Проектирование комплексного гидроузла

– коэффициент сжатия потока, который определяется для водосбросов с фронтальным входным оголовком по формуле Базена:

, (45)

где z – перепад уровней. z = Н₀

Однако в случае водосброса с полигональным входным оголовком значение σ принимается равным 1.

Н₀ – напор над оголовком водослива с учётом скорости подхода:

, (46)

В данной формуле величину для предварительных расчётов можно принять равной 2% от , т.е. .

Далее определяем периметр входного оголовка водослива:

Принимаем 5 граней: 4 шириной по 7 м, и одна – 3.5 м.

2.2.2 Расчёт водопропускной части водослива

1) Начнём расчёт водопропускной части водослива с определения ширины водопропускного тракта на пропуск расхода, который вошёл в оголовок водослива.

Задаём предварительно .

Перепад уровней во входном оголовке определяется по зависимости

, (47)

где - критическая глубина потока во входном оголовке

, (48)

где - коэффициент Кориолиса .

Подставляя значения в формулу (47), определяем перепад уровней

2) Рассчитаем глубину воды на входе в водопропускной тракт водосбросного сооружения:

, (49)

где - коэффициент бокового сжатия..

- коэффициент скорости. .

3) Рассчитаем вероятную глубину воды на водопропускном тракте:

, (50)

где - разность бьефов (51)

, (52)

– скорость движения воды на водопропускном тракте. .

4) Т. к. мы не можем утверждать, что найденная глубина – это действительная глубина на водопропускном тракте, то необходимо её проверить, рассчитав кривую спада. Уравнение кривой свободной поверхности определяется по формуле Ларькова

, (53)

Величина A определяется по следующей формуле:

, (54)

где - угол наклона водосброса к горизонтальной плоскости. .

- приведённый коэффициент расхода:

, (55)

- приведённый напор:

. (56)

Подставляем найденные величины и в формулу:

Далее определяем значение :

Таким образом, глубина воды в конце водопропускного тракта . Отсюда следует, что к концу водоспуска глубина уменьшается и образуется кривая спада.

Назначаем высоту стенок водопропускного тракта с учётом сухого запаса , т.е. глубина канала в начале , а в конце -. Или, округляя до стандартных величин, получим:

, .

Определим среднюю глубину воды на водопропускном тракте:

5) Рассчитаем расход, который может пропустить водопропускной тракт, по следующей зависимости

. (57)

Для проверки рассчитаем расход по формуле Шези:

, (58)

где - коэффициент Шези, определяемый по формуле

, (59)

где - коэффициент шероховатости бетона.

-гидравлический радиус:

Отсюда определяем коэффициент Шези:

ω – площадь поперечного сечения канала:

i – уклон дна водопропускного тракта

. (62)

Подставляем все найденные значения в формулу:

Рассчитанный расход превышает заданное значение, однако превышает на допустимую величину. Таким образом, окончательно принимаем ширину канала равной 2 м.

6) Рассчитаем скорость воды на водопропускном тракте:

, (63)

7) Т. к. полученное значение скорости превышает , то необходимо установить устойчивость потока. В случае если поток неустойчив, необходимо устраивать искусственную шероховатость для того, чтобы погасить энергию потока и стабилизировать его.

Поток устойчив в случае, когда , где - число Фруда:

, (64)

- критическое значение числа Фруда:

, (65)

Рассчитаем эти параметры для значения :

; .

, следовательно, поток неустойчив, и его необходимо стабилизировать с помощью искусственной шероховатости.

Теперь нужно рассчитать, в каком месте водопропускного тракта её устанавливать. Для этого определим и для разных глубин.

При

; .

При

; .

При

; .

Таким образом, искусственную шероховатость нужно начать устанавливать в том месте, где глубина воды превышает .

8) Рассчитаем высоту выступов искусственной шероховатости по следующей зависимости:

, (66)

где - глубина воды в том месте, где начинают устанавливать искусственную шероховатость. .

- гидравлический радиус

- скорость потока

. (67)

2.3 Окончательное проектное решение

Наиболее оптимальным водосбросным сооружением для данного проекта является береговой открытый водосброс. Проектируем его с полигональным входным оголовком.

В расчётах, приведённых выше, были определены размеры водосброса. Так, 5 граней входного оголовка равны: 4 шириной по 7 м, и одна – 3.5 м, ширина водопропускного тракта составляет 2 м. На самом водопропускном тракте установлена искусственная шероховатость для того, чтобы погасить энергию потока и стабилизировать его.

В нижнем бьефе устанавливается водобойная плита для предотвращения его размыва. За водобоем устанавливаем рисберму, после которой вода попадает в канал, соединяющий её с рекой.

3. Бетонная плотина

Одним из наиболее распространенных типов водосливных плотин являются бетонные, как наиболее простые по конструкции.

Основной отличительной особенностью водосливных бетонных плотин, возводимых на не скальных основаниях, является геометрическая форма, в основу которой положен рациональный треугольный профиль с наклонными гранями.

Бетонные водосливные плотины относятся к гравитационным гидротехническим сооружениям, устойчивость которых обеспечивается за счет их массы и сил трения. Материалом для плотин служит в основном бетон и железобетон.

Достоинства бетонных плотин заключается в простоте конструкции; возможности широкой механизации строительных работ; надежности конструкции в различных климатических условиях; возможности применения невысоких по прочности и стоимости марок бетона; недостатки – относительно большие удельные объемы бетона, неполное использование прочностных его свойств, неравномерное распределение напряжений в основании сооружения, неблагоприятное влияние внешних температурных колебаний и термического режима.

Для снижения указанных недостатков на низконапорных гидроузлах применяют плотины облегченной конструкции – с консолью, ячеистые, контрфорсные, решетчатые с вакуумно-безвакуумным профилем, плотины из мягких материалов и др. [4]

3.1 Проектирование тела бетонной плотины

Профиль водосливной плотины принимают с учетом её конструкции и высоты порога (высота напора воды 1 м). Плотины с порогом средней высоты имеют криволинейный профиль, которому придают очертания траектории свободного падения струи. Профили таких плотин строят по координатам Кригера – Офицерова [3]. Значение координат безвакуумного профиля вычисляют путем умножения координат, предложенных Кригером – Офицеровым на проектный напор: X=XH; Y=YH, значения Х и Y даны в таблице (2.3.).

Табл. 2.3.Значение координат х и у

х	у	х	У	х	У	х	у
0,0	0,126	1,1	0,321	2,2	1,508	3,3	3,405
0,1	0,036	1,2	0,394	2,3	1,653	3,4	3,609
0,2	0,007	1,3	0,475	2,4	1,894	3,5	3,818
0,3	0,000	1,4	0,564	2,5	1,960	3,6	4,031
0,4	0,006	1,5	0,661	2,6	2,122	3,7	4,249
0,5	0,027	1,6	0,764	2,7	2,289	3,8	4,471
0,6	0,060	1,7	0,873	2,8	2,462	3,9	4,698
0,7	0,100	1,8	0,987	2,9	2,640	4,0	4,930
0,8	0,146	1,9	1,108	3,0	2,824	4,5	6,220
0,9	0,198	2,0	1,235	3,1	3,013
1,0	0,256	2,1	1,369	3,2	3,207

Сопряжение сливной грани с водобоем осуществляется при помощи криволинейной вставки радиусом R = 0.5 *(Н + z),

R = 0.5 * (1 + 13) = 7,0 м.

uде Н – высота напора, равная 1 м,

z = 13 м (отметка НПУ).

3.2 Расчет пропускной способности

Пропускная способность водосливного фронта плотины должна быть такова, чтобы максимальный расчётный расход воды в реке прошёл через неё в другие сооружения при напоре , соответствующем этому расходу

Чтобы определить пропускную способность плотины, рассчитаем ширину водосливного фронта:

где – коэффициент, учитывающий форму водослива и скорость подхода.

Н – напор на гребне водослива равный 1 м.

Определяется по специальному графику в зависимости от коэффициентов и .

– коэффициент расхода. Величина изменяется в широких пределах и зависит от величины напора на водосливе, а также от очертания оголовка водослива. Для принятого расчётного профиля водосливной плотины коэффициент расхода принимается равным 0,48.

– коэффициент бокового сжатия. Его величина определяется по формуле Замарина:

где – коэффициент, зависящий от формы быков. Для кругового очертания оголовка быка =0,7.

– число боковых сжатий;

– ширина одного пролёта.

При 4 пролётах b = 2,7 м:

В_{акт. ср.} = (10,8 + 8,4) / 2 = 9,6 м. При 4 пролётах b = 2,4 м.

Водосливные отверстия отделены друг от друга быками, служащими опорами для затворов, перекрывающих отверстия. Примем ширину быка равной 0,7 м.

В_{строит.} = 2,4 * 4 + 3 * 0,7 = 11,7 м.

3.3 Устройства нижнего бьефа водосливной плотины

Устройства нижнего бьефа водосливной плотины состоят из: водобоя с гасителями энергии; рисбермы, на которой происходит успокоение потока.

Водобой чаще всего устраивается в виде горизонтальной (а иногда и слегка наклонной) бетонной плиты – плоской или, как в данном проекте, в форме водобойного колодца. Водобойный колодец представляет собой углубление в грунте основания за плотиной. Бетон водобоя должен хорошо сопротивляться истирающему действию потока, движущемуся здесь с большими скоростями.

Определим глубину и длину водобойного колодца. Для этого расчитаем удельный расход :

Определим глубину в сжатом сечении по зависимости:

1,9 = 0,95.

Решая это уравнение, определим сжатую глубину: .

Определим раздельную глубину по формуле:

Глубина воды в нижнем бьефе . Назначаем .

Зная, что

можем определить глубину колодца :

где – глубина воды на рисберме.

– перепад на выходе из колодца, который определяется по следующей зависимости:

Т.к. эта величина очень мала, то при расчёте ею можно пренебречь.

При глубине воды на рисберме t= 0,8 м:

Определим длину водобойного колодца по формуле:

3.4 Пространственный гидравлический прыжок за водосливной плотиной

Для плотины с решётчатым водосливом и камерой гасителем характерен смешанный поверхностно-донный устойчивый режим сопряжения потока с нижним бьефом. При этом образуется пространственный гидравлический прыжок. Для затопления бурного потока в пространственных условиях необходимо обеспечить в нижнем бьефе определённую глубину, равную или большую рассчитанной по формуле:

где h₀ – глубина воды на носке-трамплине водосливной плотины при выходе на водобой;

Fr – число Фруда:

β – относительная ширина русла на рисберме:

β = В_р / В,

где В- ширина водосливного фронта плотины;

В_р – ширина рисбермы: В_р = Q / q_р ,

где q_р – удельный расход на рисберме: q_р = 1,7 * V * h^1,2 _р ,

V = 0,7 м/с – неразмывающая скорость,

h_р – глубина потока на рисберме (1…2 м)

В_р = 16 / (1,7 * 0,7 * 1^1,2 ) = 13,4 м;

Fr = 16² / (13,4² * 0,4³ * 9,81) = 2,27;

Fr > Fr_кр (Fr_кр = 12,71 ).

3.5 Устойчивость бетонной плотины

На практике расчёт устойчивости плотины ведут приближённым способом, предполагая, что грунт под плотиной перемещается вместе с ней, как бы сдвигаясь по некоторой криволинейной поверхности, принимаемой круговой.

Пусть на плотину и выделенный круговой сегмент грунта основания AОB действуют следующие силы.

1) Равнодействующая всех вертикальных сил , переносимая по линии её действия до встречи с дугой сегмента и раскладываемая на составляющие: радиальную и касательную