5.2. Исследование сопряжения бьефов лесосплавной плотины

Цель работы. Изучить различные схемы сопряжения бьефов лесосплавной плотины и определить основные гидравлические параметры переливающегося потока воды через водослив плотины.

Общие сведения. В зависимости от типа водослива и наличия на нем затворов возможны различные схемы сопряжения бьефов лесосплавных плотин (рис. 5.4). В нижнем бьефе плотины обычно наблюдается донный или поверхностный режим потока.

При донном режиме поток достигает дна в непосредственной близости от сооружения, а наибольшие скорости течения наблюдаются около дна (схемы II-IV). При поверхностном режиме наибольшие скорости наблюдаются вблизи от свободной поверхности потока (схема I).

Бурный поток, образующийся после перелива через плотину, обладает большой кинетической энергией и может разрушить русло, что опасно и для самого сооружения, которое может оказаться подмытым со стороны нижнего бьефа. Чтобы предохранить русло от разрушения, его приходится укреплять до того места, где бурный поток переходит в спокойный. Обычно это бывает дорого, и поэтому при проектировании лесосплавных плотин стремятся к тому, чтобы переход потока в спокойное состояние происходил возле самого сооружения.

При расчете сопряжения бьефов низконапорных лесосплавных плотин обычно рассматривают два случая:

1) пропуск расходов воды весеннего половодья или дождевого паводка в условиях поверхностного режима потока (рис. 5.5,а);

2) пропуск эксплуатационных расходов воды (дополнительного питания или бытовой приточности) при донном режиме (рис. 5.5,б).

Водосливное отверстие лесосплавной плотины IV класса капитальности рассчитывается на пропуск максимального расхода 5% обеспеченности и проверяется на пропуск максимального расхода 1% обеспеченности. Поскольку пропуск максимальных расходов происходит при полностью снятых щитах, то водосливное отверстие лесосплавной плотины в гидравлическом отношении рассматривается как водослив с широким порогом (см. рис. 5.5,а).

115

Рис. 5.4. Схемы сопряжения бьефов лесосплавных плотин

Рис. 5.5. Расчетные схемы сопряжения бьефов лесосплавной плотины:

а) поверхностный; б) донный

Расход воды через прямоугольный затопленный водослив с широким порогом определяется следующим образом:

Q nm1в 2g Ho3 / 2 ; (5.10) Ho H o2 / 2g , (5.11)

где ζп - коэффициент подтопления водослива; т1 - коэффициент расхода водослива с учетом бокового сжатия,

т1=εт;

в - ширина водосливного отверстия плотины, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2;

Но, Н - полный и статический напоры на пороге водослива, м;o2 / 2g - скоростной напор на пороге водослива, м;

α - корректив кинетической энергии потока; υо - средняя скорость потока на подходе к водосливу, м/с.

Средняя скорость потока на подходе к водосливу вычисляется по

Если площадь потока перед водосливом Ω<4вН, или υо<0,5 м/с то скоростной напор можно не учитывать, принимая Но=Н (рис. 5.5,а).

Коэффициент подтопления водослива ζп зависит от отношения hп/Н, где hп - глубина воды на пороге водослива:

Коэффициент расхода т1 зависит от очертания водослива, его высоты р, а также формулы для коэффициента сжатия ε, учитывающего стеснение потока на входе в отверстие, тип промежуточных опор и расстояние между ними. Для условий низконапорных лесосплавных плотин составлена таблица значений коэффициента т1, учитывающего совокупное влияние перечисленных факторов [13]. Так, для плотины с низким горизонтальным флютбетом и водосливным отверстием, разделенным быками, т1=0,33…0,35.

Известно, что на подтопленном водосливе с широким порогом устанавливается глубина hп =(0,45…0,52)Но, которая меньше критической hк=0,6Но, а полное подтопление водослива наступает при hп=0,8Но. Поэтому в интервале глубины подтопления 0,6Но на водосливе образуется небольшой гидравлический прыжок (волна), практически не влияющий на режим нижнего бьефа. В то же время при расчетном максимальном расходе воды струя, сходящая с водослива, может иметь скорость, недопустимую для грунта русла реки. Эта скорость должна быть уменьшена в пределах рисбермы плотины.

Моделирование гидравлического сопряжения бьефов

Течение открытых потоков в гидротехнических сооружениях происходит под действием сил тяжести. Поэтому при моделировании гидротехнических сооружений необходимо исходить из закона гравитационного подобия Фруда (2.14). Для подобия между углами, глубинами, временем, скоростью и расходами нужно соблюдать соотношения (4.10) Для определения сил F, гидростатического давления Р, уклонов дна J, коэффициентов Шези С, гидравлических радиусов R, коэффициентов шероховатости п будут использоваться соотношения:

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 5.6) состоит из горизонтального гидравлического лотка прямоугольного сечения размерами 8х2х0,4 м, моделей низконапорной лесосплавной плотины и сплавляемых лесоматериалов (бревен, пучков, плотов), измерительных приборов (мерных штанг, тастеров, линеек, секундомеров), сухих древесных опилок. Гидравлическая схема экспериментальной установки приведена на рис.2.1.

Рис. 5.6. Модель лесосплавной плотины.

Модель деревянной лесосплавной плотины состоит из береговых устоев 1, флютбета 2, русловой опоры в виде ряжевого быка 3, промежуточных стоек 4 и щитов 5, перекрывающих отверстие плотины. Для съемки продольного профиля потока и поперечников установлен тастер 7 на подвижной раме 6. В конце лотка имеется затвор 9 для регулирования бытовой глубины воды в нижнем бьефе плотины. Для измерения глубины потока и контроля ее стабильности во время опыта служит тастер 8, установленный в конце лотка.

Порядок проведения работы

1.В гидравлическом лотке установить модель лесосплавной плотины в масштабе λ=40 (см. рис. 5.6).

2.Измерить мерной линейкой геометрические размеры: лесосплавной плотины: ширину отверстий в1 и в2, полную ширину

водопропускного отверстия плотины в, высоту порога Р, высоту щитов hщ, длины: понура lп, водобоя lв, слива lс;

сплавляемых лесоматериалов: диаметр d, длину l, осадку t;

плотов: длину Lпл, ширину Впл, осадку Тпл;

пучков: длину Lп, ширину Вп, осадку Тп (табл. 5.3).

3. В гидравлическом лотке осуществить попуск максимального расхода воды весеннего половодья Q5%max через водослив плотины при полностью снятых щитах и определить основные гидравлические параметры сопряжения бьефов.

118

Результаты измерений занести в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Геометрические размеры плотины, лесоматериалов, пучков, плотов

3.1.Измерить передвижным тастером уровни воды в верхнем бьефе

УВП, на водосливе ВС и в нижнем бьефе плотины УНБ и занести

их в табл. 5.4.

3.2.Составить расчетную схему сопряжения бьефов на водосливе (см. рис 5.5, а) при пропуске максимального расхода воды весеннего половодья.

3.3.По водомерному стеклу (см. рис 2.1) измерить напор воды на

мерном водосливе Не гидравлического лотка и определить по тарировочной кривой расход воды через плотину Q`max (см. табл.5.4).

3.4.Определить глубину воды hп (5.19), статический Н (5.20) и полный Но (5.11) напоры на пороге плотины, среднюю скорость потока υо (5.12) на подходе к водосливу (табл. 5.5).

3.5.Установить характер сопряжения бьефо в на водосливе:

если hп<0,8Но, то водослив с широким порогом считается неподтопленным; если hп<0,8Но то водослив подтоплен.

3.6.Вычислить расход воды через водослив плотины по форму-

ле (5.10).

3.7.Определить коэффициент расхода воды через водослив плотины m1 и сравнить его с табличными [13].

3.8.В нижнем бьефе плотины измерить глубину и скорость потока поверхностными поплавками в расчетных створах (табл. 5.5).

119

3.9. Организовать плотовой лесосплав через водопропускное отверстие.

4. В гидравлическом лотке осуществить попуск эксплуатационного расхода воды Qзар через лесосплавную плотину при наименьшем уровне верхнего бьефа УМО и минимальной лесосплавной глубине

внижнем бьефе.

4.1.Измерить передвижным тастером уровни воды в верхнем бьефе

УМО, на водосливе ВС и в нижнем бьефе УНБ (табл. 5.4).

4.2Составить расчетную схему сопряжения бьефов на водосливе (рис. 5.5,б) при попуске зарегулированного расхода воды через лесосплавную плотину.

4.3.По водомерному стеклу (рис.2.1) измерить напор воды на мер-

ном водосливе Не гидравлического лотка и определить по тарировочной кривой зарегулированный лесосплавной расход воды через плотину

Q`зар (табл. 5.4).

4.4.Определить глубину воды hп (5.19), статический Н (5.20) и полный Но (5.11) напоры на пороге плотины, среднюю скорость потока υо (5.12) на подходе к водосливу (табл. 5.6).

4.5.Установить характер сопряжения бьефов на водосливе:

если hп<0,8Но, то водослив не подтоплен; если hп≥0,8Но, то водослив подтоплен.

4.6.Определить коэффициент расхода воды через водослив плотины m1 и сравнить его с табличным [13].

4.7.Вычислить расход воды через водослив плотины по формуле (5.10) и сравнить его с экспериментальным.

4.8.В нижнем бьефе плотины измерить скорость потока поверхностными поплавками (табл.5.5).

4.9.Организовать первоначальный лесосплав через лесопропускное устройство плотины.

120

Обработка экспериментальных данных

1. Глубины воды в расчетных створах и статический напор на пороге плотины определяются по зависимостям:

hп= УНБПор; (5.19) Н= УВБПор. (5.20)

2. Средняя скорость потока υо на подходе к водосливу вычисляется по формуле (5.12). Если площадь потока перед водосливом Ω<4вН или

υо<0,5 м/с, то скоростной напор o2 / 2g можно не учитывать, принимая Но≈Н.

3.Полный напор на пороге плотины вычисляется по формуле (5.11).

4.Коэффициент расхода рассчитывается в зависимости от характера сопряжения бьефов на водосливе с широким порогом:

если водослив не подтоплен, то

6. По экспериментальным данным (см. табл. 5.5) построить графики зависимости hн=f1(С) и υн=f2(С) (рис. 5.7).

Сделать выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1.Каковы схемы сопряжения бьефов у лесосплавных плотин?

2.Какой режим потока устанавливается в нижнем бьефе плотины?

121

hн, υн

С

Рис. 5.7. Графики зависимости hн=f1(С) и υн=f2(С)

3.Какие два случая рассматривают при расчете сопряжения бьефов лесосплавных плотин?

4.На пропуск каких максимальных расходов рассчитываются водосливные отверстия лесосплавных плотин IV класса капитальности?

5.Как определить расход воды через прямоугольный водослив с широким порогом?

6.Как определить среднюю скорость потока на подходе к водосливу?

7.Как определить коэффициенты расхода и подтопления водослива?

8.Как установить характер сопряжения бьефов на водосливе?

9.Под действием каких сил происходит течение открытого потока на водосливе лесосплавной плотины?

10.По какому критерию моделируется взаимодействие речного потока и лесосплавной плотины?

11.Из чего состоит экспериментальная установка?

12.Какова гидравлическая схема экспериментальной установки?

13.Из чего состоит модель деревянной лесосплавной плотины?

14. Каков порядок проведения лабораторной работы?

15.Какие геометрические размеры лесосплавной плотины и сплавляемых лесоматериалов?

16.Как измерить уровни воды в верхнем и нижнем бьефах на водосливе?

17.Как определить глубину воды, статический и полный напоры на пороге плотины?

18.Как измерить скорость потока в нижнем бьефе плотины и пересчитать его на натуру?

19.Сравните скорости потока в нижнем бьефе с размывающей по грунту основания?

122