4507

2

УДК 630*237

Галдина,Т.Е. Гидротехнические сооружения в лесном деле [Электронный ресурс]: методические указания к практическим занятиям для студентов по направлению подготовки 35.04.01 – Лесное дело./ Т. Е. Галдина; М- во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. - 3 9 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (протокол № 1 от « 17» сентября 2018 г.)

Рецензент доц. кафедры градостроительства ФГБОУ ВО ВГТУ, кандидат с.-х. наук Гурьева Е.И.

Ответственный редактор заведующий кафедрой лесных культур, селекции и лесомелиорации ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», д-р с.- х. наук В. И. Михин

3

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания написаны в соответствии с государственным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 35.04.01 – Лесное дело, определяющий программу курса

«Гидротехнические сооружения в лесном деле». Выполнение практических занятий предполагает получить более углубленное изучение раздела гидротехнических сооружений, применяемых в лесном хозяйстве,

практическую и теоретическую подготовку к решению проектных,

производственно-технических и организационно-управленческих вопросов в будущей профессионального деятельности. Рационального использования водных ресурсов при благоустройстве всех видов государственного лесного фонда, лесопарков, парков и других зон для создания элемента ноосферы с учетом потребности общества, повышения качества и безопасности среды обитания человека.

4

1 ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Гидротехническими называют инженерные сооружения, предна-

значенные для использования природных водных ресурсов (поверхностных и подземных) или предотвращения вредного воздействия воды на окружающую среду. Основные задачи: приспособление, изменение или преобразование естественного режима водного объекта в целях экономичного водохозяй-

ственного использования с учетом требований охраны окружающей среды;

создание искусственных водотоков и водоемов, когда естественных вод не-

достаточно или они отсутствуют; разработка конструкций сооружений для специальных нужд отдельных отраслей водного хозяйства.

Гидротехнические сооружения подразделяют на речные, озерные, пру-

довые, морские, мелиоративные, береговые, русловые, пойменные, подземные и т.д., они могут быть:

водопорными – перегораживают водоток (плотины, дамбы и др.);

водопроводящими – подают воду к местам ее потребления (трубопроводы,

туннели и т.п.);

водозаборными – забирают воду из водотоков и водоемов;

водосбросными - предназначены для сброса излишков воды;

регуляционными – регулируют процесс взаимодействия потока с речным руслом и другими сооружениями (струенаправляющие дамбы и стенки, бере-

гоукрепительные сооружения и др.).

По условиям использования гидротехнические сооружения делят на постоянные (эксплуатируют круглый год) и временные (работают только в период строительства или ремонта).

5

СООРУЖЕНИИ

Выбор сопрягающего сооружения производится на основе технико-

экономического сравнения вариантов с учетом особенностей сооружений и трассы (в том числе геологических и топографических условий,

гидравлических особенностей работы сооружения и отводящего русла, условий сопряжения в нижнем бьефе сооружения, эксплуатационных требований и т.д.).

Эти вопросы детально изучаются в курсе гидротехнических сооружений.

К сопрягающим сооружениям относятся одно- и многоступенчатые перепады, быстротоки и консольные перепады, которые обеспечивают сопряжение участков каналов или водопропускного тракта в местах с резким изменением отметок поверхности земли. Эти сооружения используются также как открытые береговые водопропускные сооружения при пропуске расходов воды в обход плотин.

2.1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И

МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПЕРЕПАДОВ

Одноступенчатый перепад состоит из стенки падения и входной и

выходной частей (рис. 1). Стенка падения может быть вертикальной, наклонной

или криволинейной.

6

Рисунок 1- Одноступенчатый перепад.

Входная часть перепадов может выполняться в виде водослива с

прямолинейного или криволинейного очертания. Поперечное сечение водослива может быть как равно поперечному сечению подводящего русла, так и меньше него. В последнем случае будет боковое сжатие.

Ширина входной части, работающей как водослив, определяется из

формулы расхода водослива

Если входная часть перепада работает как неподтопленный водослив, то

n =1, если входная часть подтоплена, то n <1 и определяется в соответствии с рекомендациями по учету подтопления водосливов. Вопрос о подтоплении входной части решается после определения глубины воды на водобое и сравнения ее с высотой стенки падения со стороны нижнего бьефа перепада.

Высота порога на входе

7

pвх ho H , (2)

где ho - нормальная глубина в подводящем русле.

Очевидно, что при pвх =0 напор H равен глубине в подводящем русле

при равномерном движении ho , a

где vo - скорость при равномерном движении в этом русле.

Если уклон дна подводящего русла i iкр (спокойное состояние потока)

и порог в подводящем русле отсутствует, то, как известно, устанавливается кривая спада Ib (рис. 1,6).

При отсутствии бокового сжатия на расстоянии 2 2,5 hкр выше ребра стенки падения (в сечении 1-1) глубина равна критической глубине, а

непосредственно над ребром hn 0,7hкр .

Если в подводящем русле i iкр (бурное состояние потока), то глубина при равномерном движении ho на входе в сечение 1-1 равна нормальной в данных условиях. Но ho hкр . При этом на участке 1-1 глубина уменьшается

не более 5 %.

Обычно на подходе к перепадам поток находится в спокойном состоянии.

Установим отношение критической глубины hкр и напора Ho ,

соответствующих данному удельному расходу. При прямоугольном поперечном сечении

hкр 3 q2 / g , (4)

а

Ho q / m2g 3/ 2 (5)

или

hп 0,6Ho и hп 0,8 0,87 hкр (9)

а для водослива с широким порогом (по М. Д. Чертоусову и Р. Р. Чугаеву)

hп 0,47 0,5 Ho и hп 0,75 0,8 hкр (10)

Движение спокойного потока выше сечения 1-1 будет плавно изменяющимся, а на участке между сечениями 1-1 и 1'-1' резко изменяющимся со значительной кривизной линий тока. Вследствие этого распределение

9

давлений в сечении над ребром стенки падения отличается от гидростатического. При свободном падении струи избыточное давление в нижних точках потока в сечении 1'-1' равно нулю.

Суммарная сила избыточного давления в сечении 1'-1' над ребром стенки падения составит по В. Н. Попову

P k gh (11)

п ц.т.п п

т. е. в 1/ k раз меньше силы избыточного давления покоящейся жидкости при тех же площади n и глубине погружения центра тяжести.

По экспериментальным данным при свободном доступе воздуха под струю и боковых стенках, ограничивающих падающую струю, k =0,333; при истечении струи в атмосферу k =0,2; при отсутствии доступа воздуха под струю k =0.

Для удовлетворительной работы перепада необходим доступ воздуха в подструйное пространство.

Рисунок 2 –Поперечный разрез водослива Рисунок 3 – Поперечный разрез щелевого водослива

Щелевые водосливы на входе. Если ширина входной части рассчитана на пропуск только одного значения расхода Q , то при других расходах в канале будет наблюдаться кривая подкора (увеличение глубин) или кривая спада

(уменьшение глубин). В первом случае скорости будут уменьшаться и в канале может начаться заиление. Увеличение глубин при подпоре приводит к

10

необходимости предусматривать большие запасы высоты бортов канала, чтобы не допустить перелив воды через борта. При спаде, наоборот, скорости воды увеличиваются и может происходить размыв.

В связи с указанными особенностями работы канала для обеспечения движения, близкого к равномерному, проектируют или водослив с изменяемой высотой порога (разборный порог, состоящий из нескольких перегораживающих поток горизонтальных балок, которые по мере необходимости убираются), или водосливы, автоматически поддерживающие равномерное движение в канале при изменении расходов в некотором диапазоне. В общем случае такой водослив должен иметь криволинейное сечение, нормальное к направлению потока (рис. 2). Равномерное движение поддерживается таким водосливом при изменении расходов от Qmax до

Qmin .

Обычно применяют щелевые водосливы с трапецеидальным сечением,

состоящие из одной или нескольких щелей (рис. 3).

Принимая глубину в плоскости щелевого водослива равной 0,8H ,

получим среднюю ширину трапецеидального сечения в этой плоскости

bср b 0,8Hctg , (12)

где - угол наклона откосов трапецеидального сечения водослива.

Чтобы меньше нарушать условия равномерного движения, в данном расчете принимают два промежуточных значения расхода: Q1 Qmax и

Q2 Qmin и назначают их так, чтобы соответствующие им значения нормальных глубин в канале равнялись

h01 h0max 0,25 h0max ho min (13)