2.1.8. Спряжуючі споруди

Спряжуючі споруди при водосховищах являються складовими частинами водоскидів і служать для скидання надлишків води із водосховища, щоб запобігти їх переповненню. Перш ніж проектувати ці споруди необхідно познайомитись з їх роботою і конструкціями [1, с. 106...127], [3, с. 83...98], [4, с. 259...266].

Основні розміри спряжуючих споруд знаходяться з гідравлічних розрахунків при пропусканні через них розрахункової максимальної витрати для основного розрахункового випадку і перевіряються на пропуск перевірочної витрати .

Для гідравлічного розрахунку спряжуючої споруди необхідні, крім значення такі вихідні дані:

а) глибина води в з’єднувальному каналі при пропусканні (п.п. 2.1.2);

б) ширина з’єднувального каналу по дну, b_ЗК;

в) відмітка вхідної частини спряжуючої споруди ↓5 і відмітки ↓6 або ↓8 (в залежності від типу спряжуючої споруди) і загальну висоту перепаду (розд. 2.1.3);

г) швидкість руху води в каналі ;

д) глибина води в відвідному каналі (h_{відв. к.} = h_max) і допустиму швидкість в ньому течії

Багатосхідчастий перепад

Кількість східців перепаду п і значення висоти кожного східця Р визначаються в залежності від значення загального перепаду z, характеру повздовжнього профілю місцевості, а також значення глибини водобійного колодязя d. Висоту кожного східця Р вибирають в межах 2...4 м, глибину водобійного колодязя d≈1/3Р. Взагалі, висота східця визначається за залежністю

, (2.38)

де п – кількість східців перепаду. В процесі подальших розрахунків попередньо вибрані значення уточнюються.

Гідравлічний розрахунок перепаду

В результаті гідравлічного розрахунку визначається ширина вхідної частини перепаду b_вх, уточнюються попередньо вибрані розміри Р і d_к. Розрахунку підлягають перший, другий і останній східець. В процесі розрахунку встановлюються умови затоплення гідравлічного стрибка на східцях і визначаються їх необхідні довжини l_cх . Довжини східців необхідно мати однакові, але останній східець буде відмінним від проміжних (що виходить із умов спряження потоків в нижньому б’єфі).

Вхідна частина перепаду

У всіх спряжуючих спорудах з прямокутним поперечним перерізом форми вхідних частин аналогічні конструкціям вхідних частин регуляторів (див. рис. 2.4) [3, с. 112...114].

Вхідний отвір споруди працює як незатоплений водозлив з широким порогом (рис. 2.16) і ширина вхідної частини b_вх визначається з формули 2.13. Отримане значення b_вх заокруглюється до десятих частин метра в бік збільшення розміру. Ширина споруди b_с приймається такою, як і ширина вхідної частини (b_с= b_вх).

Перший східець

Глибина в стисненому перерізі h_c на дні колодязя знаходиться за залежністю

, (2.39)

де q – питома витрата, ; (2.40)

φ – коефіцієнт швидкості, який знаходиться за графіком на рис. 2.17 при .

Рис. 2.17.

Друга спряжена глибина із залежності 2.23. Напір над порогом водозливу в кінці східця

(2.41)

М – коефіцієнт витрати, М=1,86.

Глибина води на порозі першого колодязя

(2.42)

де V – швидкість потоку в кінці східця, яка знаходиться за залежністю

(2.43)

В изначається глибина водобійного колодязя за залежністю

, (2.44)

яка і порівнюється з раніше прийнятою d_к і після цього вибирається остаточно d_1к . Глибина води в колодязі

Рис. 2.16. Вхідна частина і перший

східець перепаду

, (2.45)

Коефіцієнт запасу в глибині колодязя

. (2.46)

Довжина східця визначається як сума значень

, (2.47)

де - довжина відльоту струмини, β =0,7...0,8, - довжина стрибка.

Значення визначається із залежності

, (2.48)

де V – середня швидкість на порозі, що визначається за залежністю

. (2.49)

Довжина стрибка визначається за залежністю

(2.50)

де - за залежністю (2.31).

Другий і наступні східці (рис. 2.18)

З начення Н₀ визначається як і для першого східця (2.41). За графіком на рис. 2.17 при значенні відношення знаходиться значення . Стиснена і друга

Рис. 2.18. Другий східець перепаду

спряжена глибина визначаються аналогічно (3.39) і (2.23). Середня швидкість на порозі (2.49), а довжина східця (4.47). Коефіцієнт запасу в глибині колодязя повинен бути в межах η = (1,1...1,2). Умови протікання потоку на всіх наступних східцях (при будь-якій їх кількості) можна вважати такими, як і на другому і через це їх не розраховують. Всі їх розміри такі ж самі, як і другого східця.

Останній східець (низовий водобійний колодязь)

П ерше, ніж розраховувати останній східець необхідно визначити ширину по дну відвідного каналу при відомій глибині в ньому , яка приймається такою ж, як і глибина води в річці при пропусканні розрахункової витрати Q_p

Рис. 2.19. Вихідна частина перепаду

(по кривій Q=f(h) для річки). Колодязь виконується у вигляді розтрубу, що розширюється в плані від ширини споруди до ширини відвідного каналу (рис. 2.19).

Планове закладання бортових стінок лотка повинно бути в межах 1:2...1:4 (для попередження відриву потоку від стінок). Якщо ця умова не виконується, то необхідно вибрати довжину останнього східця таким, як і проміжного , планове закладення в рекомендованих межах, а вже подальший перехід проводити в межах рисберми (рис. 2.19).

Значення другої спряженої глибини в просторових умовах спряження потоків знаходиться із рівняння стрибкової функції:

, (2.51)

де - площа живого перерізу перед стрибком,

, (2.52)

- площа живого перерізу за стрибком

, (2.53)

у₁ і у₂ - глибини занурення центрів тяжіння площ і (рис. 2.20)

- ширина розпуску, орієнтовно

. (2.54)

Рис. 2.20. Схема до розрахунку другої спряженої глибини

Швидкотік

В конструктивному відношенні швидкотік складається із вхідної частини, лотка (водоскату), гасителя (водобійного колодязя), відвідного каналу (рис. 2.21) [1, с. 106...112], [3, с. 83...89], [6, с. 260...262].

Довжина лотка швидкотоку визначається як гіпотенуза прямокутного трикутника

, (2.55)

z – загальна частина падіння місцевості (рис. 2.21),

L_Г – горизонтальне проложення між початком і кінцем лотка. Значення похилу лотка і_спор визначено в розділі 2.1.3.

Гідравлічний розрахунок швидкотоку

На основі гідравлічного розрахунку швидкотоку знаходиться його ширина, проводиться побудова кривої спаду і визначення умов гасіння енергії в нижньому б’єфі [3, с. 83...89].

Вхідна частина

Ширина вхідної частини швидкотоку (рис. 2.21, а) розраховується аналогічно вхідній частині перепаду.

Розрахунок лотка швидкотоку

В швидкотоках, що мають вхідну частину у вигляді перехідної ділянки, що звужується в плані, з горизонтальним дном і лотком постійної ширини по дну, глибина на початку швидкотоку (на ділянці перелому дна) дорівнює критичній глибині h_кр, отже в межах водоскату спостерігається крива спаду [3, с. 83...89].

Рис. 2.21. Схема до розрахунку швидкотоку

Значення питомої витрати q і критичної глибини визначається за (2.40) і (2.31). При розрахунках будемо вважати, що в кінці швидкотоку встановлюється нормальна глибина h_н, значення якої визначається підбором із рівняння Шезі

(2.56)

Розрахунок зручно проводити в табличній формі (табл. 2.12)

Таблиця 2.12

Гідравлічний розрахунок лотка швидкотоку

h	bл	ω	χ	R	i0		n	c	V	Q

Значення коефіцієнту шорсткості (бетон) n=0,017.

Задаючись значеннями h_н розрахунки проводяться до тих пір, коли отримане значення витрати співпаде із заданим.

Прийнявши глибину h_н= h₂ і h_кр= h₁ знаходиться середня глибина

(2.57)

Для побудови кривої спаду необхідно знайти середні значення площі, змоченого периметру і гідравлічного радіусу:

(2.58) (2.59) (2.60)

і , а також: середню витратну характеристику

, (2.61)

і витратну характеристику при нормальній глибині

, (2.62)

і значення члену, що враховує зміну живої сили вздовж потоку:

. (2.63)

В наведених формулах (2.58)...(2.62) і₀ - похил лотка швидкотоку, с_ср і с_н – коефіцієнти Шезі при середній і нормальній глибині (табл. 4.2), або

. (2.64)

Крива вільної поверхні води в швидкотоці будується за залежністю

, , (2.65)

де , (2.66) ; (2.67)

і - функції, що визначаються за допомогою таблиць [7, с. 111, табл. 9.3] в залежності від гідравлічного показника

(2.68)

Глибина води в кінці лотка визначається за залежністю (2.68), а значення швидкості за залежністю

. (2.69)

Одержане значення швидкості необхідно співставити з допустимим значенням для бетону (V_доп = 8...15 м/с) і зробити відповідні висновки. Прийнявши значення h₂=h_c визначається друга спряжена глибина по (4.51). Порівнюючи значення і глибину води у відвідному каналі h_відв.к. можна зробити висновки про необхідність влаштування водобійного колодязя. У випадку, якщо < h_відв.к., то глибину колодязя необхідно прийняти конструктивно не менше d_к ≥0,5 м.

Консольний перепад

До складу консольного перепаду (рис. 2.22) входить: вхідна частина, лоток швидкотоку і консоль. Вхідна частина і лоток в конструктивному відношенні аналогічні швидкотоку. Довжину консолі S приймають в межах 2...4 м. Гасіння енергії падаючого потоку забезпечується тільки після того, коли падаюча струмина розмила грунт і створила воронку таких розмірів, при яких відбувається заспокоєння потоку. Щоб запобігти розмиву укосів воронки їх закріплюють габіонами або фашинами. Закладання укосів закріпленої воронки вибирається в залежності від грунту, в якому формується воронка і попередньо можна приймати відповідно до табл. 2.1.

Крайня берегова опора (яка ближче до воронки) найбільш відповідальна частина споруди, тому що на неї опирається кінець лотка і консоль. Вона повинна бути закладена на материковому грунті на відмітці, яка нижче дна майбутньої воронки розмиву, щоб попередити підмив опори.

Рис. 2.22. Схема до розрахунку консольного перепаду

Гідравлічний розрахунок консольного перепаду

Всі розрахунки проводяться аналогічно розрахунку швидкотоку. Розрахунок швидкотічної частини закінчується визначенням глибини води в лотку h₂ (2.67) і швидкості в кінці лотка V₂ при глибині h₂.

Розрахунок воронки розмиву

Для розрахунку розмірів воронки розмиву необхідно мати висоту консолі Р, м (див. 2.1.3) і дожину її горизонтальної частини S, м. Відомості про характер грунту, в якому формується воронка розмиву, допустимі швидкості для даного грунту, а також глибину води у відвідному каналі потрібно взяти з п. 2.1.2.

Якщо вважати , що швидкість потоку на консолі і глибина його будуть такими ж, як і в кінці швидкотоку, тобто (4.70) і (2.71), визначаються горизонтальна V_x і вертикальна V_y складові швидкості в місці входу струмини в воронку розмиву:

(4.73) і (2.73)

де - коефіцієнт швидкості, який приймається в залежності від висоти падіння (табл. 2.12).

Повне значення швидкості падаючої струмини в місці входу потоку в воронку розмиву

. (2.74)

Довжина ділянки розтікання струмини

, (2.75)

де q – питома витрата, - швидкість потоку в відвідному каналі, N – коефіцієнт, що вибирається в залежності від висоти падіння Р, м (рис. 2.23) Кут нахилу падаючої струмини до горизонту (при θ≥10º) визначається за залежністю

, (2.76)

звідки і визначається кут θ. Глибину в місці розмиву можна визначити за залежністю

(2.77)

Г либина чистого розмиву, рахуючи від дна відвідного каналу

(2.78)

Дальність відльоту струмини визначається за залежністю

(2.79)

де - коефіцієнт швидкості, який залежить від висоти падіння (табл. 2.12),

Рис. 2.23. Графік визначення коефіцієнта N

Таблиця 2.12