Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооружений

Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооружений

СОДЕРЖАНИЕ

1. Расчёт магистрального канала.

1. Проверка канала на условие неразмываемости и незаиляемости.

2. Проверка канала на заиление.

3. Определение глубин наполнения канала.

2. Расчёт распределительного и сбросного канала.

1. Определение глубины наполнения трапецеидального сбросного канала по заданной ширине по дну.

1. Расчёт распределительного канала методом И.И Агроскина.

2. Расчёт сбросного канала.

3. Расчёт кривой свободной поверхности в магистральном канале.

1. Определение критической глубины в распределительном канале.

2. Установление формы кривой свободной поверхности.

3. Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом И.И. Агроскина.

4. Гидравлический расчёт шлюза-регулятора.

4.1 Определение ширины шлюза – регулятора в голове магистрального канала.

5. Расчёт водосливной плотины.

1. Определение гребня водосливной плотины.

2. Построение профиля водосливной плотины.

6. Гидравлический расчёт гасителей.

1. Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина.

2. Гидравлический расчёт водобойной стенки (Расчёт длины колодца).

7. Список используемой литературы.

Вариант 3(5).

На реке N проектируется узел гидротехнических сооружений.
В состав узла входят:

А) Водосливная плотина.

Б) Водозаборный регулятор с частью магистрального канала.

Магистральный канал подаёт воду на орошение и обводнение подкомандной ему территории. На магистральном канале устраивается распределительный узел. На сбросном канале, идущем от этого узла, устраивается перепад (схема
I).

[pic]

Схема I

1. Расчёт магистрального канала.

В состав расчёта входит:

1. Определение размеров канала из условия его неразмываемости (при Qmax =

1,5Qн) и незаиляемости (при Qmin = 0,75Qн).

2. Определение нормальных глубин для заданных расходов и построение кривой

Q = f(h).

Данные для расчёта:

- Расход Qн = 9,8 м3/сек. Qmax = 14,7. Qmin = 7,35.

- Уклон дна канала i = 0,00029.

- Грунты – плотные глины.

- Условие содержания: среднее.

- Мутность потока ? = 1,35 кг/м3.

- Состав наносов по фракциям в %:

I. d = 0.25 – 0.1 мм = 3.

II. d = 0,10 – 0,05 мм = 15.

III. d = 0,05 – 0,01 мм = 44.

IV. d = Rгн то R < Rгн 2,92 >1,54, принимаем R =

1,38.
10. Определяем отношение [pic]
11. По вычисленному отношению [pic] определяем отношение [pic]по таблице

XI [1].
12. Вычисляем ширину канала по дну и глубину потока в канале [pic]

Принимаем стандартную ширину равную 8,5 м.
13. Определяется глубина потока в канале при пропуске нормального расхода

Qн при принятой ширине канала в м. Для этого вычисляется функция [pic]

Далее определяется гидравлический наивыгоднейший радиус по таблице
X[1]
Rгн = 1,31 м. По вычисленному отношению [pic] определяется отношение
[pic]по таблице XI[1]. Нормальная глубина [pic]
14. Определяется глубина потока в канале при пропуске минимального расхода: [pic]

При [pic] Rгн = 1,17, таблица XI[1].
Далее определяем отношение [pic] По этому отношению определяем [pic] таблица XI[1].

[pic]

1.2 Проверка канала на заиление.

1. Вычисляется минимальная средняя скорость течения в канале: [pic]

2. Вычисляется минимальный гидравлический радиус живого сечения канала:

[pic]

3. Определяется гидравлическая крупность наносов для заданного значения диаметров частиц данной фракции, таблица XVII[1].

Таблица 1.

Состав наносов по фракциям.

|Фракции |I |II |III |IV |
|Диаметр, мм. |0,25 – 0,1 |0,1 – 0,05 |0,05 – 0,01 |? 0,01 |
|Р, %. |1 |12 |28 |59 |
|Гидравлическая |2,7 |0,692 |0,173 | |
|крупность. | | | | |
|Wd, см/с. |2,7 - 0,692 |0,692 - 0,173 |0,173 - 0,007 |0,007 |

4. Определяется осреднённая гидравлическая крупность для каждой фракции.

[pic]

5. Определяется средневзвешенная гидравлическая крупность наносов:

[pic]

6. Принимается условная гидравлическая крупность наносов. Сравниваем

[pic]то есть < 0,002 м/с, то W0 = 0,002 м/с.

7. Вычисляем транспортирующую способность потока: [pic].
[pic]
Сравниваем: [pic]- канал не заиляется.

3. Определение глубины наполнения канала графическим методом.

Расчёт для построения кривой Q = f (h) ведётся в табличной форме.

Таблица 2.

Расчёт координат кривой Q = f (h).

|h, м. |?, м2. |X, м2. |[pic] |[pic], |Q, м3/с. |Расчетные |
| | | | |м/с. | |формулы |
|0,5 |4,5 |9,9 |0,45 |22,72 |1,74 | |
|1 |8,5 |11,3 |0,75 |32,72 |4,73 | |
|1,5 |15 |12,7 |1,18 |44,83 |11,43 | |
|2 |21 |14,1 |1,49 |52,50 |18,74 | |

[pic]

[pic] - определяется по таблице X[1].
По данным таблицы 2 строится кривая Q = f (h).
По кривой, при заданном расходе, определяется глубина: hmax = 1,75 м при Qmax = 14,7 м3/с. hн = 1,50 м при Qн = 9,8 м3/с. hmin = 1,25 м при Qmin = 7,35 м3/с.

Вывод: При расчёте максимальной глубины двумя способами значения максимальной глубины имеют небольшие расхождения, что может быть вызвано не точностью округлений при расчёте – расчёт выполнен верно.

2. Расчёт распределительного и сбросного каналов.

1. Определение глубины наполнения трапецеидального сбросного канала по заданной ширине по дну.

Данные для расчёта:

Распределительный канал:

- ширина по дну b = 6,4 м.

- расход Q = 0,5 Qmax магистрального канала – Q = 7,35.

- Уклон канала i = 0,00045.

- Грунты – очень плотные суглинки.

- Коэффициент шероховатости n = 0,0250.

Сбросной канал:

- расход Q = Qmax магистрального канала Q = 14,7.

- Уклон дна i = 0,00058.

- Грунты – плотные лёссы.

- Коэффициент шероховатости n = 0,0275.

- Отношение глубины перед перепадом к hкр.

2.1.1 Расчёт распределительного канала методом Агроскина.

1. m = 1, табл. IX[1].

2. n = 0,0250.

3. Вычисляется функция F(Rгн).

[pic]

4. Определяется гидравлически наивыгоднейший радиус по функции [pic]

Rгн = 1,07, табл. X[1].

5. Вычисляем отношение [pic]

6. По отношению [pic] по таблице XI[1] определяем отношение [pic]

7. [pic]

2.1.2 Расчёт сбросного канала.

1. m = 1, таблица IX[1].

2. n = 0,0275. 4m0 = 7,312.

3. Вычисляем функцию [pic]: [pic]

4. Определяем гидравлически наивыгоднейший радиус по таблице X[1] по функции [pic]. Rгн = 1,35.

5. Принимаем расчётный гидравлический радиус сечения R = Rгн; [pic]

6. По отношению [pic], определяем [pic]таблица XI[1]. [pic]табл. XI[1].

[pic]

3. Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом Агроскина.

1. Определение критической глубины в распределительном канале.

Исходные данные: (из расчёта магистрального канала).

- Расход Q = 9,8 м3/сек.

- Ширина канала по дну bст = 8,5 м.

- hн = h0 =1,42 м.

- коэффициент заложения откоса m = 1.

- Коэффициент шероховатости n = 0,025.

- Уклон дна канала i = 0,00029.

- Глубина воды у подпорного сооружения hн = 3,0h0 =3 ? 1,42

= 4,26 м.

- Коэффициент Кориолиса ? = 1,1.

- Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с2.

Наиболее простым способом является расчёт критической глубины методом
Агроскина.

[pic]

Критическая глубина для канала прямоугольного сечения определяется по формуле:
[pic]
Безразмерная характеристика [pic] вычисляется по формуле [pic]
Из этого следует: [pic]

2. Установление формы кривой свободной поверхности.
[pic]

Знак числителя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубины потока у подпорного сооружения hn с нормальной глубиной h0.

Знак знаменателя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубин потока у подпорного сооружения hn с критической глубиной.

Так как hn = 4,26 > h0 = 1,42, то k > k0,
[pic], числитель выражения (1) положительный (+).
Так как hn = 4,26 > hкр = 0,519, то поток находится в спокойном состоянии
Пк 0 расчёт канала ведём по следующему уравнению:
[pic], где e1-2 – расстояние между двумя сечениями потока с глубинами h1 и h2, м. а – переменная величина, зависящая от глубины потока. i – уклон дна канала = 0,00029. z – переменная величина зависящая от глубин потока.

[pic] - среднее арифметическое значение фиктивного параметра кинетичности.

? (z) – переменная функция.

Переменная величина a определяется по формуле: [pic] , где h1 и h2 – глубина потока в сечениях. z1 и z2 – переменные величины в сечениях между которыми определяется длина кривой свободной поверхности.
[pic] где [pic]=1,532 табл. XXIII (а)[1]. h – глубина потока в рассматриваемом сечении, м.
? - безразмерная характеристика живого сечения. h0 – нормальная глубина = 1,42.
?0- безразмерная характеристика.
[pic]

3. Гидравлический расчёт шлюза – регулятора в голове магистрального канала.
1. Определение ширины шлюза – регулятора в голове магистрального канала.

В состав расчёта входит:

1. Определение рабочей ширины регулятора при максимальном расходе в магистральном канале. Щиты полностью открыты.

Данные для расчёта:

- Расход Qmax = 14,7 м3/с.

- Стандартная ширина магистрального канала bк = 8,5 м.

- hmax = 1,80 м.

- коэффициент откоса m = 1.

- ?z = (0,1 – 0,3 м) = 0,1м.

- Форма сопряжения подводящего канала с регулятором: раструб.

Порядок расчёта:

1. Определяется напор перед шлюзом регулятором H = hmax + ?z = 1,80 + 0,1

= 1,9 м.

2. Определяется скорость потока перед шлюзом регулятором: [pic]

3. Определяется полный напор перед регулятором: [pic] ? = 1,1.

4. Проверяется водослив на подтопление, для чего сравнивается отношение

[pic]

? - глубина подтопления.

P – высота водослива со стороны НБ.

5. Вычисляем выражение: [pic]

Где ?п – коэффициент подтопления. m – коэффициент расхода водослива. b – ширина водослива.

H0 – полный напор.
Дальнейший расчёт ведётся в табличной форме.

Таблица 4.1

Расчёт для построения графика зависимости [pic]=f(b).
|b, |m |K2 |Подтопление водослива | ?п |[pic] |Примечание |
|м. | | | | | | |
| |таб.8.6|таб.8.| |таб.22.| | |
| |[1] |7[1] | |4[1] | | |
| | | |Подтоплен|Не подтоплен| | | |
|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |
|6,8 |0,369 |0,76 |+ |- |0,81 |2,03 |[pic] |
|5,95|0,365 |0,77 |+ |- |0,79 |1,71 | |
|5,1 |0,362 |0,81 |+ |- |0,80 |1,48 | |
|4,25|0,358 |0,82 |+ |- |0,81 |1,23 | |

Водослив считается подтопленным если [pic], коэффициент подтопления определяется по табл. 8.8[1].

По данным таблицы 4.1 строится график зависимости и по графику определяется искомая ширина b. [pic]. Принимаем регулятор однопролётный шириной 4,2м.

[pic]

5. Расчёт водосливной плотины.

В состав расчёта входит:

1. Выбор и построение профиля водосливной плотины (без щитов).

2. Определение ширины водосливной плотины и определение щитовых отверстий при условии пропуска расхода Q = Qmax.
Исходные данные:

1. Уравнение [pic] для реки в створе плотины: - коэффициент «а» 12,1.

- коэффициент «b» 20.

2. Расход Qmax = 290 м3/с.

3. Отметка горизонта воды перед плотиной при пропуске паводка ПУВВ – 60,3 м.

4. Ширина реки в створе плотины, В – 24 м.

5. Ширина щитовых отверстий 5,0.

6. Толщина промежуточных бычков t, 1,0 – 1,5 м.

7. Тип гасителя в нижнем бьефе: водобойная стенка.

Порядок расчёта:

I. Выбор профиля водосливной плотины.
Водосливная плотина рассчитывается по типу водослива практического профиля криволинейного очертания (за расчетный принимаем профиль I).
Полная характеристика: водослив практического профиля, криволинейного очертания, с плавным очертанием оголовка, безвакуумный.
II. Определение бытовой глубины в нижнем бьефе плотины (hб).
Для определения (hб) при заданном расходе необходимо по заданному уравнению
[pic] построить график зависимости Q = f(hб). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Табл. 5.1

Расчёт координат графика зависимости функции Q = f(hб).
|hб, м. |hб2 |ahб2 |bhб2 |[pic] |
|1 |1 |12,1 |20 |32,1 |
|2 |4 |48,4 |40 |88,4 |
|3 |9 |108,9 |60 |168,9 |
|4 |16 |193,6 |80 |273,6 |
|5 |25 |302,5 |100 |402,5 |

III. Определение ширины водосливной плотины и числа водосливных отверстий при пропуске заданного расхода:
1. Определяем профилирующий напор перед плотиной [pic] где - ?ПУВВ – отметка подпёртого уровня высоких вод (max отметка возможная в водохранилище).

?Г = ?НПУ = ?НПГ = 58 м. где ?НПУ – нормальный подпёртый уровень.
Принимаем скорость подхода перед плотиной V0 ? 0 ? [pic], тогда полный напор равен H0 = Hпр.

2. Принимаем коэффициент расхода водослива при H0 = Hпр = 2,3 м, для профиля [1] m=0,49.

3. Определяем высоту водосливной плотины P = ?Г – ?дна = 58 – 49,2 = 8,8 м.

4. Проверяем условие подтопления водосливной плотины. Для этого сравниваем высоту плотины с бытовой глубиной. P = 8,8 > hб = 4,2 – плотина не подтоплена.

?п=1.

5. Принимаем коэффициент бокового сжатия ? =0,98.

6. Вычисляется ширина водосливной плотины в первом приближении: [pic]

[pic]

7. Сравниваем вычисленную ширину водосливной плотины с шириной реки в створе плотины. b = 39,08 > Bр = 24,0 м (ширина плотины больше ширины реки). Так как ширина плотины больше ширины реки – это значит, что отметка гребня плотины (?Г) равная ?НПГ (нормальный подпёртый горизонт) не обеспечивает при профилирующем напоре пропуск максимального расхода. В этом случае рекомендуется: 1. Понизить отметку гребня водосливной плотины увеличив тем самым профилирующий напор и пропускную способность плотины. 2. На ряду с водосливной плотиной спроектировать глубокие донные отверстия, отметки порога которых ниже отметки гребня водосливной плотины.

Принимаем за расчётный 1 вариант, т.е. понижаем отметку гребня водосливной плотины по всему водосливному фронту.

5.1 Определение отметки гребня водосливной плотины.

1. Принимаем ширину водосливной плотины равной ширине реки: Bпл = Bр = 24 м.

2. Определяем число пролётов: t = 1; bпр = 5,0 м. [pic]

3. Определяем расход проходящий через один пролёт водосливной плотины

[pic]

4. Принимаем коэффициент расхода водосливной плотины m = 0,49.

5. Принимаем, что водосливная плотина не подтапливается ?п = 1.

6. Выражаем расход проходящий через 1 водосливной пролёт по формуле:

[pic]

7. Определение величины понижения отметки гребня водослива графоаналитическим способом. Строим график зависимости [pic]= f(h).

Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Таблица 5.2

Расчёт графика зависимости [pic]= f(h).
|h, м |[pic]=Hпр + h |[pic] |E |[pic] |
|0,5 |2,8 |4,68 |0,96 |4,49 |
|1 |3,3 |5,99 |0,95 |5,69 |
|1,5 |3,8 |7,41 |0,95 |7,04 |
|2 |4,3 |8,92 |0,94 |8,38 |

[pic], где a = 0,11, табл. 22.29[2]. bпр – ширина пролёта 5 м.
По данным таблицы строим график.

5.2 Построение профиля водосливной плотины.

Построение профиля водосливной плотины выполняется по способу Кригера
– Офицерова.

Для построения профиля по этому способу необходимо умножить [pic] на единичные координаты приведённые в таблице 8.2 [1]. Расчёт координат сливной грани плотины и профиля переливающейся струи сводим в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Координаты сливной грани плотины и переливающейся струи.
| |Y, м. |
|X, м. | |
| |Очертание кладки |Очертание струи |
| | |Внешняя |Внутренняя |
| | |поверхность |поверхность |
|0,00 |0,453 |-2,991 |-0,454 |
|0,36 |0,129 |-2,891 |-0,129 |
|0,72 |0,025 |-2,779 |-0,025 |
|1,08 |0,000 |-2,664 |0,000 |
|1,44 |0,025 |-2,527 |0,025 |
|2,16 |0,216 |-2,232 |0,227 |
|2,88 |0,529 |-1,839 |0,551 |
|3,60 |0,921 |-1,368 |0,961 |
|4,32 |1,414 |-0,788 |1,476 |
|5,04 |2,034 |-0,108 |2,124 |
|6,12 |3,142 |1,098 |3,312 |
|7,20 |4,446 |2,495 |4,716 |
|9,00 |7,056 |5,400 |7,560 |
|10,8 |10,166 |9,000 |11,196 |
|12,6 |13,744 |13,176 |15,336 |
|14,4 |17,748 |18,000 |20,196 |
|16,2 |22,392 |23,544 |25,74 |

Во избежании удара внизпадающей струи о дно нижнего бьефа, сливную грань плотины сопрягают с дном при помощи кривой радиуса R, так чтобы предать струе на выходе горизонтальное или близкое ему направление. Радиус принимаем по таблице 8.3[1]. При P < 10 м R = 0,5P.

По данным таблицы на миллиметровке строится профиль водосливной плотины и переливающейся струи.

6. Гидравлический расчёт гасителей.

6.1 Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина.

1. Определяем удельный расход водосливной плотины: [pic]

2. Вычисляется удельная энергия потока в верхнем бьефе: [pic]

3. Определяется вторая сопряжённая глубина [pic], для чего вычисляется функция: ф(?с). [pic] где ? - коэффициент скорости (?=0,95). По вычисленной функции ф(?с) определяется глубина [pic] табл. XXIX[1].

[pic]

4. Сравниваем [pic] с hб: [pic] - сопряжение в НБ, происходит в форме отогнанного гидравлического прыжка, для гашении энергии в нижнем бьефе проектируется гаситель (водобойная стенка).

6.2 Гидравлический расчёт водобойной стенки.

1. Определяем высоту водобойной стенки.

[pic]

2. Определяется скорость потока пред водобойной стенкой: [pic]

Где ? - коэффициент запаса = 1,05.

[pic] - вторая сопряжённая глубина = 5,33 м.

3. Определяется напор над водобойной стенкой без скоростного напора:

[pic]

4. Вычисляется высота водобойной стенки. [pic]

5. Вычисляем удельную энергию потока перед водобойной стенкой: [pic]

6. Вычисляется функция ф(?с). [pic] где ? - коэффициент скорости, для водобойной стенки ?=0,9.

7. Определяется относительная глубина [pic] по вычисленному значению функции ?с, при коэффициенте скорости ?, по табл. XXIX[1]. [pic]=

0,6644.

8. Вычисляется вторая сопряжённая глубина после водобойной стенки: [pic]

9. Сравнивается [pic] с hб и устанавливается форма сопряжения за стенкой:

[pic]=3,87 < hб = 4,2 – сопряжение за водобойной стенкой происходит в форме надвинутого гидравлического прыжка и стенка работает как подтопленный водослив, в этом случае напор над стенкой увеличивается, а высота водобойной стенки уменьшается.
10. Расчёт длины колодца: [pic] Длина колодца 16 метров.