Гидравлический расчет элементов гидротехнических сооружений

СОДЕРЖАНИЕ

 

I.Гидравлический расчет водосливной плотины и водобойных устройств............................................................................................................................................3

1.1 Расчет  напора на оголовке водосливной  плотины..................................................................3

1.2 Построение  очертаний водосливной поверхности..................................................................4

1.3 Расчет  сжатой глубины за водосливом.....................................................................................4

1.4 Определение  характера сопряжения сбросного  потока с нижним бьефом...........................4

1.5 Построение  кривой свободной поверхности  в нижнем бьефе при отсутствии  водобойных устройств............................................................................................................................................5

1.6 Гидравлический  расчет водобойных сооружений...................................................................7

 

II Расчет фильтрации под водосливной плотиной........................................................................9

2.1 Построение  гидродинамической сетки движения  для фильтрационного потока под  водосливной плотиной и водобойным  сооружением...................................................................9

2.2 Расчет  скоростей фильтрационного потока  при выходе его в нижний бьеф.......................9

2.3 Определение  фильтрационного расхода под  водосливной плотиной.................................10

2.4 Построение  эпюры давления на подземный  контур водосливной плотины и  водобойного сооружения. Определение  взвешивающей силы, действующей  на плотину, нахождение центра  давления фильтрационного потока...................................................................................10

 

III Гидравлический расчет водосбросных и сопрягающих сооружений...................................11

3.1 Расчет  сифонного водосброса..................................................................................................11

3.2 Расчет шахтного водосброса....................................................................................................14

3.3 Расчет быстротока.....................................................................................................................17

 

IV Гидравлический строительного туннеля.................................................................................24

 

Список  литературы.........................................................................................................................25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ

И ВОДОБОЙНЫХ УСТРОЙСТВ

1.1. Расчет напора на оголовке водосливной плотины, необходимого для пропуска максимального расчетного расхода:

 

Расчет выполняется  по универсальной формуле расхода  водослива с учетом влияния скорости подхода, коэффициента бокового сжатия и подтопления:

Коэффициент подтопления  , т.к. высота  плотины значительна

Т.к. задан тип водослива  В, принимаем коэффициент расхода водослива

Коэффициент бокового сжатия , – т.к. форма оголовков быков полуциркульная.

 

Т.к. напор  неизвестен, в первом приближении принимаем

 

Определяем  в первом приближении:

_{Ширина  водослива:}

Статический напор на оголовке водослива:

 

Полная  глубина потока перед водосливом

 

Скорость подхода:

Высота водослива:

 

 

 

1.2 Построение очертаний водосливной  поверхности с определением радиуса  сопряжения ее с водобоем:

 

Координаты водосливной  грани получаются умножением универсальных  табличных значений координат Кригера-Офицерова  для  на найденное значение .

К координате x также прибавляется ширина вставки на гребне c = 3 м после прохождения y = 0 м. 

xтабл	yтабл
0,0	0,126
0,2	0,007
0,3	0,000
0,4	0,006
0,5	0,060
0,6	0,146
1,0	0,256
1,2	0,394
1,4	0,564
1,6	0,764
1,8	0,987
2,0	1,235
2,2	1,508
2,4	1,894
2,6	2,122
2,8	2,462
3,0	2,824

xнат	yнат
0,000	0,768
1,22	0,042
1,83	0,000
4,44	0,036
5,05	0,366
5,66	0,890
8,1	1,561
9,32	2,403
10,54	3,440
12,37	4,660
12,98	6,020
14,2	7,533
15,42	9,198
16,64	11,553
17,86	12,944
19,08	15,018
20,3	17,226

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопряжение водосливной  поверхности с плоскостью водобоя  производится по дуге окружности, радиус которой зависит от высоты плотины  и напора.

Принимаем R=20 м.

 

1.3 Расчет сжатой глубины за  водосливом:

Расчет бытовой глубины:

_{Воспользуемся показательным законом  Бахметьева:}

, где

x – гидравлический показатель русла.

Возьмем , .

.

, где

- коэффициент Шизи;

- гидравлический радиус.

, n = 0,025 – коэффициент шероховатости.

Бытовая глубина в  нижнем бьефе:

Проверка на устойчивость грунта к размыву:

Условие отсутствия размыва.

, где

u_k – донная скорость;

W – скорость свободного оседания частиц руслового грунта.

, т.к.

,

При данном расходе присутствует размыв.

Расчет глубины в  сжатом сечении:

–коэффициент скорости, .

 

 

 

 

 

Критическая глубина  в потоке прямоугольной формы:

– коэффициент, учитывающий неравномерность  распределения скоростей по вертикали (коэффициент Кориолиса)

 

1.4 Определение характера сопряжения  сбросного потока с нижним  бьефом:

 

Дли определения формы  сопряжения за водосливной плотиной стоит сравнить глубины потока в  сжатом сечении  и в нижнем бьефе.

Определяем сопряженные  глубины гидравлического прыжка

Гидравлический прыжок отогнан.

 

1.5 Построение кривой свободной  поверхности в нижнем бьефе  при отсутствии водобойных устройств:

 

Кривая свободной  поверхности строится в соответствии с уравнением неравномерного движения  в призматическом русле с положительным  уклоном (уравнение Бахметева):

–относительные глубины  в начале и конце участка длиной

;

В соответствии с гидравлическим показателем русла  выбираем значения функции .

 

Найдем длину отгона :

 

1.6 Гидравлический расчет водобойных  сооружений

    

     Назначение водобойных сооружений – гашение энергии водяного потока, переливающегося через плотину и исключение отгона гидравлического прыжка.

     Вследствие малости глубин на участке отгона прыжка, скорости здесь остаются значительными, что может приводить к разрушению водобойной плиты и прилегающей части русла. Отгон гидравлического прыжка недопустим.

     Задача решается путем создания искусственного углубления русла

 

1.6.1 Расчет водобойного колодца

Для исключения отгона прыжка требуется глубина

– коэффициент запаса;

 

Полная глубина в  колодце после водослива:

– величина заглубления водобойной плиты относительно дна нижнего  бьефа;

– перепад на выходе из водобойного  колодца;

 

При заглублении водобоя на величину , изменяется высота падения потока и сжатая глубина:

Длина прыжка:

Длина водобойного колодца:

1.6.2 Расчет водобойной стенки

Стенка рассматривается  как малый водослив, подтопленный со стороны нижнего бьефа.

Необходимая глубина  перед стенкой:

_{Рассчитаем  стенку под водослив:}

_{Зададим различные значения высоты стенки C:}

_{Статический напор на стенке}

_{Глубина подтопления}

 

 

 

 

 

 

_{Коэффициент подтопления}

 

 

_{Удельный  расход}

_{Для определения высоты стенки C построим график зависимости q(c).}

_{C = 9,5 м.}

 

_{Необходимо  проверить стенку на подтопление, для  этого найденное  значение стенки сравниваем с глубиной в нижнем бьефе сразу за ней.}

Для выбора глубины за стенкой необходимо определить режим сопряжения за ней. Чтобы определить режим сопряжения, находим и .

Прыжок после стенки отогнан и его  необходимо превратить в надвинутый, т.е. поставить вторую стенку.

 

 

 

 

 

 

II. РАСЧЕТ ФИЛЬТРАЦИИ ПОД ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНОЙ.

 

2.1 Построение гидродинамической сетки движения для фильтрационного потока под водосливной плотиной и водобойным сооружением:

Скорость и расход фильтрационного потока, а также  уточненные значения фильтрационного  противодавления можно получить на основе построения сетки фильтрации, или гидродинамической сетки. Эта сетка представляет собой семейство двух систем кривых, пересекающихся между собой под прямым углом, — линий равных пьезометрических напоров при и линий токов, т. е. траекторий движения частиц воды.

 

2.2 Расчет скоростей фильтрационного  потока при выходе его в  нижний бьеф:

Действующим напором  для фильтрационного потока является разность уровней воды в верхнем  и нижнем бьефах:

 

Число квадратов в поясе:

Скорость ламинарной фильтрации в каждой точке потока:

– коэффициент фильтрации грунта основания;

– гидравлический уклон (для фильтрации равен пьезометрическому)

– потери напора между двумя соседними линиями равного напора и ;

– длина линии тока, проведенной через рассматриваемую точку, от одной линии равного напора  до другой ;

При построении эпюры  скоростей на выходе фильтрационного  потока рассматривается последняя  полоса, находящаяся между линиями  равного напора.

По гидродинамической  сетке легко оценивать соотношение  скоростей фильтрации в различных  очках основания: где линии  и расположены чаще, там скорости больше, где реже – скорости меньше.

 

2.3 Определение фильтрационного  расхода под водосливной плотиной:

 

Общий фильтрационный расход под водосливной плотиной:

 

 

2.4 Построение эпюры давления  на подземный контур водосливной плотины и водобойного сооружения. Определение взвешивающей силы, действующей на плотину, нахождение центра давления фильтрационного потока: Для определения силы давления фильтрационного потока на подошву водослива необходимо построить пьезометрическую линию на линии тока, совпадающей с подошвой водонепроницаемого контура сооружения.

 

 

 

 

 

 

 

Для этого в точках пересечения линий равного напора с подземным контуром сооружения проводятся вертикальные линии. Отложив  на этих вертикалях вверх по оси  Х значения , соответствующие значениям каждой линии равного напора, и соединив концы этих отрезков линиями, получим распределение напора по подошве сооружения.

 

Cила давления фильтрационного потока на 1 пог. м длины водослива:

Собственный вес 1 пог. м  водослива:

Дополнительное утяжеление не требуется.

 

 

 

III. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОСБРОСНЫХ И

СОПРЯГАЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ.

 

3.1 Расчет сифонного водосброса:

 

1. Определение числа  сифонных труб

Пропускная способность  одной сифонной трубы:

 

Местное сопротивление  на вход:

 

Потери на плавное  сужение :

 

 

 

Потери на повороте:

 

Потери по длине:

Потери на носке:

Коэффициент расхода  сифона:

Определяем число  сифонных труб:

Уточненный расход одной  сифонной трубы:

 

 

 

 

 

 

3.2 Расчет шахтного водосброса:

 

Шахтный водосброс устраивается на гидроузлах в узких каньонах, где отсутствует возможность  устройства поверхностного водосброса.

Вход  в шахтный водосброс выполняется  в виде воронки. В гидравлическом отношении воронка представляет собой кольцевой водослив, работающий с напором  .

На самом гребне водослива 

Формула расхода через  шахтный водосброс:

 

Высота входного порога:

Высота гребня:

Расчет очертаний  воронки

Очертание воронки рассчитывается по траектории переливающейся струи.

Уравнение траектории для  осевой струйки:

Для перехода от осевой струйки к поверхности  для  каждого  необходимо определить толщину .

 

xi	yi	vi	hi
0,5	0,17	10,35	0,261
1	0,69	20,55	0,168
1,5	1,56	37,6	0,127
2	2,79	61,7	0,126
2,5	4,36	92,5	0,22

 

Воронка заканчивается  там, где поверхность переливающейся струи пересекает ось воронки.

Расчет переходного  участка:

На участке от воронки  к шахте поток заполняет все  поперечное сечение, однако находится  в состоянии свободного падения  вследствие незначительного трения по поверхности переходного участка.

 

 

Площадь струи:

yi	vi	ωi	di
10	21,44	1,82	1,52
20	25,61	1,52	1,39
30	29,18	1,33	1,30
40	32,37	1,20	1,23

 

 

 

 

 

 

 

Длина шахты:

Длина переходного участка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{Определение критического сечения.}

 

_{Проверяется величина  yk  которая  должна быть в пределах переходного участка. Если yk выше, то диаметр отводящего туннеля следует увеличить.}

_{Из  уравнения Бернулли:}

 

 

 

V. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТРОИТЕЛЬНОГО ТУННЕЛЯ.

      

Рассчитаем диаметр  строительного туннеля для коробовой  формы его поперечного сечения:

Площадь поперечного  сечения туннеля:                               Смоченный периметр:

 

                                        

 

Гидравлический радиус:                                                        Коэффициент Шизи:

 

                                                      

                                                        

Скорость течения в туннеле:                                      Перепад уровней:

                                    

Затем строим график зависимости и по заданному определяем d.

 

Диаметр туннеля .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Киселев П.Г Гидравлика. М.: Энергия,1980.

2. Киселев П.Г. Справочник по  гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1974.