Гідравлічні розрахунки швидкотоків

При гідравлічних розрахунках швидкотоків розрізняють гідравлічно короткі та гідравлічно довгі швидкотоки. У випадку "короткого" швидкотоку на його довжині не встигає сформуватись нормальна глибина h ₀ і в його кінці утворюється глибина h_кінц,яка залежить від типу кривої вільної поверхні h_кінц ≥ h ₀.

У випадку "довгого" швидкотоку в його кінцевій частині формується рівномірний рух з глибиною h_кінц = h ₀.

Для попередніх розрахунків гідравлічний тип швидкотоку визначається за комплексним параметром [7].

, (8.1)

де і_л – уклон лотока; h_cr – критична глибина; L_л – довжина лотока. Для лотоків прямокутного поперечного перерізу (рис. 8.2) з уклоном дна і_л = 0,05...0,40, якщо П_ш > 0,02, то лотік вважається "коротким", якщо ж П_ш ≤ 0,02 – "довгим".

Ширина вхідної частини швидкотоку в і лотка в_л є однаковими і визначаються за формулою непідтопленого водозливу (6.16). Уклон лотока і_л обчислюється за допустимою швидкістю V_adm по залежності (6.11) і ув'язується з рельєфом місцевості.

Глибина води на початку лотока, що дорівнює критичній, визначається за формулою

, (8.2)

а нормальна глибина h_cr знаходиться шляхом підбору за залежністю

(8.3)

Рис. 8.2. Схема до гідравлічного розрахунку швидкотоку

 

Глибина потоку в кінні "короткого" лотока h_кін визначається за будь-яким рівнянням нерівномірного руху, але краще всього використовувати рівняння Бахметьєва [12]

(8.4)

де l - довжина ділянки нерівномірного руху між глибинами h ₁ і h ₂, тобто довжина лотока L_л; h ₁ = h_cr, h ₂ = h_кін = 1,01 h ₀; η ₁ і η ₂ – відносні глибини відповідно в кінці і на початку лотока, η ₂ = h ₂/ h ₀, η ₁ = h ₁/ h ₀; і_ср – середній параметр, що характеризує кінетичність потоку при середній глибині h_ср, h_ср = 0,5(h ₁ + h ₂), і_ср = αС ²_ср і_л в_ср / g χ_cp; φ (η ₂), φ (η ₁) – функції відносних глибин.

Глибина води в кінці «довгого» лотока приймається h_кін = h ₀. При попередніх розрахунках крива вільної поверхні у межах «довгого» лотока будується у вигляді прямої, що з'єднує h _сг на початку і в h ₀ кінці лотока. Якщо це з якихось причин вважається недостатнім, то крива вільної поверхні розраховується за рівняннями нерівномірного руху (8.4).

Прийнявши глибину в кінці лотока за першу спряжену h ₁^''= h_кін, визначається друга спряжена глибина гідравлічного стрибка h ₂^"

(8.5)

Довжина водобійного колодязя l _к визначається за формулою

(8.6)

де l_с - довжина гідравлічного стрибка.

Довжина гідравлічного стрибка обчислюється за залежністю

(8.7)

а глибина водобійного колодязя d за залежністю

(8.8)

де h ₂ – глибина води у каналі за швидкотоком.

Довжина рисберми l_р за водобійним колодязем приймається орієнтовно в межах l_р = (1-2) l_к. Її точна довжина визначається шляхом моделювання, а іноді вона розраховується за емпіричними залежностями [8].

Окремі типи швидкотоків. Швидкотоки з штучною (підвищеною) шорсткістю. Штучна шорсткість у вигляді виступів, що розміщуються на дні, а іноді і на стінках швидкотоку, у певній послідовності, дозволяє знижувати швидкості потоку до допустимих значень, збільшувати глибину потоку та уникати утворення хвиль, створювати сприятливі умови для гасіння енергії потоку в нижньому б'єфі.

Швидкотоки, криволінійні в плані. Такі швидкотоки влаштовуються при обминанні перешкоди в плані. На повороті швидкотоку виникає одностороннє підвищення рівня води, яке враховується при визначенні висоти бічних стінок.

Швидкотоки змінної ширини. Зменшенням ширини лотока швидкотоку можна досягти такого положення, коли глибина води на всій довжині зросте, буде постійною і поверхня води буде паралельна дну, що є дуже важливим для лісосплавних лотоків. Струминні швидкотоки. У струминних швидкотоках по довжині лотока встановлюються поздовжні стінки, які розділяють лотік в поперечному перерізі ніби на кілька окремих лотоків. Влаштування роздільних стінок створює додатковий опір, зменшує гідравлічний радіус та швидкість потоку. Крім того, зменшення ширини окремої струмини збільшує стійкість потоку проти утворення збігаючих хвиль, які мають місце при широких швидкотоках. Така конструкція дозволяє влаштовувати гасіння енергії потоку в нижньому б'єфі методом співудару струмин.

 

8.3. Перепади (конструкція...)

Перепадами називаються спрягаючі споруди, як правило, у вигляді східців, які з'єднують безнапірні ділянки, що розміщені на різних рівнях. Вони влаштовуються при великих уклонах місцевості, коли влаштування швидкотоку неможливе. Характерною особливістю перепадів є те, що на частині свого шляху, в межах перепаду, вода рухається по споруді, а на іншій частині – в повітрі. При цьому гасіння енергії потоку відбувається частинами у межах кожного східця.

Перепади поділяються за числом східців на односхідчасті та багатосхідчасті; за конструктивними ознаками – на колодязні, гребінчасті, напівнапірні, шахтні, трубчасті; за поперечним перерізом – на прямокутні та трапецієвидні.

Найбільш поширеною конструкцією є багатосхідчастий перепад колодязного типу (рис. 8.3). Такі перепади розраховуються з умови утворення донного гідравлічного стрибка на кожному східці.

Рис. 8.3. Багатосхідчастий перепад: 1 – стінка падіння; 2 – водобій; 3 – водобійний колодязь; 4 – поздовжні стінки; 5 – службовий місток; 6 – зливні отвори; 7 - зворотний фільтр

 

За конструктивними та гідравлічними особливостями багатосхідчастий перепад можна розділити на кілька характерних частин (рис. 8.3) вхід, східці, вихід.

Вхідна та вихідна частина за конструкцією аналогічні і виконують ті ж функції, що і в швидкотоках. Східці є фактично водобійними колодязями з стінкою падіння, в межах яких гаситься певна доля кінетичної енергії потоку.

Стінки падіння на східцях виконуються гравітаційного типу з вертикальними чи похилими (рис. 8.3) лицьовими гранями або "лежачого" типу. Довжина стінки падіння "лежачого" типу дорівнює довжині відльоту струмини.

Товщина водобою на східці t орієнтовно визначається за залежністю

(8.10)

де q – питома витрата, м²/с; Р – висота стінки падіння, м.