где F – площадь подошвы секции плотины;

ω – площадь поверхности сдвига, проходящая в грунте с удель-

ным сцеплением c;

ϕ и c – расчетные значения характеристик грунтов по поверхно-

сти сдвига [1, приложение 1; 2, табл. П1];

ΣР – сумма вертикальных сил.

5.3. Береговые открытые водосбросы

ла,

Открытые береговые водосбросы состоят из подводящего канаУ-

головной части в виде водосливной плотины, регулирующей

Т

сбрасываемый расход, сопрягающего сооружения и отводящего ка-

нала. Иногда между водосливной плотиной и сопрягающим соору-

жением устраивается промежуточный канал (рис. 5.7). Ось водо-

Н

сбросного тракта стремятся трассировать перпендикулярно гори-

зонталям по возможности прямолине

, что дает минимальную

Б

его длину. Трасса водосброса может быть криволинейной, она мо-

жет проходить в пределах плеча плот ны

ли вне ее.

а

ной

НПУ

и

1

р

о

т

2

3

5

4

и

6

з

о

3

б

б)

НПУ

4

п

е

2

УНБ

Р

5

6

Рис. 5.7. Схема открытого берегового водосброса:

1 – грунтовая плотина; 2 – подводящий канал; 3 – головное сооружение; 4 – проме-

жуточный канал; 5 – сопрягающее сооружение; 6 – водобойное сооружение в НБ

мальных объемах земляных работ при устройстве котлованов под

сооружения водосброса.

У

Подводящий канал должен обеспечивать плавный подвод воды к

Т

сечение подводящего канала трапецеидальное с заложением отко-

сов от 1,5 до 2,5 в нескальных грунтах и от 0,5 до вертикальных – в

скальных. Если скорость потока в канале превышаетНдопустимую

й

по размыву, дно и откосы его укрепляются каменной наброской или

бетонными плитами.

Б

Головная часть представляет собой водосливную плотину чаще

всего с широким порогом. Метод ка определения размеров водо-

сливных отверстий головной части

зложена в п. 5.2.2. Если сопря-

го

гающее сооружение располагаетсяинепосредственно за водосливной

плотиной (промежуточный канал тсутствует), то гасители кинети-

ческой энергии сбрасываем

рп т ка за плотиной не устраиваются.

и

При наличии промежу чн го канала необходимо выполнить рас-

чет сопряжения бьефов (за бытовую глубину в НБ водослива при-

нимается расчетнаятглубина воды

в канале) и предусмотреть

устройства для гашен я энергии сбрасываемого потока.

Примечание. В курсовой работе не выполняются расчеты по

п

промежут чнзму каналу, а также по устройству нижнего бьефа за

головн й частью. После определения размеров водосливных отвер-

е

стий следуетоереходить к расчету сопрягающего сооружения.

Р

Пром жуточный канал проектируется в том случае, когда про-

питься каменной наброской или бетонными плитами в зависимости

от скорости потока и геологических условий.

Сопрягающее сооружение в береговых открытых водосбросах

низко- и cредненапорных гидроузлов устраивается в виде быстро-

токов, быстротоков с усиленной шероховатостью, консольных пе-

репадов и многоступенчатых перепадов.

5.3.1. Быстроток

Быстротоками называются каналы с уклоном больше критичеУ-

ского, сбрасывающие воду из верхнего бьефа в нижний.

Быстроток выполняется в виде бетонного или железобетонногоТ

лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным попе-

речным сечением (рис. 5.8). Уклон дна быстротока принимается всегда

Н

больше критического и наиболее часто задается в пределах 0,05–0,25.

Ширина быстротока может быть постоянной или переменной, что

обуславливается как возможностью

Б

энергии в нижнем бье-

фе, так и условиями некоторого сокращен я объемов работ.

а)

l

й

гашения

h1

р

о

т

УНБ

в

в)

и

h2

d к

l к

з

)

о

б

УНБ

п

дренаж

h2

е

d к

l1

Р

l к

Рис. 5.8. Быстроток:

а – без стенки падения; б – со стенкой падения;

в – примеры поперечных сечений лотка быстротока

нимается 0,3–0,8 м, стенки и днище по длине лотка разрезаются де-

формационными швами через 20–25 м.

У

В прочных скальных породах бетонная облицовка не устраива-

Т

тание, но иногда для уменьшения объемов строительных работ

устраивают быстротоки с виражом. На криволинейном участке дну

быстротока придается поперечный уклон, вогнутаяНбоковая стенка

й

его делается большей высоты, чем выпуклая.

В быстротоках большой ширины, а также наБкриволинейных уча-

стках без поперечного уклона дна, для обеспечения устойчивости

потока в поперечном направлен

устра вают продольные раздель-

ные стенки.

о

При высоком положении у овнейифильтрационного потока по

трассе быстротока устраивается д енаж под днищем и за боковыми

стенками. Чаще всего применяетсятрубчатый дренаж.

и

Превышение боковых с ен к быстротока над уровнем воды в

нем (кривая свободной поверхности воды в быстротоке устанавли-

з

тм расчетом) принимается по табл. 5.7.

вается гидравл ческ

о

Таблица 5.7

п

Проектирование быстротока

е

1

1–10

10–30

30–50

50–100

Расход в быстротоке, м3/с

Пр выш ние боковых стен

20

30

40

50

60

над уровнем воды, см

РГидравлический расчет

быстротока при заданных параметрах по-

емов земляных работ.

Построение кривой свободной поверхности выполняется по урав-

нению Б.А. Бахметьева

У

i0 l

= η2 – η1 – (1 – jср)[ ϕ(η2) – ϕ(η1)],

Т(5.33)

h0

Н

где i0

– уклон дна быстротока;

Б

l – длина быстротока;

h0

– нормальная глубина, т. е.

при равномерном движе-

нии потока на быстротоке;

й

h1

h2

η1

=

, η2

= h0 – относительные глубины в начале и в конце

h0

быстротока;

глубина

ϕ(η1), ϕ(η2) – функции нрсительных глубин [2, табл. П8];

о

2

тjср =

α Cср bб i0

,

(5.34)

и

g χ

где C

ср

– к эффициент Шези, средний на рассматриваемом участке;

з

χ –

см ченный периметр.

Обычноори расчетах нет необходимости строить всю кривую

с ада. Достаточно определить глубины на входе и на выходе быст-

ротокап. Расчет выполняется в следующем порядке:

1.

Глубина воды на входе в быстроток (h1) принимается равной

е

критической глубине

Р

h1 = hкр

= 3

αQ2

,

(5.35)

bб2g

где α = 1–1,1 – коэффициент Кориолиса;

Q – расход в быстротоке;

bб – ширина быстротока.

2.

Подбором, задаваясь рядом значений глубины потока на быст-

ротоке, определяют нормальную глубину из уравнения равномерного

движения

У

Q = ω C

,

(5.36)

Ri0

Н

где ω – площадь живого сечения;

Т

R – гидравлический радиус, R = ω /χ;

χ – смоченный периметр;

C – коэффициент Шези, может быть определен по формуле

й

С =

1

1/

6

Б

n R

,

(5.37)

где n

р

– коэффициент шероховатости, для бетонных поверхностей

можно принимать n

о

и

= 0,012.

3.

По формуле (5.34) п еделяется величина jср по средним зна-

чениям С, bб и χ в начале и в к нце быстротока, принимая в первом

глубину

приближении

в к нце быстротока h2

= h0.

4. Гидравл ческ

й показа ель русла х определяется из соотно-

з

шения модулей расходатглубин в начале и в конце быстротока:

п

2lg

K1

K2

о

x =

,

(5.38)

где

lg

h1

Р

h2

K – модуль расхода, определяется по формуле

K = ω C

.

(5.39)

R

уравнение (5.33), из которого подбором определяется значение функ-

ции ϕ(η2) и соответствующая ей относительная глубина η2.

6.

Находится глубина воды в конце быстротока h2

= η2 h0

. Если

полученная величина h2

отличается от предварительно заданной, рас-

четы по п. 3–5 повторяются при вновь полученном значении h2 .

После окончательного определения h2 вычисляется максимальная

скорость в конце быстротока

(5.40)У

vmax =

Q

,

bбh2

Т

величина которой не должна превышать допустимого значения.

Быстроток с усиленной шероховатостью. В том случае, когда

Н

скорость потока на быстротоке превышает допустимую, а умень-

шение его уклона нецелесообразно, устраивается быстроток с уси-

Б

ленной шероховатостью. Искусственная шероховатость выполняет-

ся чаще всего в виде поперечных донных ребер, устраиваемых на

й

дне, а иногда и на боковых стенках лотка быстротока (рис. 5.9).

и

р

90 o

k=1,85

k=0,88

о

т

90 o

и

з

k=1,2

о

90 o

k=2,0

п

е

k=1,65

Р

Рис. 5.9. Типы усиленной шероховатости на быстротоке

1 –

Q

= i0,

(5.41)

v ω

Т

2

∆ b

2

У

8gRi0ω

Н

2

0,1

2

= 0,04 + 2,29 i0 + K i0

(5.42)

Q

Б

где Q – расчетный расход;

v – скорость потока на быстротоке;

∆ – высота ребер усиленной шероховатости;

i0 – уклон дна быстротока;

и

ω, χ, R –

соответственно площадь ж вого сечения,

смоченный

рис. 5.9).

рад

периметр и гидравлический

ус потокай, определяемые по глу-

бине, отсчитываемой от верха

ебер ше оховатости;

его

k – опытный коэффициент, зависящий от типа шероховатости(см.

т

Порядок расчета следующий. Задаются значения скорости потока

условий

равномерного движения v = 6–8 м/с.

на быстротоке для

Из формулы (5.41) наход ся глубина потока, а по (5.42) вычисля-

з

ется высота ребер скусственной шероховатости. При этом необхо-

димо

обеспечить

соблюдение условия h/

≥ 3. Если при расчете по-

лучается < 0, это о начает, что при назначенном типе шерохова-

п

тости и заданных условиях скорость потока заведомо ниже, чем

заданн е значение v. После расчета высоты

следует указать длину

сле

участка, на котором водоскат должен быть снабжен усиленной ше-

роховатостью. Ребра устанавливаются, начиная с того сечения, по-

Р

которого

скорости

без усиленной

шероховатости

становятся

лодца либо водобойной стенки (при донном режиме сопряжения бье-

фов) или с консольным перепадом (при режиме сопряжения отброшен-

У

ной струей). Водобойный колодец обычно устраивается на нескальных

грунтах. Консольный перепад– чаще на скальных грунтах.

Т

Водобойный колодец может быть со стенкой падения или без нее.

Расчет донного режима сопряжения бьефов выполняется при

отсутствии стенки падения (см. рис. 5.8, а) так же, как и в п. 5.2.3.

При этом первая сопряженная глубина принимается равной глубине

в конце быстротока, т. е. h' = h

Б

2. При наличии стенки падения (см.

рис. 5.8, б) расчет производится следующим образом. Задается глу-

бина водобойного колодца dк

и по следующей формулеНпутем под-

й

бора определяется глубина в сжатом сечении:

и

q = ϕhc

2g (h2

+ dк +

v2

−hc ) ,

(5.43)

2g

о

где ϕ – коэффициент ск р сти, п и высоте падения струи от 1 до 5 м

принимается соотве с венно р0,97 до 0,85 (промежуточные значе-

ния – по интерполяции);

v – скорость в конце быс ротока.

Затем определяетсятh″ (см. п.5.2.3) и проверяется условиеhНБ + dк ≥

h''. Если

услов е не выполняется, то следует задаться другой вели-

это

lк

= l1

+ 0,8lпр,

(5.44)

чиной dк и п вт ритьрасчет. Если же указанное условие выполняется,

п

зл дца задана верно. Затем определяется длина колодца

то глубина к

где

Р

lпр – длина прыжка (см. п. 5.2.3);

l1 – дальность полета струи:

v2

l1 =

h2

+

(2dк

+ h2 ).

(5.45)

2g