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).

Схема I

1. Расчёт магистрального канала.

В состав расчёта входит:

1. Определение размеров канала из условия его неразмываемости (при Q_max = 1,5Q_н) и незаиляемости (при Q_min = 0,75Q_н).

2. Определение нормальных глубин для заданных расходов и построение кривой

Q = f(h).

Данные для расчёта:

• Расход Q_н = 9,8 м³/сек. Q_max = 14,7. Q_min = 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 %:

  1. d = 0.25 – 0.1 мм = 3.

  2. d = 0,10 – 0,05 мм = 15.

  3. d = 0,05 – 0,01 мм = 44.

  4. d = 0,01мм = 38.

• Глубина воды у подпорного сооружения 3,0 h₀.

1.1 Проверка канала на условие неразмываемости и незаиляемости.

1. Принимаем коэффициент заложения откоса канала «m» в зависимости от грунта и слагающего русла канала по таблице IX [1] m = 1.

2. Принимаем коэффициент шероховатости “n” в зависимости от условия содержания канала по таблице II [1] n = 0,025.

3. Принимаем допускаемое значение скорости на размыв в зависимости от грунта, слагающего русло канала по таблице XVI [1] V_доп = 1,40 м/с.

4. Принимаем максимальную скорость потока в канале V_max = V_доп = 1,40м/с.

5. Вычисляем функцию из формулы Шези:

6. По вычисленному значению функции при принятом коэффициенте шероховатости ( n ), определяем допускаемый гидравлический радиус (R_доп).

R_доп = 2,92 м. Таблица X[1].

7. Вычисляем функцию

Q_max – максимальный расход канала м³/с.

4m₀ – определяется по таблице X[1] 4m₀ = 7,312.

8. По вычисленному значению функции при принятом коэффициенте шероховатости ( n ), определяем гидравлически наивыгоднейший радиус сечения по таблице X[1]. R_гн = 1,54 м.

9. Сравниваем R_доп с R_гн и принимаем расчётный гидравлический радиус сечения (R). Так как R_доп  R_гн то R  R_гн 2,92 1,54, принимаем R = 1,38.

10. Определяем отношение

11. По вычисленному отношению определяем отношение по таблице XI [1].

12. Вычисляем ширину канала по дну и глубину потока в канале

Принимаем стандартную ширину равную 8,5 м.

13. Определяется глубина потока в канале при пропуске нормального расхода Q_н при принятой ширине канала в м. Для этого вычисляется функция

Далее определяется гидравлический наивыгоднейший радиус по таблице X[1]

R_гн = 1,31 м. По вычисленному отношению определяется отношение по таблице XI[1]. Нормальная глубина

14. Определяется глубина потока в канале при пропуске минимального расхода:

При R_гн = 1,17, таблица XI[1].

Далее определяем отношение По этому отношению определяем таблица XI[1].

1.2 Проверка канала на заиление.

1. Вычисляется минимальная средняя скорость течения в канале:

2. Вычисляется минимальный гидравлический радиус живого сечения канала:

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

Таблица 1.

Состав наносов по фракциям.

4. Определяется осреднённая гидравлическая крупность для каждой фракции.

5. Определяется средневзвешенная гидравлическая крупность наносов:

6. Принимается условная гидравлическая крупность наносов. Сравниваем то есть  0,002 м/с, то W₀ = 0,002 м/с.

7. Вычисляем транспортирующую способность потока: .

Сравниваем: - 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).

- определяется по таблице X[1].

По данным таблицы 2 строится кривая Q = f (h).

По кривой, при заданном расходе, определяется глубина:

h_max = 1,75 м при Q_max = 14,7 м³/с.

h_н = 1,50 м при Q_н = 9,8 м³/с.

h_min = 1,25 м при Q_min = 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 Q_max магистрального канала – Q = 7,35.

• Уклон канала i = 0,00045.

• Грунты – очень плотные суглинки.

• Коэффициент шероховатости n = 0,0250.

Сбросной канал:

• расход Q = Q_max магистрального канала Q = 14,7.

• Уклон дна i = 0,00058.

• Грунты – плотные лёссы.

• Коэффициент шероховатости n = 0,0275.

• Отношение глубины перед перепадом к h_кр.

2.1.1 Расчёт распределительного канала методом Агроскина.

1. m = 1, табл. IX[1].

2. n = 0,0250.

3. Вычисляется функция F(R_гн).

4. Определяется гидравлически наивыгоднейший радиус по функции

R_гн = 1,07, табл. X[1].

5. Вычисляем отношение

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

7. 

2.1.2 Расчёт сбросного канала.

1. m = 1, таблица IX[1].

2. n = 0,0275. 4m₀ = 7,312.

3. Вычисляем функцию :

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

5. Принимаем расчётный гидравлический радиус сечения R = R_гн;

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

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 b_ст = 8,5 м.

• h_н = 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 h_н = 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.

Критическая глубина для канала прямоугольного сечения определяется по формуле:

Безразмерная характеристика вычисляется по формуле

Из этого следует:

2. Установление формы кривой свободной поверхности.

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

Знак знаменателя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубин потока у подпорного сооружения h_n с критической глубиной. Так как h_n = 4,26  h₀ = 1,42, то k  k₀, , числитель выражения (1) положительный (+).

Так как h_n = 4,26  h_кр = 0,519, то поток находится в спокойном состоянии Пк 1, знаменатель выражения (1) положительный (+).

в магистральном канале образуется кривая подпора типа A₁.

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

Гидравлический показатель русла (x) принимаем равным 5,5.

При уклоне i  0 расчёт канала ведём по следующему уравнению:

, где e_1-2 – 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.

- среднее арифметическое значение фиктивного параметра кинетичности.

 (z) – переменная функция.

Переменная величина a определяется по формуле: , где h₁ и h₂ – глубина потока в сечениях.

z₁ и z₂ – переменные величины в сечениях между которыми определяется длина кривой свободной поверхности.

где =1,532 табл. XXIII (а)[1].

h – глубина потока в рассматриваемом сечении, м.

 - безразмерная характеристика живого сечения.

h₀ – нормальная глубина = 1,42.

_- безразмерная характеристика.

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 Q_max = 14,7 м³/с.

• Стандартная ширина магистрального канала b_к = 8,5 м.

• h_max = 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 = h_max + z = 1,80 + 0,1 = 1,9 м.

2. Определяется скорость потока перед шлюзом регулятором:

3. Определяется полный напор перед регулятором:  = 1,1.

4. Проверяется водослив на подтопление, для чего сравнивается отношение

- глубина подтопления.

P – высота водослива со стороны НБ.

5. Вычисляем выражение:

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 =f(b).

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

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

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 = Q_max.

Исходные данные:

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

• коэффициент «b» 20.

2. Расход Q_max = 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:

1. 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.

2. Определение бытовой глубины в нижнем бьефе плотины (h_б).

Для определения (h_б) при заданном расходе необходимо по заданному уравнению построить график зависимости Q = f(h_б). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Табл. 5.1

Расчёт координат графика зависимости функции Q = f(h_б).

3. Определение ширины водосливной плотины и числа водосливных отверстий при пропуске заданного расхода:

1. Определяем профилирующий напор перед плотиной

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  , тогда полный напор равен H₀ = H_пр.

2. Принимаем коэффициент расхода водослива при H₀ = H_пр = 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  h_б = 4,2 – плотина не подтоплена.

_п=1.

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

6. Вычисляется ширина водосливной плотины в первом приближении:

7. Сравниваем вычисленную ширину водосливной плотины с шириной реки в створе плотины. b = 39,08  B_р = 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: B_пл = B_р = 24 м.

2. Определяем число пролётов: t = 1; b_пр = 5,0 м.

3. Определяем расход проходящий через один пролёт водосливной плотины

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:

7. Определение величины понижения отметки гребня водослива графоаналитическим способом. Строим график зависимости = f(h). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Таблица 5.2

Расчёт графика зависимости = f(h).