3.3Швидкотік

Швидкотік – це споруда для сполучення б’єфів у вигляді лотків/каналів, що мають клон дна більший за критичний і переводять воду з верхнього б’єфу до нижнього без відокремлення потоку від лотка (на відміну від перепадів) при великих уклонах місцевості. Швидкотоки складаються з таких частин: вхідна частин (вхід), водоскат або лоток (безпосередньо швидкоток), вихідна частина (вихід). Також після водоската може бути розташовано заспокоювач – водобійна стінка, водобійний колодязь або інші гасителі енергії (рис. 3.4).

Швидкотоки зводяться з бетону та залізобетону, форма поперечного перерізу – прямокутна або трапецієподібна. Швидкотоки проектують з постійною ширино по всій довжині споруди або такі, що розширюються по течії. Також розрізняють швидкотоки із звичайною шорсткістю та з підвищеною, так званою штучною, шорсткістю. У швидкотоках із штучною шорсткістю потік у випадку рівномірного руху характеризується меншім ступенем бурхливості, може навіть перебувати у спокійному стані.

Приймаємо швидкотік прямокутного поперечного перерізу форми з постійною шириною по довжині виконаний з залізобетону, із звичайною шорсткістю.

Гідравлічний розрахунок швидкотоку містить:

• визначення розмірів вхідної частини;

• визначення характеру потоку в межах водоската (лотка), визначення глибини та швидкості цього потоку;

• визначення типу та розрахунок сполучення потоку, що рухається по водоскату, з потоком нижнього б’єфу.

Вхідна частина швидкотоку розраховується як водозлив таким самим чином, як у випадку перепада.

Допустимий максимальний уклон водоската розраховується за допустимою максимальною швидкістю, яка визначається в залежності від матеріалу споруди. При виборі уклону дна швидкотоку беруть до уваги уклон місцевості де буде розташована споруда.

Для бетону максимальна нерозмиваюча швидкість може бути прийнята у межах .

Визначимо максимальне припустиме значення уклону водоската з формули Шезі .

(3.16)

де С – коефіцієнт Шезі, який можна визначити наприклад за формулою Манінга (3.17)

n – коефіцієнт шорсткості, для бетону може прийнятий n =0,012 … 0,018 [6]/.

1 – з’єднувальний канал, 2 – вставка, 3 – вхідна частина, 4 – водоскат або безпосередньо швидкотік, 5 – заспокоювач (водобійний колодязь), 6 – вихідна частина, 7 – відвідний канал.

Рисунок 3.4 – Швидкотік прямокутного поперечного перерізу.

гідравлічний радіус, що відповідає мінімальній глибині потоку

(3.18)

 – відповідно площа живого перерізу та змочений периметр, що відповідають мінімальній глибині потоку, які для прямокутного перерізу можуть бути визначені таким чином

(3.19)

Мінімальну глибину в свою чергу визначаємо за залежністю

. (3.20)

де Q – розрахункова витрата, що скидається у нижній б’єф, b_в – ширина водоската.

Для швидкотоку повинна виконуватись умова

(3.21)

де  – критичний уклон, i_в – уклон дна водоската.

Уклон водоската найчастіше приймають в межах 0,05 … 0,25. Бажано, щоб уклон дна водоската був якнайближче до середнього уклону місцевості де розташована споруда.

Для визначення критичного уклону скористаємось залежністю

(3.22)

де , – відповідно змочений периметр та коефіцієнт Шезі, які відповідають критичній глибині потоку; для визначення цих величин використаємо формули (3.17–3.19), підставляючи замість значення критичної глибини .

Критичну глибину визначаємо за залежністю (3.11)

Якщо виконується умова (3.21) визначаємо нормальну глибину в межах водоската. Розрахунок виконуємо для випадку рівномірного руху за залежністю

. (3.23)

Розрахунок здійснюємо методом підбору: зажуємось рядом значень глибин h₀₁, h₀₂, h₀₃, h_0j, для кожного значення послідовно визначаємо величини та відповідне значення витрати Q _j. Приймаємо значення глибини в якості нормальної, для якої значення витрати виявиться найближчим до розрахункового.

Значення критичної та нормальної глибин використовують для визначення режиму руху в межах водоската та визначення положення вільної поверхні. Приймаємо, що на початку водоската встановлюється критична глибина (як на водозливі), в кінці – нормальна глибина. Для побудови вільної поверхні рекомендується застосовувати метод Чарномського.

Намагаючись отримати значення уклону водотока якнайближче до значень уклону місцевості може виявитися, що за цього значення швидкість руху потоку в межах споруди надто висока. У випадку, якщо швидкість руху потоку в межах водоската перевищує допустиму швидкість, слід застосувати водоскат з штучною шорсткістю.

Штучна шорсткість представляє собою виступи у вигляді ребер або шашок на дні та/або стінках каналів (рис.3.5), які зменшують швидкість потоку.

Рисунок 3.5 – Штучна шорсткість по дну канала у вигляді прямих ребер

Для бетонних ребер по дну коефіцієнт Шезі можна визначити за залежностями, які запропоновані Е.А.Замаріним (замість 3.17) [13]:

• для ребер з прямокутних брусків (рис. 3.5 а)

; (3.24)

• для ребер з округлених брусків (рис. 3.5 б)

; (3.25)

де h – глибина потоку, а – висота ребра, b – ширина канала, k – поправковий коефіцієнт, який визначається в залежності від поздовжнього уклона.

Уклон і	0,04	0,07	0,10	0,15
Поправковий коефіцієнт k	0,90	1,00	1,06	1,10

, ,

де  – відстань між ребрами.

• для зуб'ів, розташованих по течії(рис. 3.5 в)

; (3.26)

• для зуб'ів, розташованих проти течії (рис. 3.5 г)

. (3.27)

Коефіцієнт А визначають в залежності від уклона дна

Розташування зуб’ів	Значення А при і
по течії	19	21	22
проти течії	33	36	38

Для штучної шорсткості у вигляді шашок розташованих по дну в шаховому порядку (рис. 3.6) коефіцієнт Шезі можна визначити за залежністю Замаріна [13]

, (3.28)

де m – число шашок в ряді.

Ця залежність справедлива за умов , .

Рисунок 3.6 – Штучна шорсткість по дну канала у вигляді шашок.

Якщо улаштування штучної шорсткості не дає потрібного зниження швидкості руху потоку, слід зменшувати уклон дна водоската або розглядати варіант улаштування перепада.

Після водоската потік потрапляє у відвідний канал, який розраховується на рівномірний рух води. В межах водоската режим руху – бурхливий, у відвідному каналі – спокійний, це призведе до утворення гідравлічного стрибка. Для запобігання розмиву та руйнації споруд після водоската передбачаємо гаситель енергії – водобійний колодязь або водобійну стінку.

Висота стінки розраховується за залежністю (3.12). В цьому випадку напір на водозливі визначаємо з розрахунку розмірів водозливного фронту самої стінки.

Глибину колодязя визначаємо з таких самих міркувань, але в цьому випадку напір на водозливі (яким є вихідний поріг колодязя) дорівнює глибині води у відвідному каналі.