Лекции - Водосбросные сооружения высоконапорных гидроузлов
Подождите немного. Документ загружается.
цилиндрической. В верхней части шахта должна плавно сопрягаться с
водосливной воронкой.
Бетонная облицовка шахты принимается толщиной
0,1 d
ш
.
5 . 4 . 4 . Водоотводящий тракт.
Шахта с туннелем сопрягается с помощью криволинейного колена
(рис.5.9) радиусом r
к
= 2…2,5 d
ш
.
Рис.5.9. Общая схема водоотводящего тракта шахтного
водосброса.
1 - водосливная воронка; 2 - вертикальная шахта; 3 - строительный туннель;
4 - бетонная пробка; 5 - отводящий туннель; 6 - входной портал туннеля;
7 - выходной портал туннеля.
Если туннель используется как строительный, то по окончании
строительных работ в месте сопряжения с шахтой устраивается бетонная
пробка, длина которой принимается примерно l
пр
= 1.5…2,0 b
T
, где b
T
- ширина
строительного туннеля.
Отметка дна туннеля в месте сопряжения с шахтой определяется по
зависимости:
В =
П - i
T
L, где
П - отметка входного порога
строительного туннеля, i
T
- уклон туннеля, L - длина туннеля от входного
порога до оси шахты.
Определение сжатой глубины в туннеле в месте сопряжения с шахтой
производится путем решения уравнения методом подбора:
v
c
=Q/ω
c
= φ
c
hTg (2
, (19)
где v
c
, ω
c
= b
Т
h
c
c
, h
c
- скорость, площадь и глубина потока в сжатом сечении; φ
= 0,9 - коэффициент скорости; Т - высота падения потока от ФПУ ( без учета
скорости подхода ) до дна туннеля
В.
Проще определить сжатую глубину по графику проф. Н.Н.Павловского
(рис.5.10).
31
Для этого найдем критическую глубину:
h
кр
=
3/1
2
2
)/( gbQ
Т
. (22)
Далее определяем отношение
0
= T/ h
кр
, и тогда по графику находим
c
=
h
c
/ h
кр
, или h
c
=
c
h
кр
.
По найденному значению h
c
определяем скорость в сжатом сечении:
Рис.5.10. К определению относительной глубины в сжатом сечении
c
= h
c
/ h
кр
в зависимости от относительной полной энергии
0
=T/ h
кр
.
Продольный профиль свободной поверхности в отводящем туннеле-
кривую подпора c
II
, глубину h
2
и скорость U
2
в выходном сечении можно найти
по уравнениям Б.А.Бахметева, В.И.Чарномского, А.Н.Рахманова и др.
В случае туннеля, имеющего малый уклон, глубину h
2
в выходном его
сечении можно определить упрощенным способом, пригодным при больших
скоростях, малых глубинах и больших числах Фруда Fr. В таких условиях
свободную поверхность потока можно считать плоской и определять h
2
по
формуле:
h
2
= h
с
+ (gn
2
/αm)L
2
, (23)
где
1,0 - корректив кинетической энергии; L
2
- длина отводящего
туннеля (рис.27); m = 0,33b
Т
1/3
- для прямоугольного (корытообразного) cечения
туннеля; m = 0,4D
0,5
- для круглого сечения.
Скорость в выходном сечении U
2
= Q/b
Т
h
2
м/с.
5.5.
Сопряжение с нижним бьефом.
32
Из возможных типов сопряжения потока с нижним бьефом и гашения
его кинетической энергии у низового конца водосброса может быть донный
гидравлический прыжок или отброс потока на безопасное для сооружений
расстояние. Расчет и конструирование сопряжения не зависят от того, как
закончился водосброс - быстротоком или туннелем. Рассмотрим оба эти
варианты сопряжения с нижним бьефом.
5.5.1.Донный режим сопряжения бьефов.
Как выше показано, на выходе из туннеля глубина h
2
, скорость потока U
2
, удельный расход q = Q/b
T
, критическая глубина h
кр
, уровень воды в нижнем
бьефе
УНБ.
Для потока с такими параметрами требуется серьезное крепление дна
нижнего бьефа даже на скальном основании.
Вычислим полную энергию на выходе потока из туннеля:
- потенциальная энергия равна h
2
;
- кинетическая энергия U
2
2
/2g;
- полная энергия на выходе Т
2
= h
2
+ U
2
2
/2g .
Уровень линии энергии ( при отметке дна туннеля
П
р1
) установится
на отметке
Э = Т
2
+
П
р1
.
Перепад между бьефами Z
0
=
Э - УНБ.
По графику на рис. 5.11 при относительной величине перепада Z
0
/h
кр
(по
горизонтали) и коэффициенте φ=0,9 относительная вторая сопряженная
глубина получается равной (по вертикали) h
II
/ h
кр
= … и, следовательно h
II
= (
h
II
/ h
кр
) h
кр
.
33
Рис.5.11. К определению второй сопряженной глубины.
Приняв коэффициент затопления прыжка n
s
= 1,05, получим глубину
воды, необходимую для затопления прыжка, t = n
s
h
II
и отметку поверхности
водобойного колодца
В =УНБ - t. Длина водобойного колодца l
в
4,5 t.
Сопряжение туннеля с водобойной плитой целесообразно выполнить
криволинейным (рис.5.12).
Рис. 5.12. Пример выполнения сопряжения бьефов с помощью
водобойного колодца.
34
5.5.2. Сопряжение бьефов отбросом струи.
В высоконапорных гидроузлах, на реках в скалистых берегах, наиболее
часто применяют в качестве сопряжения трамплин с отбросом массы воды в
нижний бьеф. При решении этой задачи определяется максимальный отлет
струи и выполняется прогноз глубины размыва основания.
Дальность L отброса потока трамплином от конца водосброса зависит от
скорости U
2
подхода потока к трамплину, найденной гидравлическим расчетом
отводящего туннеля, от высоты трамплина t, его положения над УНБ, глубины
воды на трамплине h
T
h
2
и от угла наклона трамплина α к горизонту. Одна из
формул для определения дальности отброса потока:
L =φ
)sin/211(2sin)2/(
2
22
TT
UgagU
, (24)
где a - возвышение трамплина над УНБ; φ
0,9 - коэффициент,
учитывающий потери кинетической энергии при полете потока в воздухе;
U
T
U
2
- скорость потока на сходе с трамплина .
Выберем размеры трамплина (рис.5.13). Из-за сопротивления воздуха
полету струи отметку верха трамплина лучше выбрать на отметке УНБ = f(Q
p
) ,
т.е. а
0. Примем угол наклона трамплина к горизонту
= 25
0
…30
0
. Длину
трамплина можно назначить примерно равной 3…4h
2
/
Рис.5.13. Пример выполнения сопряжения бьефов отбросом струи.
5.6. Расчет воронки водослива с использованием координат Вагнера.
Очертание водосливной воронки водослива практического профиля
можно построить по координатам Вагнера (таблица 3), используя модель-
аналог, рассчитанную на расход Q = 1000м
3
/с.
Поступаем следующим образом. Для вычисления координат воронки,
рассчитываемой на заданный расход Q
р
, выбираем значение y
0
/R
0
от 0,20 до
0,40.
Соответствующие этому значению табличные значения R,Y умножаем
на модельный (масштабный) коэффициент
4,0
)
1000
(
Qp
. (25)
35
Строим профиль воронки и плавно сопрягаем его с очертанием
переходного участка, расчет которого ведется так же, как в выше
рассмотренном случае.
Таблица 3
Рамками обведены координаты гребня водосливной воронки.
Лекция 6.
6. Закрытый водосброс с наклонной штольней.
36
Закрытый водосброс с наклонной штольней устраивается в скаль- ных
грунтах , когда по топографическим условиям шахтный водосброс оказывается
неприемлимым, и состоит из следующих основных частей :
1 - подходная расчистка;
2 - водоприемная часть (водослив);
3 - переходный участок;
4 - безнапорная наклонная шахта-штольня;
5 - криволинейное колено в месте сопряжения штольни с туннелем;
6 - бетонная пробка;
7 - строительный туннель;
8 - отводящий туннель;
9 - концевое устройство.
В связи с тем, что расчеты и конструирование частей 6,8 и 9 водо- сброса
аналогичны рассмотренным выше для шахтного водосброса, ниже ограничимся
только описанием и расчетами входной части рассматрива- емого водосброса.
Различают два основных вида этой части:
- в виде водослива с боковым отводом воды;
- в виде неподтопленного водослива с прямым отводом воды, имеющего
порог в плане прямолинейный или криволинейный, образующий так
называемую неполную кольцевую входную воронку.
Такого рода водосливы устраиваются с затворами на гребне или без них.
6 . 1. Траншейны й водосброс.
Траншейные водосбросы ( водосбросы с боковым отводом воды )
относятся к классу береговых. Они устраиваются в составе гидроузлов в
сложных геоморфологических условиях, например, при крутых скальных
берегах, когда нормальное ( по оси плотины ) расположение водослива требует
глубокой врезки в берег. Водослив такого водосброса располагают вдоль берега,
вблизи подпорной горизонтали. Перед водосливом устраивается короткая
подходная выемка ( расчистка ), которая выполняет функции подводящего
канала. За водосливом располагается траншея, куда сливается поток и где он
меняет направление вдоль берега. Наличие траншеи позволяет придать
водосливу практический профиль с высоким коэффициентом расхода. Траншея
переходит в короткий канал и далее в наклонную шахту ( штольню ) и
подземный отводящий туннель ( рис.6.1 ).
37
Рис. 6.1. Траншейный водосброс с туннельным отводом воды.
Завершают траншейный водосброс сооружением для сопряжения
потока с нижним бьефом. Режим движения на этом участке может быть как
донный, так и поверхностный. В благоприятных условиях ( скальное русло,
глубокий нижний бьеф ), когда прогнозируют умеренные размывы и подмывы
берегов, безопасные для соседствующих сооружений, возможно сопряжение
сбросного потока с нижним бьефом по типу отброса струи с помощью
трамплина. Носок трамплина должен отбрасывать поток далеко от плотины, при
этом полезно распределять его по возможно большей площади.
6.1.1. Подходная расчистка
Подходная расчистка к водосливу траншейного водосброса обычно короткая,
широкая, равная ширине водослива. Глубина выемки, определяющая отметку
дна расчистки, влияет на пропускную способность водослива; можно считать
приемлемой глубину расчистки с = Н, где Н - напор на водосливе (рис.6.2).
6. 1. 2. Водослив
Водослив может быть без затворов или с затворами и, соответственно,
с быками, служебным мостом и подъемниками.
Наличие подходной выемки ( расчистки ) перед водосливом и траншеи
за ним позволяет отнести его к водосливам практического профиля и придать
38
его гребню очертание по координатам Кригера-Офицерова (рис.6.2, табл.4 ) с
целью обеспечить высокий коэффициент расхода .
Рис.6.2. Профиль Кригера-Офицерова.
Таблица 4
y/H 0,0 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
z/H 0,126 0,007 0,000 0,02 0,147 0,256 0,666 1,235 1,960 2,824
Расчетным ( профилирующим ) для очертания водослива является
напор Н, соответствующий пропуску максимального расчетного расхода. В
сторону верхнего бьефа профиль можно продолжить дугой окружности
радиусом r = H/4, переходящей в наклонную прямую.
Расход водослива определяется по формуле:
Q = εσ
п
nbm
g2
H
2/3
0
, (26)
где: n - число пролетов; b - ширина пролета; m - коэффициент расхода;
H
0
- напор на водосливе с учетом скорости подхода; σ
п
- коэффициент
подтопления, ε - коэффициент бокового сжатия .
Как уже указывалось, для обеспечения максимальной пропускной
способности водослива глубину С расчистки перед водосливом целесообразно
принять равной напору Н. При такой глубине расчистки модуль расхода можно
считать равным m
g2
≈ 2,1.
На предварительной стадии проектирования можно принимать:
Н
0
≈ Н, σ
п
≈ 1,0, ε ≈ 1,0.
При выполнении курсового проекта удобнее всего задаваться напором
на гребне водослива порядка Н = 3…5м при УВБ, соответствующем расчетному
случаю - основному или поверочному.
Далее определяем удельный расход:
q = m
g2
H
3/2
.
Ширина водосливного фронта:
В = Q / q.
39
Разбиваем водосливной фронт на n отверстий шириной b каждое, но
так, чтобы соотношение между шириной и высотой отверстия находилось бы в
пределах b / Н = 2…5. При этом необходимо руководствоваться соображениями,
изложенными ниже в соответствии со СНиП 2.06.01-86:
6.1.3. Траншея
Основным принципом проектирования траншеи является возможно
малое ее заглубление относительно водослива, не влияющее существенно на его
пропускную способность за счет подтопления. Такой принцип способствует
выбору экономичной траншеи и избавляет от динамических нагрузок на
сооружение.
Особенностью гидравлического режима в траншее является движение
в ней потока с возрастающим по длине расходом. Целью расчетов является
определение поперечных размеров траншеи и отметок ее дна при заданной
длине, равной длине водослива, чтобы полученные размеры не уменьшили
пропускную способность водосброса и при этом объем работ по траншее был
минимальным.
Гидравлический расчет траншеи и исследование сложного движения
жидкости с переменной массой по каналу с изменяющейся площадью живого
сечения и уклоном дна, основывается на решении дифференциального
уравнения свободной поверхности потока :
ds
dz
)
2
(
2
g
V
ds
d
+
g
W)q-(V
+
RC
V
2
2
,
(27)
(
где
:
q = Q/L - удельный расход на единицу длины траншеи; L - длина
траншеи, равная длине водослива; U - средняя скорость в расчетном сечении;
ω - площадь текущего живого сечения; С- коэффициент Шези; R-
гидравлический радиус. Расчетная схема – рис. 6.3.
40