ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Все построенные в России гидроузлы имеют комплексное назначение. Их водохранилища используются для регулирования стока, орошения земель, водоснабжения, выработки электроэнергии, защиты населенных пунктов от наводнений, обеспечения гарантированных глубин для работы водного транспорта (судоходства и лесосплава), рыборазведения, а также в ландшафтной архитектуре.

Гидротехнические сооружения предназначены для улучшения проточности водоема.

По назначению различают следующие типы водопропускных сооружений.

  • а) водосброс, устраиваемый для сброса в период прохождения паводков излишков воды из водохранилища в нижний бьеф гидроузла (или в бассейн соседней реки), а иногда для промыва наносов, отложившихся в водохранилище (на низконапорных гидроузлах);
  • б) водовыпуск (водозабор), служащий для осуществления полезных попусков воды из водохранилища в расположенный в нижнем бьефе гидроузла канал, трубопровод или русло реки. Параметры входного отверстия водовыпуска обычно назначают таким образом, чтобы обеспечить подачу потребителям воды даже в том случае, если водохранилище сработано до отметки УМО (уровня мертвого объема). Водовыпуски часто именуют водоприемниками, а также водозаборными сооружениями;
  • в) водоспуск (аварийный водовыпуск), предназначенный для полного или частичного (предпаводкового) опорожнения водохранилища. Входное отверстие водоспуска обычно стремятся располагать таким образом, чтобы обеспечить возможность сработки емкости водохранилища до заданных отметок. Водоспуск часто используют для пропуска строительных расходов и полезных попусков воды в нижний бьеф, а иногда для частичного промыва наносов.

Такие сооружения обычно состоят из траншейного водосброса, быстротоков с гладким дном и с искусственной шероховатостью, перепадов, многоступенчатых перепадов, консольных перепадов [9].

Приведем пример расчета.

Быстротоке застенным дренажом

Рис. 10.1. Быстротоке застенным дренажом:

1 - подводящий канал; 2 - входная часть (порог); 3 - лоток; 4 - успокоитель; 5 - отводящий канал; 6 - дренаж; 7 - подошва стен; 8 - смотровой колодец

Быстроток (рис. 10.1) состоит из подводящего канала 1, входной части (порога) 2, лотка 3, успокоителя 4, отводящего канала 5. Сопряжение лотка с отводящим каналом обычно осуществляется в виде раструба, q = Q / В, м2/с.

При удельном расходе воды q = 2 м2/с длина входной части обычно составляет 1„ = 2Н; при q > 2 м2/с длина входной части 1„ = ЗН, где Я - глубина воды перед входной частью быстротока, м. Для более равномерного движения потока на пороге быстротока можно рекомендовать длину водослива с широким порогом 1„ = (6...10)Я [9].

Длина крепления перед входной частью быстротока обычно выполняется из каменного мощения 1„„ * (2...3)Я диаметром 0,1...0,15 м.

По длине бетонного лотка быстротока через каждые 5...20 м устраиваются швы. Толщина бетонной облицовки лотка быстротока трапецеидального поперечного сечения принимается 0,15...0,40 м. При прямоугольном поперечном сечении быстротока боковые стенки устраиваются в виде подпорных стенок, поперечные размеры которых определяются на основании статистических расчетов. Толщина дна лотка быстротока обычно принимается 0,2...0,5 м.

Превышение боковых стенок лотка быстротока над расчетным уровнем воды S с определенным учетом аэрации потока принимается [9, 12]:

q, м2

<1

1...10

11...30

31 50

51...100

S, м

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

В быстротоках трапецеидального поперечного сечения при коэффициенте заложения откосов т' > 1,5 превышение верха их над расчетным уровнем воды увеличивается на 15 % по сравнению с данными для прямоугольного поперечного сечения.

Для понижения депрессионной кривой воды, фильтрующейся из верхнего бьефа в нижний, вдоль быстротока (примерно 2/3 длины лотка), т.е. уменьшения фильтрационного противодавления на контур лотка, в нижней части быстротока устраивается застенный дренаж. Последний состоит из двух трубчатых перфорированных дрен, уложенных вдоль продольных стен быстротока. Нижняя концевая часть выводится ко дну отводящего канала. Обычно, застенный дренаж устраивается на протяжении 0,5...0,6 длины лотка быстротока. Для контроля за работой дрен строятся смотровые колодцы. При несимметричном потоке грунтовых вод продольные дрены соединяются между собой в местах расположения смотровых колодцев поперечными, или соединительными, дренами [9].

Расчет прямолинейного в плане быстротока постоянной ширины заключается в выполнении гидравлических и статических расчетов. При гидравлических расчетах быстротоков с большими скоростями течения учитывается насыщение движущейся воды воздухом - аэрация. На основании этих расчетов устанавливается ширина быстротока, строится кривая спада и определяются условия затопления гидравлического прыжка. Построение кривой спада типа II b дает возможность определить глубину воды в конце лотка быстротока.

Ширина входной части при прямоугольном поперечном сечении определяется из формулы неподтопленного водослива с широким порогом

где m = 0,36 - коэффициент расхода водослива с широким порогом для предварительных расчетов; b - ширина входной части быстротока, м; Но - напор с учетом скорости подхода, м.

Из формулы (10.1)

Ширину подводящего канала следует делать такой же по величине или несколько больше, или меньше, исходя из береговых устоев (рис. 10.2)

Основные схемы сопряжения канала с сооружением

Рис. 10.2. Основные схемы сопряжения канала с сооружением: а - обратная стенка; б - обратная стенка с конусом; в - ныряющая стенка; г - раструб; д - косая плоскость

Критическая глубина на водосливе с широким порогом и в начале лотка быстротока определяется по формуле

где q - удельный расход (на 1 м ширины быстротока), равный Q / Ь,

м2/с.

Уклон лотка быстротока определяется следующим образом: вычисляется разность отметок Ау и разность длин между этими отметками Ах: отношение Ay / Ах * ic. Длину лотка быстротока находим как гипотенузу 1С + Ах2 . Не следует забывать, что отметка начала лотка быстротока (красная отметка) и его конца, должна быть ниже отметки поверхности грунта (черные отметки), т.е. основание под лоток должно быть прочным и устойчивым (в выемке). Подбираем уклон лотка и выполняем расчет нормальной глубины в лотке быстротока прямоугольного поперечного сечения по формуле

где Ъ - ширина лотка быстротока (ширина входной части и лотка делаются одинаковой величины), м; С - коэффициент Шези, м1/2/с; R - гидравлический радиус, равный со / j, м; со - площадь живого сечения, м2; х - смоченный периметр, м; ic - уклон лотка быстротока.

Для вычисления параметров по определению нормальной глубины необходимо составить таблицу (см. табл. 10.1), или подбором, или по графику Q = f(h) найти нормальную глубину в лотке быстротока h„.

Для вычисления гидравлического показателя русла необходимо воспользоваться следующим приемом:

  • 1) приняв глубину в конце лотка быстротока h: = 1,05 х hw;
  • 2) определяем среднюю глубину hCp = (hi + йз) / 2;
  • 3) для построения кривой спада необходимо найти Кср - среднюю расходную характеристику, или средний модуль расхода, м3/с:

Средний модуль расхода следует определять для глубины hcp. Для вычисления гидравлического показателя необходимо найти модуль расхода потока при нормальной глубине К„

4) гидравлический показатель русла определяется по формуле

Проверку численных значений можно определить по приближенной формуле Р. Р. Чугаева для гидравлических показателей русла [91:

Построение кривой свободной поверхности воды в лотке быстротока производится по уравнению Бахметева:

где ic - уклон лотка быстротока; L - длина лотка, м; hH - глубина в

h,

лотке в условиях нормального движения, м; tj-, = —— относитель-

h„

hi

ная величина в конце лотка; 77, = — = —— относительная величина

hw hw

т ^~'ср^с

в начале лотка; J ср =-х- - член уравнения, учитывающим

g Хер

изменение живой силы вдоль потока; а - коэффициент кинетической энергии (коэффициент Буссинеска), принимаемый 1,0... 1,1; q^ij) - функции, определяемые по таблицам П-6 приложения [9] в зависимости от гидравлического показателя русла.

Для нахождения глубины 1и в конце лотка быстротока необходимо, чтобы левая часть уравнения (4.8) численно соответствовала правой части этого уравнения. Тогда глубина в конце лотка будет найдена правильно.

Для сопряжения бьефов принимаем глубину в конце лотка быстротока как первую сопряженную h: * hi. Вторую сопряженную глубину определяем по формуле для прямоугольных поперечных сечений:

Возможны следующие типы сопряжения бьефов [8, 9]:

а) h., > h - гидравлический прыжок отогнан;

п

  • б) h2 = h - гидравлический прыжок в критическом состоянии;
  • в) h2 < h - гидравлический прыжок затоплен.

При наличии случая (а) сопряжения бьефов необходимы устройства для гашения энергии потока. На успокоительном участке быстротока обычно располагают водобойный колодец или водобойную стенку, зубья, прорезные стенки, шашки. В случае (б) водобойный колодец устраивается «конструктивным способом» величиною 0,5... 1,0 м. Следует добиваться случая (в) для уменьшения общей длины сопрягающего устройства.

Можно рекомендовать приближенную формулу для определения высоты водобойного колодца:

где dk - высота водобойного колодца, м; h - глубина воды в отводящем канале, м.

После подбора высоты водобойного колодца определяем глубину в сжатом сечении по формуле

где ср - коэффициент скорости потока в зависимости от высоты падения струи от 1 до 5 м, принимаемый соответственно 0,80...0,97;

V2

  • --скоростной напор в сечении с глубиной hi, м.
  • 2g

Затем из формулы (10.9) определяем вторую сжатую глубину.

Если h + dk > h2, то глубиной колодца задались удачно.

Длину водобойного колодца L можно вычислить по формулам: при наличии стенки падения (рис. 10.3, а)

при отсутствии стенки падения (рис. 10.3, б)

где О - дальность отлета струи, м; /3 = 0,8 - коэффициент, учитывающий устройство для гашения энергии потока; пр - длина гидравлического прыжка, м.

Схема водобойного колодца

Рис. 10.3. Схема водобойного колодца: а - со стенкой падения; б - без стенки падения; 1 - водобойный колодец; 2 - стенка падения

Дальность отлета струи рассчитывают по формуле

Длину гидравлического прыжка определяют по двум формулам: по Д. И. Кумину [8, 9],

по Н. Н. Павловскому [8, 9],

При водобойном колодце постоянной ширины с лотком быстротока принимают наибольшую численную величину.

Пример 10.1. Произвести гидравлический расчет прямоугольного бетонного быстротока постоянной шириной 9 м и длиной 50 м (рис. 10.1). Быстроток должен пропускать расход Q = 40 м3/с. Уклон лотка быстротока ic = 0,15. Глубина воды в подводящем канале с учетом скорости подхода Но = 2,02 м, глубина воды в отводящем канале h = 1,8 м, коэффициент шероховатости п принимаем равным 0,017 [9].

Порядок расчета

По формуле (4.2) вычисляем ширину входной части быстротока

Подбором по формуле (10.4) определяем нормальную глубину в лотке быстротока. Расчетные величины сводим в таблицу 10.1.

Таблица 10.1

Определение нормальной глубины в лотке быстротока

9

0,40

3,6

9,80

0,360

0,600

0,39

48,6

11,40

41,0

9

0,38

3,4

9,76

0,350

0,590

0,39

48,6

11,18

38,0

9

0,39

3,5

9,78

0,358

0,595

0,39

48,6

11,28

39,6

В данном случае приведена только заключительная часть итоговой таблицы. Значения по h рекомендуется принимать с шагом 0,5 м. Затем следует построить график Q = f (h) и V = f (h). По графику для заданного расхода определить нормальную глубину в лотке быстротока.

Как видно из таблицы 10.1, при h = 0,39 м полученный расход Q = 39,6 м3/с почти совпадает с заданным. Поэтому h„= h = 0,39 м, при этом средняя скорость в потоке V = 11,28 м/с, что меньше допускаемой (см. табл. П-4 приложений [9]). Расход на 1 м ширины быстротока

q = 40 / 9 = 4,44 м2/с.

Критическая глубина в начале лотка быстротока по формуле (10.3)

Глубина в конце лотка быстротока 1ъ = l,025h„ = 0,4 м, тогда средняя глубина составит

Средние значения площади, смоченного периметра и гидравлического радиуса:

При п= 0,017 и R = 0,7 м определяем Сср = 55,5 ма5/с.

Среднюю расходную характеристику вычисляем по формуле (10.5):

Аналогично определяем расходную характеристику при нормальной глубине:

Гидравлический показатель русла рассчитываем по формуле (10.6):

или по формуле Р. Р. Чугаева (10.7):

Воспользуемся формулой (10.8):

По табл. П-6 приложений [9], (Г]) = 0,03. Подставляя численные значения этих величин в формулу (10.8), получаем

Полученное уравнение при гидравлическом показателе х = 3,5 решаем подбором. Задаваясь значениями ip_ и получая (772) по таблице, подставляем их в правую часть уравнения до получения тождества: /72 = 1,09 и (772) = 0,534. В этом случае 19,23*20,7. Задаемся значением 772 = 1,11, тогда <77(772) = 0,482. В данном случае 19,23 * 18,7.

Задаемся третьим значением /72 = 1,10. Получаем <77(772) = 0,508. В результате 19,23 » 19,69.

Важно, чтобы целые числа совпадали.

Тогда, по формуле (4.8),

Следовательно, сделанное в начале расчета предположение о том, что глубина в конце лотка быстротока близка к нормальной, подтвердилось. Она лишь на 4 см больше, чем нормальная глубина, равная 0,39 м.

Принимаем глубину в конце лотка быстротока за первую сопряженную глубину: 1ъ ~ hi =0,43 м. Подсчитаем вторую сопряженную глубину:

Так как в нашем случае h2 > h (случай а), т.е. гидравлический прыжок

отогнан, необходимо его затопить (устроить водобойный колодец).

Воспользуемся формулой (10.10) для определения приближенной высоты водобойного колодца: dk = 1,1 (3,0 - 1,8) = 1,32 м «1,40 м.

Теперь рассчитаем водобойную часть успокоителя быстротока, которую можно принять со стенкой падения (рис. 10.3, а) и без стенки падения (рис. 10.3, б).

Для начала подсчитаем длину гидравлического прыжка: по формуле Д. И. Кумина,

по формуле Н. Н. Павловского,

Без стенка падения длина водобоя будет !„« 0,8 х 15,4 * 12,3 м. Выбираем наибольшую длину гидравлического прыжка.

Назначаем высоту стенки падения 1 м, при этом Ь = 4,714 м «4,7 м. Тогда со стенкой падения

Из двух величин выбираем первую величину в целях экономии материала.

Гидравлический расчет произведен для одинаковой ширины быстротока по всей длине с учетом участка для гашения энергии потока. После этого выполняются статические расчеты элементов быстротока: лотка, боковых стенок.

Рассчитаем сопряжение бьефов в пространственных условиях для нашего примера по методике О. Ф. Васильева [9]. Примем угол расширения 0=31° (0,54 радиан).

Определим радиус i i, соответствующий началу прыжка:

Критическая глубина и число Фруда в начальном сечении составят соответственно

В формулах О. Ф. Васильева принимаем а= ао = 1,0.

По табл. П-7 [9] дтя Fn = 25,2 функция r/KFi'i) = 31,6.

Длину' прыжка определяем по формуле (4.18):

Для нахождения радиуса Г2, соответствующего второй сопряженной глубине, воспользуемся формулой [9]

Сопряженные глубины прыжка в расширяющемся русле можно определить из уравнения

Вначале определим левую часть этого уравнения:

Задаваясь значениями второй сопряженной глубины, считаем правую часть:

Для определения второй сопряженной глубины можно построить график 0(h) = f(h2) и найти величину h-, =1,66 м. В пространственном

прыжке можно добиться случая в и даже в. Однако в этом случае необходимо произвести расчет отводящего канала с шириною по дну 17... 18 м.

Трубчатые водоспуски (водовыпуски) предназначены для пропуска небольших расходов воды. Устраиваются они из отдельных стальных сварных, чугунных раструбных и железобетонных труб. Трубы водоспуска работают как напорные. Входная часть трубы делается уширенной и перекрывается металлической решеткой. В выходной части в колодце устанавливают две задвижки: одну - рабочую, другую - ремонтную через монтажную вставку. Труба водоспуска выходит через низовой откос тела плотины и заканчивается в отводящем канале, где строится водобойный колодец или другие устройства для гашения избыточной энергии воды, выходящей из труб.

В зависимости от величины пропускаемого расхода могут быть уложены одна или несколько труб, уклон трубы тр « 0,01. Если укладывается несколько труб, то расстояние между ними принимается не меньше диаметра труб. На рис 10.4 условно показана одна задвижка. Трубы водоспуска располагаются непосредственно в основании плотины. Чтобы обеспечить прочность труб при возможной осадке плотины и избежать пристенной фильтрации вдоль труб, обычно устанавливаются железобетонные диафрагмы в местах стыков отдельных звеньев труб. Кроме того, вокруг труб укладывается слой глины или глинобетона (можно использовать грунтоцемент).

Трубчатый водоспуск

Рис. 10.4. Трубчатый водоспуск:

  • 1 - металлическая решетка; 2 - стальная или чугунная труба; 3 - крепление верхового откоса; 4 - слой глины; 5 - диафрагма; 6 - задвижка;
  • 7 - водобойный колодец

Для устранения влияния осадки земляной плотины на трубы, улучшения условий эксплуатации и надзора трубы водоспуска можно располагать в бетонной или железобетонной штольне.

Диаметр трубы водоспуска при неподтопленном выходном отверстии определяется из формулы

а при подтопленном выходном отверстии - из формулы

где ju - коэффициент расхода; Н - напор, равный расстоянию от уровня воды в верхнем бьефе до оси трубы, м; Z - напор, равный разности отметок уровней воды верхнего и нижнего бьефов, м.

Максимальный расчетный расход водоспуска Q определяется с учетом его работы в период строительства и эксплуатации, поэтому поперечные размеры сечения трубы должны быть достаточными для пропуска максимального строительного и эксплуатационного расходов.

Коэффициент расхода можно определять по формуле

где ?реш, Сзап,в’ Соте ~ соответственно коэффициенты сопротивления на решетке, на входе, в задвижках, на отводе [20, 24]

Имея заданный расчетный расход Q, напор Н или Z и длину трубы, определяют диаметр трубы d. Его можно определить путем построения кривой Q = f(d) (рис. 10.5). Задаваясь различными значениями диаметра, по формуле (10.19) определяют соответствующие расходы. Затем строят кривую Q = f(d), по которой графически определяют диаметр трубы заданного расхода.

График для определения диаметра трубы по заданному расходу

Рис. 10.5. График для определения диаметра трубы по заданному расходу

Можно предварительно задаться диаметром трубы и определить площадь живого сечения. По количеству труб расчетный расход делится на количество труб, определяют площадь живого сечения одной трубы, а по нему и диаметр трубы. Принимается стандартный диаметр в большую сторону.

Пример 10.2. Определить диаметр и количество труб стального сварного трубчатого водоспуска. Расчетный расход Q = 1,2 м3/с. Выходное отверстие труб подтопленное. Разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов Z = 7 м. Длина трубы водоспуска тр = 50 м; уклон трубы тр = 0,01; коэффициент сопротивления при входе С^х - 0,2; коэффициент сопротивления решетки 0,25; коэффициент сопротивления открытых задвижек 0,15; коэффициент гидравлического трения Я = 0,025; при выходе С#ых =1,0. Диаметр трубы dn, = 0,4 м; диаметр входного отверстия С«х - 0,6 м. (рис. 10.4).

Порядок расчета

Определяем сумму всех местных сопротивлений

Гидравлический радиус R = d / 4 = 0,1 м.

Коэффициент расхода определяем по формуле (10.19):

Рассчитываем живое сечение труб:

Принимаем водоспуск из двух труб. Тогда площадь живого сечения одной трубы будет со/ 2 - 0,23 / 2 = 0,115 м2.

Диаметр одной трубы

Принимаем диаметр каждой трубы с запасом 0,4 м.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >