Лекции - Водосбросные сооружения высоконапорных гидроузлов
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 4.1. Профиль водохранилища (а) и схема
трансформации паводка (б).
При наличии большой аккумулирующей призмы, когда ее объем
больше объема ливневого паводка, водосброс на пропуск этого паводка можно не
рассчитывать.
Задачу расчета аккумулирования ливневого паводка, как правило,
ставят так: задан гидрограф паводка, а также НПУ и ФПУ; требуется найти
расчетный расход водослива. Решение этой задачи в первом приближении ведут
обычно по способу Д.И.Кочерина, согласно которому гидрограф паводка
аппроксимируют трапецией, а кривую ОА заменяют прямой ОА.
Ниже приводится пример учета аккумулирования ливневого
паводка (рис. 4.2) для двух случаев конструкции водослива - без затворов
(рис.4.2,а) и с затворами (рис.4.2,б).
Для расчета задано:
- площади зеркала водохранилища при НПУ и ФПУ
соответственно А
НПУ
и при А
ФПУ
;
- гидрограф ливневого паводка;
- максимальный расход ливневого паводка Q
1макс
= 1400 м
3
;
- время подъема паводка Т
1
= 6 часов;
- время пика паводка Т
2
= 4 часа;
- время спада паводка Т
3
= 10 часов;
- максимальный подъем уровня от НПУ до ФПУ -
H = 1,5м;
- объем призмы аккумулирования ( резервный объем)
W
aкк
=
H·0,5(А
НПУ
+ А
ФПУ
) = 1,5·11,5·10
6
= 17,25 м
3
;
- полный объем ливневого паводка
W
0
= 0,5(Т
1
+ 2Т
2
+ Т
3
)Q
1макс
=0,5·(6 + 2·4 + 10) 1400·3600=
= 60,5·10
6
м
3
;
21
- транзитный объем
W
ТР
= W
0
- W
акк
= (60,50 - 17,25)10
6
= 43,25·10
6
м
3
.
Максимальные расходы с учетом аккумулирования ливневого
паводка можно найти аналитически с применением следующих формул:
- для водослива без затворов (случай I):
Q
2макс
= Q
1макс
(1 + α)(1 - β); (2)
- для водослива с затворами (случай II):
Q
2макс
= Q
1макс
1
)1(1
2
,
(3)
где α =
321
2
ТТТ
Т
, β =
0
W
W
акк
. (4)
Рис. 4.2. К расчету аккумулирования ливневого
паводка.
Полученные в результате расчетов значения расходов Q
2макс
сравниваются
с основным паводочным расходом (см. задание), и в качестве расчетного
принимается бόльший из них для выбранного типа водослива - с затворами или
без них.
Лекция 5.
22
5. Шахтный водосброс.
Шахтный водосброс представляет собой водослив кругового в плане
очертания (воронку), сбрасывающий воду в нижний бьеф через вертикальную
или наклонную шахту и отводящий туннель.
Рис. 5.1. Основные элементы шахтного водосброса.
В состав шахтного водосброса входят (рис. 5.1):
1 - водосливная воронка с полным или неполным в плане кольцевым
водосливом, иногда с плоским гребнем;
2 - переходный участок, в пределах которого свободное падение воды
при расчетном расходе происходит с полностью заполненным сечением;
площадь сечения переходного участка уменьшается в соответствии с
уменьшающимся живым сечением струи;
3 - вертикальная или наклонная шахта обычно постоянного сечения;
4 - колено или иное сопрягающее устройство, соединяющее шахту с
отводящим туннелем;
5 - отводящий туннель.
5.1. Водосливная воронка.
Выполняется в виде полного или неполного кольцевого водослива
(рис.5.2,а,б). Кольцевые водосливы бывают нерегулируемые (без затворов),
когда гребень водосливной воронки выполнен на отметке НПУ, и
регулируемые, когда на гребне воронки установлены затворы. При
использовании нерегулируемых водосливов для развития их водосливного
фронта во избежание существенного подъема уровня при сбросе максимальных
расходов применяют водосливы типа «маргаритка». Эти водосливы имеют
23
развитую сливную кромку за счет того, что состоят из нескольких лотков,
имеющих в плане вид лепестков и дно, наклоненное в сторону шахты
(рис.5.2,в).
Рис. 5.2. Схемы водоприемной части шахтных водосбросов.
а - круговая водосливная воронка с затворами или без них; б - секторная
(неполная) водосливная воронка; в - лепестковый водослив («маргаритка»).
Водоприемная часть шахтного водосброса соединяется с водоотводящей
частью. Наиболее широкое распространение получили вертикальные шахты,
которые могут быть коническими или цилиндрическими (рис.5.3,а,б). Реже
устраиваются наклонные шахты (рис.5.3,в). Известны случаи, когда
вертикальная шахта отсутствует и воронка соединяется коленом с отводящим
трактом (рис.5.33,г).
Рис.5.3. Конструктивные схемы шахт.
а - вертикальная коническая шахта; б - вертикальная цилиндрическая шахта;
в - наклонная цилиндрическая шахта; г - непосредственное сопряжение
оголовка с коленом, шахта отсутствует.
24
5.2. Подвод воды к кольцевому водосливу.
Для устранения вращения потока и равномерного обеспечения подвода
воды выемке (расчистке), подводящей воду к водосливу, придаются
определенные очертания в плане и устанавливаются противоводоворотные
устройства.
Расчистка в плане может быть параболического, полигонального или
иного очертания (рис.5.4).
г)
Рис.5.4. Возможные плановые очертания расчисток.
Как показывают исследования, даже при самых совершенных очертаниях
расчистки (рис.5.4,а) избежать полностью водоворотных явлений в пределах
выемки не удается - требуется применение противоводоворотных устройств.
Ширина расчистки l на подходе к шахтному водосбросу назначается из
условия получения скорости здесь v = 1,0…1,5м/с:
l =
,
)( vHp
Q
P
(5)
где Q
P
- расчетный расход; р - превышение гребня водослива над дном
расчистки; Н - расчетный напор.
Очертание параболической расчистки (рис.5.4,б) строится по
координатам:
y = l
0
180
; x = y ctg
. (6)
25
В качестве протвоводоворотных устройств применяются направляющие
стенки, одна (рис.5.4,б) или две (рис.5.4,в). Во втором случае длина каждой
стенки принимается равной l
ст
= (2,5…3,0)R, толщина стенки около 1,0м,
расстояние между стенкой и гранью водослива 0,05…0,1 R.
Расчистка по рис.5.4,г строится следующим образом.
Из точки А (точка пересечения оси быка с наружной окружностью
водослива) под углом α проводится линия АВ. Отрезок этой линии ВС
представляет ширину расчистки b
α
в этом месте, которая определяется по
формуле b
α
=
,
)(
p
vсH
Q
где Q
α
= Q
- расход на расчистке в сечении α; Н - напор на гребне
водослива; с - высота гребня водослива; v
p
= 1…1,5 м/с - скорость на расчистке.
5.3. Конструкция кольцевого водослива с затвором.
Кольцевой затвор представляет собой металлический цилиндр радиусом,
равным радиусу R
0min
гребня водослива, и толщиной стенки
0,1 R
0min
(рис.5.5).
Для открытия затвора из камеры давления по трубопроводу выпускают воду в
шахту, при этом затвор опускается в камеру; для закрытия затвора трубопровод
в шахту закрывается и открывается трубопровод, соединяющийся с верхним
бьефом, камера заполняется водой, цилиндрический затвор всплывает и козырек
затвора занимает нужное высотное положение. Описанные открытие и закрытие
трубопроводов осуществляются автоматически с помощью особых клапанов и
поплавков, приходящих в движение в соответствии с колебаниями УВБ.
Рис.5.5. Гребень водослива шахтного водосброса с кольцевым
затвором.
1 - цилиндр затвора; 2 - козырек; 3 - кольцевой затвор; 4 - бык; 5 - подходная
расчистка; 6 - камера давления (затворная камера); 7 - трубопровод для выпуска воды из
камеры; 8 - водосливная воронка.
Высота порога водослива с = 0,5…1,0 Н.
На рис.5.6,5.7 представлены схемы шахтного водосброса с кольцевым
затвором.
26
Рис.5.6.
Рис.5.7.
5.4. Гидравлический расчет шахтного водосброса.
Гидравлический расчет шахтного водосброса заключается в определении
по заданному расходу очертаний элементов сооружения, обеспечивающих
нормальное функционирование системы.
5.4.1. Пропускная способность водослива.
Расход через водослив шахтного водосброса определяется по формуле:
Q = εm(2πR - n
0
S)
g2
H
3/2
, (7)
где ε - коэффициент бокового сжатия, равный в среднем 0,9;; n
0
,S -
соответственно число быков и их ширина на уровне гребня; m,R,Н -
соответственно коэффициент расхода, радиус воронки (гребня) и напор на
гребне водослива. При отсутствии быков ε = 1, n
0
:
Q = m2πR
g2
H
3/2
. (8)
Коэффициент расхода m зависит от относительного напора H/R:
m ≈ 0,98 (0,507 - 0,136 H/R). (9)
Умножим и разделим правую часть формулы расхода на R
3
/
2
и найдем из
полученного выражения Береговые водосбросы применяются на гидроузлах с
грунтовыми плотинами, а также на гидроузлах с бетонными плотинами в узких
створах. Выполняются они в виде быстротоков или туннельных водосбросов -
безнапорных или напорных.
27
Вариант компоновки гидроузла с береговым водосбросом отличается
разнообразием типов водосбросов. Головная часть такого водосброса
представляет собой водослив, предшествуемый коротким подводящим каналом
(подходной выемкой). Водослив может быть с широким порогом и
практического профиля, прямым и кривым в плане, располагаться нормально
берегу, по оси плотины (с нормальным отводом воды) ( рис. 2а ), и вдоль берега,
если он крутой (с боковым отводом воды, траншейный) (рис. 2б); может быть
кольцевым (шахтный) ( рис. 2в ), с неполной кольцевой воронкой (рис. 2г) - все
зависит от способа отвода воды в нижний бьеф.
в) г)
Рис. 2. Головная часть береговых водосбросов приплотинных
гидроузлов.
а – нормальный водослив:1 – ось плотины; 2 - мост; 3 – шпунт; 4 – понур;
б – боковой ( траншейный) водослив; в – кольцевой водослив; г - с
наклонной штольней.
Отводящая часть водосброса может быть в виде быстротока,
трассируемого по береговому склону и заканчиваемого трамплином или га-
сителем другого типа ( рис. 3а ). Может быть в виде наклонной шахты,
переходящей в отводящий туннель( рис. 3б ).При этом в качестве отводящей
части, как указывалось, может быть использован низовой участок строительного
туннеля. Может быть, также в виде вертикальной шахты, переходящей в
туннель ( рис. 3в ). Этому варианту соответствует кольцевой водослив, под-
ходная выемка к нему должна обеспечивать подвод воды по всему периметру.
28
а)
б) в)
Рис. 3. Отводящая часть береговых водосбросов.
а - нормальный водосброс с быстротоком: I - подходной канал
( расчистка ); II - водослив; III - отводящий канал; IV - быстроток с концевым
устройством; б – водосброс с наклонной штольней; в – шахтный водосброс с
вертикальной шахтой и отводящим туннелем.
Выбор типа водосброса решает технико-экономическое сопоставление,
результат зависит от природных условий и расчетного расхода водосброса.
R:
R=[
2/3
)/(22 RHgm
Q
]
0,4
=0,264[
2/3
)/( RHm
Q
]
0,4
. (10)
Задаваясь различными значениями H/R, легко определить m, R и
H.
5.4.2. Очертание водосливной воронки практического профиля.
Воронки с водосливом практического профиля применяются,
когда 0,2 ≤ H/R ≤ 0,4.
Профиль водослива и водосливной воронки выполняется по
методу центральной струйки или принимается по координатам Вагнера.
В первом случае при расчете профиля водослива первоначально
строится траектория центральной струйки, а затем находятся верхняя и
нижняя границы струи; нижняя граница определяет профиль водослива
(рис.5.8).
29
Рис.5.8. К построению профиля и воронки водослива
Принимается, что глубина потока в створе гребня равна h
гр
= 0,75Н.
Горизонтальная составляющая средней скорости в створе гребня в
этом случае: v
0
=
.9,5
75,0
2
75,0
2/3
Hm
H
Hgm
H
q
(11)
Уравнение траектории центральной струйки: y =
2
0
2
2v
gx
. (12)
Средняя скорость в любом сечении: v =
gyv 2
2
0
, (13)
толщина струи h =
vxR
Q
)(2
. (14)
Откладывая от оси центральной струйки по нормали 0,5 h влево и
вправо, находим очертание профиля водослива и свободной поверхности струи.
В точке на оси при глубине y
пер
свободные поверхности струй пересекутся. От
этого сечения и ниже начинается переходный участок водосброса.
5,4.3. Переходный участок.
Начальное сечение переходного участка проходит через точку
пересечения свободной поверхности струй при расчетном расходе на глубине
y
пер
(рис.30).
Средняя скорость в начальном сечении переходного участка:
v
пер
= v
0
+
пер
gy2
, (15)
где v
0
- скорость на гребне водосливной воронки.
При коэффициенте скорости
= 0,9 скорость в сечении переходного
участка на глубине y > y
пер
: v
y
= v
пер
+
)(2
пер
yyg
. (16)
Площадь сечения шахты на глубине y с учетом аэрации потока:
ω =1,1Q/v
y
(17)
Диаметр шахты в любом ее сечении: d
ш
=(4ω/π)
0,5
. (18)
Пользуясь этой зависимостью, можно наметить очертание шахты по всей
ее высоте. Как видно, сечение шахты книзу все время уменьшается, однако
нижнюю ее часть, где диаметр шахты достигает
6м, целесообразно принимать
30