Гідравлічні розрахунки багатосхідчастих перепадів

Виділяються два основних методи гідравлічного розрахунку багатосхідчастих перепадів. За першим методом окремо розраховуються розміри першого, проміжних та останнього східців [1, 6]. За другим методом довжина кожного східця l_сх і висота кожної стінки падіння Р проектуються однакових розмірів, тобто l_сх = const і Р = const [7]. При використанні другого методу ширина вхідної частини в, яка дорівнює ширині східців перепаду в_л, та критична глибина h_cr визначаються за залежностями (6.16), (8.2) (рис. 8.4).

Рис.8.4. Схема до гідравлічного розрахунку багатосхідчастого колодязного перепаду

 

Кращим гасителем енергії потоку є гідравлічний стрибок, в межах якого гаситься більше 50% надлишкової кінетичної енергії. А тому висота східця вибирається таким чином, щоб в межах кожного східця утворювався донний гідравлічний стрибок з співвідношенням спряжених глибин, що задовольняє умові

(8.11)

При невиконанні цієї умови замість гідравлічного стрибка утворюється низка стоячих хвиль, що з гідравлічної точки зору недопустимо.

Кількість східців перепаду п при загальному перепаді дна верхнього та нижнього б'єфів z для попередніх розрахунків визначається з умови

(8.12)

Висота кожного східця (стінки падіння) обчислюється за залежністю

(8.13)

де d – висота водобійної стінки.

Довжина кожного східця перепаду l_сх розраховується за залежністю

, (8.14)

де l_в – довжина відльоту струмини, l_в = 1,65 h_cr +0,65 P; l_c – довжина гідравлічного стрибка.

Довжина східця для попередніх розрахунків може визначатись за залежністю

. (8.15)

Висота водобійних стінок обчислюється за формулою

. (8.16)

Якщо останній східець виконується в плані у вигляді розтрубу (рис. 8.2), то його розміри визначаються як і розміри водобійного колодязя за швидкотоком з врахуванням параметрів гідравлічного стрибка в руслі, що розширюється, за рекомендаціями О.Ф. Васильєва.

Коли в нижньому б'єфі проектується водобійний колодязь (рис. 8.3), то необхідно уточнити висоту водобійних стінок та стінок падіння, оскільки загальний перепад збільшиться на глибину колодязя d і складатиме

(8.17)

Рисберма проектується як і за швидкотоками.

Окремі типи перепадів. Напівнапірні перепади влаштовуються з метою скорочення довжини східців та зменшення глибини виїмок. На відміну від відкритих перепадів вони мають ділянки напірного руху, що створюються поперечними стінками чи балками, які розміщуються на деякій відстані за стінкою падіння таким чином, щоб струмина ударялась в них. Ширина напівнапірних перепадів обмежується умовами міцності та жорсткості поперечних балок.

Перепади з роздільною балкою мають менші розміри, оскільки розраховуються на витрату 2/3 Q, яка проходить під балкою. Пропуск витрати 1/3 Q над балкою не впливає на довжину східця.

Трубчасті перепади різних конструкцій знайшли широке поширення на зрошувальних системах. В таких перепадах в більшості випадків стараються забезпечити напірний режим, при якому збільшується пропускна спроможність та покращуються умови гасіння енергії в нижньому б'єфі. Для створення напірного режиму в трубі діаметром d при мінімальному рівні води в каналі шар води над вхідним краєм труби повинен дорівнювати не менше 0,6 d.

 

Конструкція та гідравлічні розрахунки консольних

Перепадів

Консольні перепади або, як їх ще називають, консольні скиди чи просто консолі, в конструктивному відношенні представляють швидкотік, кінцева частина якого розташовується над укосом на високих опорах і виконана у вигляді консолі (рис. 8.5). Спряження б'єфів в кінцевій частині проходить за типом відкинутої струмини з гасінням енергії потоку в ямі розмиву.

Вхідна і транзитна частини консольного перепаду (лотік) аналогічні відповідним конструкціям швидкотоку. Кінцева частина виконується у вигляді лотока, що звисає за опорою. Для забезпечення необхідного відльоту струмини, щоб не допустити підмиву опори, консоль виконується горизонтальною чи із зворотним уклоном. Для зменшення питомої витрати і, відповідно, глибини розмиву, влаштовуються консолі з роздільними стінками, з трамплінами та у вигляді віяла.

Опори консолей – це системи залізобетонних колон чи паль, фундаменти яких закладаються з врахуванням можливої глибини розмиву. У місці падіння струмини з консолі на не укріплений грунт утворюється яма розмиву, оскільки швидкість падіння струмини у більшості випадків значно перевищує допустиму швидкість для грунту на розмив (винятком може бути скельний грунт).

Рис. 8.5. Консольний перепад: 1 – вхід; 2 – службовий місток; 3 – бетонний лотік; 4 – залізобетонний лотік; 5 – консоль; 6 – трампліни; 7 – рамна опора; 8 – балки жорсткості; 9 – габіонне кріплення

 

Гідравлічні розрахунки консольних перепадів. Вхід консольного перепаду розраховується і проектується, як і вхід швидкотоку. Лотік консольного перепаду розраховується також аналогічно лотоку швидкотоку, визначаючи в результатів розрахунків глибину води в кінці лотока h_кін (рис. 8.6).

Консоль часто проектується з шириною, що дорівнює ширині швидкотоку.В цьому випадку глибина води в кінці консолі h_кс дорівнює глибині води в кінці швидкотоку h_кін = h_кс. Якщо ж для зменшення питомої витрати і, відповідно, глибини розмиву консоль проектується розширеною в плані, то глибина води в кінці консолі визначається за рівнянням нерівномірного руху.

Яма розмиву (рис. 8.6) розраховується з метою визначення її контурів та глибини, які необхідні для розрахунку безпечної глибини закладання фундаменту кінцевої опори та недопущення її підмиву.

 

 

Рис. 8.6. Схема до розрахунку ями розмиву за консольним перепадом

 

 

Довжина відльоту струмини l_в при горизонтальній консолі для попередніх розрахунків визначається за залежністю

(8.18)

де V – швидкість в кінці консолі; Р – висота падіння струмини.

В технічній літературі існує багато формул для визначення глибини ями розмиву t за консольними перепадами, що запропоновані різними авторами (Б. А. Мацман, А. Н. Патрашев, Ц. Є. Мірцхулава, М. А. Михальов та інші). Для прикладу наводиться залежність М.С. Визгло, що враховує тип грунту та аерацію потоку

(8.19)

де А – коефіцієнт аерації; К – коефіцієнт, що враховує характеристики грунту; q – питома витрата на консолі.

Ширина ями розмиву низом приймається

(8.20)

Коефіцієнт закладання укосу ями розмиву

(8.21)

При відомій глибині ями розмиву визначається відмітка закладання фундаменту опори, яка повинна бути нижчою за відмітку дна ями розмиву.