниця рівнів води верхнього та нижнього б’єфів зазвичай суттєва. Форма поперечного перерізу перепада прямокутна або трапецієподібна. Сходини проектують однакової висоти. В деяких випадках можуть відрізнятися розміри першої та останньої сходин. В даному випадку виконуємо розрахунки першої та другої сходини, розміри третьої та усіх інших сходини приймаються такими як другої.

Перепад проектують таким чином щоб відношення висоти сходини до її довжини відповідало середньому уклону місцевості в напрямку траси перепада, це дає змогу мінімізувати об’єм земляних робіт під час будівництва перепаду.

Висота сходини перепаду може сягати 5 м, довжина – 20 м.

Приймаємо багатосходиновий перепад з прямокутною формою поперечного перерізу. Ширину перепада приймаємо , де b – ширина з’єднувального канала.

Кількість сходин перепаду визначають за залежністю

, (3.4)

де z_ЗК – відмітка вхідної частини перепада, яка співпадає с відміткою дна з’єднувального канала в кінці.

z_ВК – відмітка дна відвідного каналу після споруди для сполучення, в даному випадку – перепаду.

Р – висота стінки падіння (рис. 3.2).

Довжина сходини призначається з тих міркувань, що у її межах повинна бути розсіяна надлишкова енергія потоку. При виконанні цієї умови глибина потоку в кінці сходини повинна дорівнювати критичній, в цьому випадку довжина сходини виходить надто велика. Для скорочення довжини сходин в кінці кожної передбачають улаштування водобійної стінки для отримання в межах сходини затопленого гідравлічного стрибка. В цьому випадку на кожній сходині отримаємо водобійний колодязь утворений виступом – стінкою, такий перепад називають перепадом колодязного типу (рис. 3.2)

1 – з’єднувальний канал, 2 –­ вхідна частина, 3 – стінка падіння, 4 – ­ водобій (безпосередньо сходина), 6 – гаситель у вигляді водобійного колодязя утвореного виступом – стінкою, 7 –­ відвідний канал

Рисунок 3.2 – Схема багатосходинового перепада колодязного типю.

На виході з перепаду як й у межах кожної сходини також влаштовують гаситель енергії – водобійну стінки того ж самого розміру, що й на сходинах. Також на виході в нижній б’єф в якості гасителя може бути застосований водобійний колодязь утворений виїмкою (рис. 3.3)

Довжина сходини колодязного перепада визначається за залежністю

, (3.5, а)

де  – відстань від стінки падіння до стисненого перерізу;

 – довжина гідравлічного стрибка.

Довжина водобійного колодязя розраховується з тих самих міркувань, що й довжина сходини, тобто .

1 – остання сходина перепада, 2 – водобійний колодязь, 3 – відвідний канал.

Рисунок 3.3 – Водобійний колодязь в кінці перепада

Наведена формула справедлива для випадку, коли у межах сходини утворюється досконалий стрибок. Для перепадів є допустимим, коли водобійні колодязі на сходинах працюють за схемою підпертого стрибка, в такому разі довжину сходину можна зменшити до значення.

, (3.5, б)

де  – коефіцієнт імовірного стиснення,  = 0,7 … 0,8.

Відстань від стінки падіння до стисненого перерізу можна визначити за залежністю [12]

, (3.6)

де  – коефіцієнт швидкості, який можна прийняти ;

h – глибина потоку безпосередньо на стінці падіння, яка складає

– для випадку коли вхід на сходину представляє собою водозлив з широким порогом,

– для випадку коли вхід на сходину представляє собою водозлив практичного профілю,

Н₀ – повний напір на водозливі, яким є вхід на сходину.

, (3.7)

де Н – геометричний напір на водозливі, яким є вхід на сходину, b_П – ширина перепада.

Вхідна частина перепаду (вхід на першу сходину) представляє собою непідтоплений водозлив з широким порогом.

Витрата через водозлив складає

де m – коефіцієнт витрати водозливу.

З наведеної формули отримаємо .

Для випадку колодязного перепаду, тобто коли в кінці кожної сходини маємо водобійну стінку, вхід на наступні сходини є водозливом практичного профілю.

Для водозливів з широким порогом коефіцієнт витрати рекомендується приймати в межах , для водозливу практичного профілю – .

Довжину гідравлічного стрибка визначаємо за залежністю М.М.Павловського

, (3.8)

де  – відповідно перша та друга сполучені глибини гідравлічного стрибка, що утворюється в межах сходини.

При розрахунках вважаємо, що в межах сходини утворюється насунутий гідравлічний стрибок тобто перша сполучена глибина дорівнює глибині у стисненому перерізі ( ).

Глибину у стисненому перерізі визначаємо розрахунками сполучення потоків на попередні та даній сходині. Для цього скористаємось рівнянням (3.9), ліва частина якого представляє собою повний напір на попередній сходині (над стінкою падіння), права частина – напір у стисненому перерізі на наступній сходині (що розраховується).

. (3.9)

де – висота стінки падіння за відсутності водобійної стінки в кінці сходини

– відмітка даної та попередньої сходини

– висота стінки падіння для випадку колодязного перепаду, тобто за наявності водобійної стінки в кінці сходини

Коефіцієнт швидкості  приймається в залежності від висоти стінки падіння [9]

Р, м	1	2	3	4	5
	0,97 .. 0,95	0,95 .. 0,91	0,91 .. 0,88	0,88 .. 0,86	0,86 .. 0,85

Другу сполучену глибину для випадку прямокутного поперечного перерізу потоку визначаємо за залежністю

, (3.10)

де h_кр – критична глибина, яку для випадку прямокутного перерізу потоку слід визначати таким чином

. (3.11)

де  – коефіцієнт Коріоліса ( = 1,1).

Висоту водобійної стінки с в кінці кожної сходини розраховують за залежністю

, (3.12)

де k = 1,05 … 1,10 – коефіцієнт запасу (затоплення),

Н – геометричний напір на стінці, який визначають з умови, що стінка є незатопленим водозливом,

,

Для випадку багатосходинового колодязного перепаду можна скористатися спрощеним способом розрахунку.

Задаємось кількістю сходин N, при цьому їх орієнтовна висота повинна складати . Далі визначаємо висоту стінок падіння, що включає висоту водобійної стінки за залежністю.

, (3.13)

де z – різниця відміток дна верхнього та нижнього б’єфів, в нашому випадку – з’єднувального та відвідного каналів .

А – коефіцієнт, який складає: – для випадку, коли в кінці перепаду влаштовують водобійну стінку, – для випадку, коли в кінці перепаду влаштовують водобійний колодязь.

Довжина кожної сходини (колодязя) складатиме

, (3.14)

де відстань до стисненого перерізу визначається за залежністю Чертоусова

, (3.15)

Висота водобійних стінок (глибина колодязя) на сходинах, а також на виході потоку у нижній б’єф може бути визначена за залежністю

, (3.16)

де Fr₁ – число Фруда у стисненому перерізі. визначається за залежністю

, (3.17)

Якщо на виході з перепаду влаштовується водобійний колодязь, його глибина розраховується за залежністю (3.16) й приймається рівною висоті стінки, тобто .

Товщину водобоїв (сходин) бетонних перепадів слід приймати в залежності від питомої витрати та висоти стінки падіння

Питома витрата, q, м2/с	Висота стінки падіння, Р, м	Товщина водобоя, м
< 2		0,35 – 0,4
2	< 2	0,5
	2,5	0,6 – 0,7
> 5	3,5	0,8 – 1

Для залізобетонних перепадів товщину плит водобоя слід приймати

0,12 – 0,15 м для випадку q<2  м²/с та Р < 1,5 м,

0,15 – 0,30 м для більших значень q та. Р

У водобійних стінках на кожній сходині слід передбачити отвори від 0,10,1  до 0,20,2 м для зливу води коли перепад не працює.