Гидроузел с грунтовой плотиной

Принимаем высоту верховой строительной перемычки H_пер. = 24.0 м.

Габариты  туннеля водосброса выбирается из расчёта пропуска строительного расхода по формуле:

, где

Q – максимальный строительный расход, Q_стр = 305м³/с;

m – коэффициент расхода, в первом приближении принимаем m = 0.7;

w – площадь поперечного сечения туннеля;

H_д – действующий напор, определяемый по формуле:

H_д = ÑВБ – ÑНБ_(Qстр) = (H_пер. – 0.5м) – ÑНБ_(Qстр =81.0-0.5- 60= 20.5 м.

Площадь поперечного сечения туннеля  определяем по формуле:

.

Таким образом, диаметр туннеля будет  равен:

 

Уточнение коэффициента расхода m производим по следующей формуле:

, где

– сумма коэффициентов сопротивления, местных и по длине.

-квадрат отношения выходного  сечения к i –му равен 1, так как на протяжении всего строительного туннеля площадь его не меняется.

Коэффициенты  сопротивления определяются по рекомендациям [5]:

z_входа =[0.04÷0.2]– коэффициент сопротивления при входе в туннель, при закругленных кромках и плавном входе принимаем z_входа = 0.2;

z_длины – коэффициент сопротивления по длине туннеля, определяемый по формуле:

, где

L – длина туннеля;

R – гидравлический радиус, R = w / c, где

w – площадь поперечного сечения туннеля;

c – смоченный периметр, c =πd

l – коэффициент трения определяемый по длине:

,

 где

 – относительная  шероховатость;

где Δ_экв=0.35÷0.4 мм эквивалентная шероховатость для строительного водосброса в хорошем состоянии;

z_{поворота} – коэффициент сопротивления при повороте туннеля, определяемый по зависимости:

, где

z_90° – коэффициент сопротивления при повороте на 90°, зависит от R / d (отношения радиуса закрепления R к диаметру туннеля d) и коэффициента сопротивления по длине l и определяется по формуле А.Д. Альтшуля:

;

a – угол поворота строительного туннеля, α=34°

Методом последовательных приближений с постоянным уточнением коэффициента расхода m. Дальнейший расчёт удобно произвести в табличной форме (таблица 1) при известных значениях максимального строительного расхода Q_стр = 305 м³/с действующего напора H_д = 20.5 м, длины строительного туннеля L = 408 м, эквивалентная шероховатость Δ_экв=0.4мм, УНБ=60.0, угол поворота α=34 и радиус поворота 50м. Допустимая высота поднятия воды в ВБ до отметки 80.5 м.

 

Таблица 1

№ приближения	m	w, м2	d, м	zвхода	c, м	R, м	Δ, м	l	zдлины	z90°	zповорота	åz
Qстр =305 м3/с, Hд =20.5 м, L = 408м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11		13
1	0.700	21.74	5.26	0.20	16.53	1.32	0.000076	0.011	0.88	0.08	0.07	1.15
2	0.667	22.82	5.39	0.20	16.93	1.35	0.000074	0.011	0.86	0.09	0.07	1.13
3	0.670	22.70	5.38	0.20	16.89	1.34	0.000074	0.011	0.86	0.09	0.07	1.13
4	0.670	22.71	5.38	0.20	16.89	1.34	0.000074	0.011	0.86	0.09	0.07	1.13
5	0.670	22.71	5.38	0.20	16.89	1.34	0.000074	0.011	0.86	0.09	0.07	1.13

 

Вывод: Окончательно принимаем диаметр строительного туннеля d = 5.4м

 

 

2.3. Гидравлический расчет пропуска  расхода перекрытия.

 

 

Расчет  производится из условия, что перепад  уровней  предельного

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.1. Строительный водосброс с равномерным безнапорным  потоком.

 

Перепад уровней  определяется по формуле:

 

 – принятый уклон туннеля;

 – длина туннеля;

 – перепад, образующийся при выходе потока из туннеле в русло нижнего бьефа, по соображениям расчета с запасом величиной пренебрегают и принимают ;

 – перепад, образующийся при входе потока в туннель, рассчитывается по формуле:

 

 – коэффициент скорости, зависящий от формы входной кромки. При закругленной входной кромке принимаем ;

 – средняя скорость течения в туннеле;

 – средняя скорость в верхнем бьефе при подходе к туннелю

Для определения  скорости движения потока в туннеле необходимо вычислить глубину потока в нем , воспользовавшись формулой расхода при равномерном движении жидкости.

 

 – расход перекрытия русла;

 – площадь живого сечения потока;

 – гидравлический радиус;

 – смоченный периметр;

 – коэффициент Шези, будем вычислять по формуле Маннинга;

 – коэффициент шероховатости галереи. Для гелереи из бетона в средних условиях ;

 – принятый уклон галреи.

Выразим , , и через заменив круглое, частично заполненное сечение трубы прямоугольным, и подставим полученное в формулу расхода..

 

 

 

 

Таким образом получаем выражение:

 

Используя его  в табличной форме (табл. № 2.3.1.) для различных значений глубины вычисляем значения расхода и строим график .

Таблица № 2.3.1.

 

 

ho	a	w
1	5.40	5.4	7.4	0.730	0.014	67.77	0.002	13.98
1.05	5.40	5.67	7.5	0.756	0.014	68.18	0.002	15.03
1.1	5.40	5.94	7.6	0.782	0.014	68.55	0.002	16.10
1.15	5.40	6.21	7.7	0.806	0.014	68.91	0.002	17.19
1.2	5.40	6.48	7.8	0.831	0.014	69.26	0.002	18.29
1.25	5.40	6.75	7.9	0.854	0.014	69.58	0.002	19.42
1.3	5.40	7.02	8	0.878	0.014	69.89	0.002	20.55
1.35	5.40	7.29	8.1	0.900	0.014	70.19	0.002	21.71
1.4	5.40	7.56	8.2	0.922	0.014	70.47	0.002	22.88
1.45	5.40	7.83	8.3	0.943	0.014	70.74	0.002	24.06
1.5	5.40	8.1	8.4	0.964	0.014	71.00	0.002	25.25
1.55	5.40	8.37	8.5	0.985	0.014	71.25	0.002	26.46
1.6	5.40	8.64	8.6	1.005	0.014	71.48	0.002	27.68
1.65	5.40	8.91	8.7	1.024	0.014	71.71	0.002	28.92

 

 

 

 

 

Принимаем глубину  потока в  галереи

Средняя скорость течения в туннеле:

 

– площадь живого сечения потока в галереи

Средняя скорость в верхнем бьефе при подходе  к галерее:

 

 – площадь живого сечения потока в верхнем бьефе

Перепад при  входе потока в галерее:

 

Таким образом, перепад уровней  равен:

 

Условие выполняется, таким образом  галереи можно использоваться для пропуска расхода перекрытия.

 

 

 

 

 

Глава III. Эксплуатационные водосбросы и водовыпуск.

3.1Выбор эксплуатационного водосброса.

В качестве паводкового водосброса используем галереи .

 

3.2 Расчет эксплуатационного водосброса.

 

3.2.1 Выбор конструкции для пропуска  для эксплуатационного расхода .

Для пропуска расчетного расхода Q_1%=1030м³/с . переоборудуем   строительный водосброс  в башенный водосброс.

Диаметр башенного водосброса выбирается из расчёта пропуска расчетного случая по формуле:

, где

Q – максимальный строительный расход, Q_1% = 1030м³/с;

m – коэффициент расхода, в первом приближении принимаем m = 0.7;

w – площадь поперечного сечения туннеля

,

где d=5.4м диаметр туннеля

высота входного отверстия.

H_д – действующий напор, определяемый по формуле:

H_д = ÑНПУ – Ñдна-hвх = 130.0-57.0-7.0= 66.0 м.

Площадь поперечного сечения туннеля  определяем по формуле:

.

Зная диаметр  трубы  , определяем высоту её напорного сечения:

Уточнение коэффициента расхода m производим по следующей формуле:

, где

– сумма коэффициентов сопротивления, местных и по длине.

-квадрат отношения выходного  сечения к i –му равен 1, так как на протяжении всего строительного туннеля площадь его не меняется.

Коэффициенты сопротивления определяются по рекомендациям [5]:

z_входа =[0.04÷0.2]– коэффициент сопротивления при входе в туннель, при закругленных кромках и плавном входе принимаем z_входа = 0.10;

z_длины – коэффициент сопротивления по длине туннеля, определяемый по формуле:

, где

L =14м– длина напорного участка трубы, принимаемая равной ;

R – гидравлический радиус, R = w / c, где

w – площадь поперечного сечения туннеля;

c – смоченный периметр, c = pd.

l – коэффициент трения определяемый по длине:

,

 где

 – относительная  шероховатость;

где Δ_экв=0.15÷0.4 мм эквивалентная шероховатость для эксплуатационного водосброса в хорошем состоянии; принимаем Δ_экв=0.4

z_{поворота} – коэффициент сопротивления при повороте туннеля, определяемый по зависимости:

, где

z_90° – коэффициент сопротивления при повороте на 90°, зависит от R / d (отношения радиуса закрепления R к диаметру туннеля d) и коэффициента сопротивления по длине l и определяется по формуле А.Д. Альтшуля:

;

Эксплуатационный водосброс имеет  два поворота:

a₁ – угол поворота туннеля, α₁=0°

R₁ –радиус поворота туннеля R₁=0м

Необходимый диаметр туннеля определяется методом последовательных приближений  с постоянным уточнением коэффициента расхода m. Дальнейший расчёт удобно произвести в табличной форме (таблица 2) при известных значениях расчетного расхода Q_1% = 1030 м³/с, действующего напора H_д = 66.0 м, эквивалентная шероховатость Δ_экв=0.4мм,

Таблица 2

№ приближения	m	w, м2	d, м	zвхода	c, м	R, м	Δ, м	l	zдлины	åz
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	13
1	0.700	40.91	7.22	0.10	22.67	1.80	0.000021	0.009	0.02	0.12
2	0.906	31.60	6.34	0.10	19.93	1.59	0.000024	0.009	0.02	0.12
3	0.905	31.64	6.35	0.10	19.94	1.59	0.000024	0.009	0.02	0.12
4	0.905	31.64	6.35	0.10	19.94	1.59	0.000024	0.009	0.02	0.12
5	0.905	31.64	6.35	0.10	19.94	1.59	0.000024	0.009	0.02	0.12

 

  В конце напорного режима образуется сжатое сечение

 

, где-коэффициент сжатия определяется по формуле

 

,  где 

величина зависящая от схемы истечения т.к. у нас истечение из под сегментного затвора

 

 

Высота потока в сжатом сечение( начале безнапорного режима ) равна:  
м

 

   Вывод: Окончательно принимаем диаметр строительного туннеля а = 5.4 м и высоту h_вх=6.35м. lнар =14м.

2.3.2. Расчёт отводящего  тракта эксплуатационного водосброса

При переходе потока воды от напорного режима течения  в безнапорное образуется кривая подпора (высота потока начинает возрастать). Гидравлический расчёт безнапорного участка заключается в определении величины этой высоты на выходе из трубы (т.е. там, где она максимальна), и проверке на её основании принятой высоты трубы ; должно выполняться следующее условие:

, где

- расстояние от поверхности  воды до потолка.

 В данном случае расчёт трубы выполняем как расчёт канала с прямым уклоном (i > 0). В качестве расчётного расхода берётся максимальный (паводковый) расход Q_ПАВ = 1030 м³/с. Кривая подпора определяется следующим уравнением:

        где

i – уклон дна трубы, равный 0.02,

L – длина безнапорного участка трубы, равная

h₀–глубина при равномерном течении (нормальная глубина),

η₁ и η₂ – относительные глубины в начале и в конце трубы соответственно, вычисляемые как

     и    ,

h₁ и h₂ – глубина, соответственно, в начале (h₁ = h_вх = 4.76 м – высота сечения потока на входе в безнапорную часть трубы) и в конце трубы ;

j_ср – величина, зависящая от разности глубин на входе в безнапорный участок и на выходе из него,

φ(η₁) и φ(η₂) – функции относительных глубин.

            Из приведённого выше уравнения требуется определить глубину h₂. Для этого надо вычислить все требуемые величины и для различных глубин h₂ найти соответствующие им длины. По этим данным требуется построить график зависимости длины от глубины, и по известной длине определить искомую глубину воды на выходе из галереи.

 Нормальная  глубина течения h₀ определяется так же, как и в расчёте перекрытия русла (см. выше):

 

 =5.4м,

i=0.002м

Используя его  в табличной форме (табл. № 2.3.2.) для различных значений глубины вычисляем значения расхода и строим график .