3.2 Уточненный расчет шлюза-регулятора

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 38

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

1. Принимается действительная ширина водосливного фронта:

В_д = 20 м

2. Определяется затопляемость водослива, для этого в формулу (18) подставляется В_д:

Проверяется условие:

h_П = 3,85 м > h_K = 1,95 м – водослив подтопленный.

3. Определяется величина Н₀ из формулы (20), где В=В_д. Предварительно вычисляется коэффициент бокового сжатия ε по формуле Френсиса [3, рис.3]:

где n₀ = 2n_от – число боковых сжатий;

ζ = 0,7

ε = 1 – 0,1⋅4⋅0,7⋅(4,296/20)=0,939

ε m = 0,939⋅0,374 = 0,3512

4. Находится геометрический напор на водосливе:

(((29)

= 4,08 м где v – скорость подхода воды к шлюзу-регулятору

(((30)

м/с

v = 1,318 м/с > 1 м/с, поэтому учитывается скоростной напор.

5. Проверяется высота затвора на шлюзе-регуляторе

H_з = 5,0 м > H = 3,98 м – перелива воды через затвор не будет.

6. Назначается длина порога шлюза-регулятора:

ГП –гребень плотины (порог шлюза-регулятора);

ДК – дно канала; У – отметка устоя и бычков

Рисунок 6.2 Назначение длины порога шлюза-регулятора

Конструктивно принимается:

δ = 5H = 16,9695 м

δ₁ = 2H = 7,96м;

δ₂ = H = 3,98 м;

δ₃ = 2H = 7,96м;

7. Вычисляются отметки сооружения:

Гребень плотины: ГП = НПУ - Н = 25,22 м

Дно канала: ДК = ГП - Р_Н = 24,37 м

Устои (быки): У = ГП + Н_у = 19,22м

Н_у = 1,2Н_з = 6м.

На этом уточненная стадия расчёта завершена.

4 Гидравлический расчет водосливной плотины

Водосливная плотина состоит из ряда водосливных отверстий, перекрываемых плоскими затворами. В плотине предусмотрены промежуточные быки и береговые устои. С помощью береговых устоев плотина сопрягается с соседними сооружениями гидроузла. Плотина предусматривается по типу безвакуумного водослива. Цель расчёта заключается в определении габаритных размеров плотины и высотных отметок её элементов.

Рисунок 7 Схема водосливной плотины

Дано:

Q_max = 2800 м³/с ;

НПУ = 29,2 м ;

ДР = 0,0;

СВУНБ = 4,7м;

q_B = 16 м²/с

а/Р_В = 0,7;

α_В = 75⁰ ;

α_Н = 60⁰

Расчёт выполняется методом последовательных приближений и проводится в две стадии, ввиду ответственности плотины как напорного сооружения.

4.1 Предварительный расчет водосливной плотины

1) Определяется расчётный расход на водосливе

Q_B = 2150 м³ /с

2) Находится общая ширина водосливного фронта

В = 134,375 м

3) Определяется напор на гребне водослива

QB = σП ε m B H0 2/3

(33)

где σ_П – коэффициент подтопления, σ_П = 1;

ε – коэффициент бокового сжатия, ε = 1;

m – коэффициент расхода, принимается m = 0,48;

На данной стадии расчета полагаем, что скорость подхода воды к плотине меньше 1 м/с, поэтому величиной скоростного напора (αv²/2g) пренебрегаем и из ф. H₀ = H + (αv²/2g) следует, что H₀ = H = 3,84 м

4) Подбирается высота затвора по ф.21

Н_З = H + 0,5

Принимается стандартное значение по [3, табл.7]

Н_З = 4,5 м

5) Назначается ширина водосливного пролёта

Принимается стандартный размер по [3, табл.7]

b_зат = 9 м

6) Число отверстий определяется по ф.23

n_отв = 15

Определяется действующая величина ширины водосливного фронта

В_Д = 135 м

7) Находится толщина промежуточных быков по ф. 24

d_Б = 1,35 м

8) Определяется количество быков по ф.25

n_Б = 14

На этом предварительная стадия расчётов заканчивается.

4.2 Уточнённый расчёт размеров водосливной плотины

Расчёт заключается в определении истинного геометрического напора Н. При этом вводятся дополнительные коэффициенты уточняющие формулу расхода Q. Расчёт выполняется в следующей последовательности.

1) Определяется глубина в НБ

hНБ = СВУНБ - ДР

(36)

h_НБ = 4,7 м

2) Находится удельная энергия потока перед сооружением

Т0 = НПУ - ДР

(37)

Т₀=29,2 м

3) Вычисляем глубину воды перед напорным сооружением

h* = НПУ - ДР

(38)

h*=29,2 м

В формулу расхода Q на водосливе входят коэффициенты, находящиеся в сложной зависимости от глубины H на гребне водослива. Поэтому задача решается методом подбора с помощью графических построений для этого следует задаваться рядом значений H_i и для каждого значения находить соответствующие коэффициенты, а затем расходы Q_i. Результаты сводятся в табл.4. По данным табл.4 строится график (рис. 8), по которому определяется истинное значение геометрического напора на гребне водослива.

4) Предварительно вычисляются скорость подхода воды к плотине.

где Q_B - вычисляется по формуле (31);

ω - площадь живого сечения, определяется

ω = 4493,86 м²

V₀ = 0,478 < 1 м/с, следовательно, скоростным напором можно пренебречь.

Таблица 4 – Определение истинного напора на гребне водослива

№ п/п	Величина	Единицы измерения	Попытки					Уточнен. величина
			1	2		3
1	2	3	4	5		6		7
1	Геометрический напор на гребне водослива, Н	м	3,84	3,7		3,75		3,8
2	Полный напор, Н0 = Н+	м	3,84	3,7		3,75		3,8
3	Высота водослива со стороны НБ, Рн = Т0 - Н	м	25,36	25,5		25,45		25,4
4	Высота водослива со стороны ВБ, Рв = h* - Н	м	25,36	25,5		25,45		25,4
5	Величина подтопления, hп = hНБ - Рн	м	-	-		-		-
6	Перепад уровней бьефов, z = НПУ - СВУНБ	м	24,5	24,5		24,5		24,5
7	Значения условия подтопления, z/ Рн	-	-	-		-		-
8	Оценка затопляемости, hп / Рн	-	не подтоплен
9	Коэффициент подтопления, σп	-	1		1		1	1
10	Коэффициент бокового сжатия, ε=1 – 0,1 nc ζ	-	0,998		0,942		0,9417	0,9409
11	Приведенный коэффициент расхода, mr = 0,5 – 0,012	-	0,498		0,498		0,498	0,498
12	Значение коэффициента формы σф = f( ), [1, табл. 9]	-	0,9985		0,9985		0,9985	0,9985
13	Коэффициент расхода m= σф σн mr , σн = 1 – коэффициент полноты напора	-	0,497		0,497		0,497	0,497
14	Расход на водосливе QB = σП ε m Bд H0 2/3	м3/с	2231,86		1992,48		2031,21	2150

Рисунок 8 – Определение истинного напора на гребне водослива

5) Проверяется возможность перелива воды через верх затвора. Чтобы этого не произошло должно выполняться условие:

где Н_зат = 4,5 м – подобранная высота затвора по ф.21 и принятое стандартное значение по [3, табл.7];

Н_проф = Н_ист = 3,8м – по рис. 8

4,5 м > 3,8 м

6) Определяется высота быков и береговых устоев над гребнем плотины

Н_у = 6,25 м

7) Находится отметка гребня плотины

ГП = НПУ - Нпроф ,	(43)
ВП = ГП + Ну ,	(44)

ГП = 25,4 м

ВП = 31,4 м

Вычерчивается схема плотины с высотными значениями элементов (рис.9)

Рисунок 9 – Схема высотных отметок водосливной плотины

4.3 Гидравлический расчет нижнего бьефа плотины

Дано:

Q_B = Q_max – Q_потр = 2150 м³ /с

В_в = 135+14∙1,35=153,9 м - ширина водосливного фронта с учетом быков

Т₀ = Рн + Н_проф - удельная энергия потока

Т₀ = 25,4 + 3,8= 29,2 м

Расчёт выполняется в следующей последовательности:

1) Определяется удельный расход рисбермы

(46)

2) Находится глубина потока в сжатом сечении методом приближения:

(47)

где - коэффициент скорости.

Т.к. величина находится в обеих частях уравнения, то задача решается методом приближения в табличной форме, табл. 5.

Таблица 5 – Определение сжатой глубины в НБ

0,00	29,2	0,6485	100%
0,6485	28,5515	0,6558	1,113%

Т.к. полученное значение меньше 5%, то принимается 0,6485 м.

3) Вычисляется значение критической глубины в НБ. Ширина реки в НБ больше ширины плотины. Это дает право предполагать, что за плотиной формируется прямоугольное сечение

(48)

м

Поскольку 0,6485 м < 2,797 м, то за плотиной наблюдается бурный режим потока.

4) Вычисляется сопряженная глубина потока

(49)

= = 7,89698м

Т.к. = 7,89698м > h_НБ = 4,7 м, то наблюдается отогнанный гидравлический прыжок.

При отогнанном гидравлическом прыжке скорости в НБ достаточно велики. Это приводит к интенсивному размыву дна, для исключения этого явления необходимо предусмотреть гасители энергии падающего водного потока в виде водобойного колодца.

4.4 Расчёт водобойного колодца

На практике этот расчёт выполняется с помощью двух зависимостей:

	(50)
	(51)

где σ = 1,05 ÷ 1,1- степень заполнения (гарантирует обеспеченность затопления потока в нижнем бьефе).

d - глубина колодца.

Рисунок 10 –Определение габаритов водобойного колодца

Решение поставленной задачи выполняется графически на основе расчётных данных, представленных в таблице 6.

Таблица 6 – Расчёт глубины водобойного колодца

d, м	Е0=РН+ d+ Н0, м			h кол= σ	h кол =d+ h НБ
2	31,2	0,634	7,72	8,106	6,7
4	33,2	0,614	7,477	7,85	8,7
3,3	32,5	0,621	7,56	7,9	8

По данным таблицы строится график (рис.11), по которому определяется глубина колодца, d = 3,3 м.

Рисунок 11 – Определение глубины колодца по графику

Длина водобойного колодца определяется по формуле:

(52)

где β = 0,7÷0,8

l_кол = 0,7 ⋅ 8= 5,6 м

h_кол= d + h_НБ = 3,3 + 4,4 = 8 м.

4.5 Построение профиля водосливной плотины

Сливная грань водосливной плотины строится в координатах Кригера-Офицерова. В качестве исходного параметра служит профилирующий напор Н_проф =3,8 м на гребне плотины. Расчёт ведётся в соответствии с

[3, табл.11].

Таблица 7 – Координаты водосливной грани плотины

По координатам строим график Кригера-Офицерова (рис. 12)

4.6 Определение высоты открытия затвора на водосливной плотине

Согласно заданию [п.3.3.3] требуется пропустить расход Q=0,29Q_{пролёта} при открытии затвора на величину a.

- расход на водосливной плотине по ф. (31)

- расход через пролет (53)

где n = 15 - число пролетов.

Q_{пролета} =

Расход на гребне водосливной плотины, очерченной по координатам Кригера – Офицерова, при истечении из-под щита рассчитывается по формуле:

(54)

где φ=0,98÷0,99 - коэффициент скорости;

- коэффициент вертикального сжатия;

- ширина затвора равная ширине водосливного пролёта

по ф. (34)

т.к. величина , то расчет выполняется методом подбора в таблице. Следует иметь в виду следующее обстоятельство, при открытии затвора через отверстие протекает весь расход .

Таблица 8 – Определение высоты открытия затвора

,м		=	,м3/с
0,5	0,132	0,616	2,52
1,0	0,263	0,623	4,91
1,5	0,395	0,629	7,15
2,0	0,526	0,646	9,38
2,5	0,658	0,675	11,7

На основании данных табл. 8 строим график Q = f(a)(рис 14).

Рисунок 14 – Определение высоты открытия затвора

5. Гидравлический расчёт многоступенчатого перепада

Многоступенчатый перепад проектируется прямоугольной формы и состоит из входной части, ступеней, выходной части. Расчетный расход равен расходу в канале.

Q_расч = Q_канала = 162,5 м³/с

5.1 Расчёт входной части многоступенчатого перепада.

Входная часть рассматривается как незатопленный водослив с широким порогом. Высота порога водослива равна нулю. Сопряжение стенок канала с входной частью многоступенчатого перепада осуществляется с помощью косых плоскостей (рис. 15).

Рисунок 15 – Сопряжение канала в верхней части многоступенчатого перепада

1. Расчётный расход равен расходу в канале =162,5 м³/с

2.Определяется ширина входной части многоступенчатого перепада

(55)

На этом этапе - сжатия нет;

- т.к. высота порога водослива равна нулю, по [3, табл. 5].

= м – глубина воды в канале из табл.1.

v = 2,42 м²/с – скорость воды в канале.

м

= 8,45м

3. Уточняется значение величины .

1–0,2

=0,7–коэффициент бокового сжатия, по [3, рис. 3].

4. Уточняется величина :

м

5. Определяется глубина на входной части

	(56)
	(57)

=0,458 по [3, рис. 2].

0,458 5,03 =2,3 м

Q = 0,98∙2,3∙9,212∙ м³/с

6. Назначается длина водослива входной части

6 ∙ = 30,18 м

5.2 Расчёт многоступенчатого перепада

Независимо от высоты перепада и числа ступеней расчёт ведётся для первой и второй ступени. Размеры всех остальных ступеней равны размерам второй ступени. Высота ступеней назначается в пределах 2,5 4,0 м.

По заданию общее падение перепада Р=19 м (назначается 5 ступеней по Р_С = 3,8 м).

5.2.1. Расчёт первой ступени

Рисунок 16 – К расчету первой и второй ступеней

1. Определяется удельная энергия потока на первой ступени.

	(58)
м/с	(59)

м/с

= 7,67 м/с

= 3,8 м – высота ступени

м

2. Определение критической глубины потока и сопряжённых глубин и

м

(60)

Определение сопряжённой глубины проводится в табличной форме.

Таблица 9 – Расчет величины

0,00	9,37	1,2	100%
1,2	8,17	1,29	6,98%
1,29	8,08	1,297	0,54%

Определяется вторая сопряжённая глубина

Определяется напор на первой ступени из формулы не подтопленного водослива

Q = σП ε m b H0 2/3

где σ_П – коэффициент подтопления, σ_П = 1;

ε – коэффициент бокового сжатия, ε = 1;

m = 0,42 – коэффициент очертания ступени по [3, табл.5];

м

3. Определяется геометрический напор

(61)

=1,1– коэффициент запаса на затопление ступени.

=3,97 м/с

₁= 3,6 м