Тема 14. Гідравлічні розрахунки гірсько-решітчастих

Водозаборів

Гідравлічний розрахунок гірсько-решітчастого

Водозабору

В підвідному руслі рух потоку можна вважати рівномірним. Безпосередньо перед водозабірною галереєю потік набуває форму кривої спаду. При цьому глибина води на початку решітки (рис. 14.1) буде більша за критичну, тобто h ₁ ≤ h₀ > h_сr, якщо розрахункова витрата протікає по руслу в спокійному стані (Fr < 1)або ж h ₁ ≤ h ₀ < h_сr — при бурному режимі.

В межах решітки рух буде нерівномірним. Зважаючи на відсутність точних методів визначення величин h ₁ i h ₂, їх значення виражаються в долях критичної глибини.

В залежності від кількості води, що проходить крізь решітку, і розмірів самої галереї режим течії в ній може бути безнапірним, напірним і перехідним (рис. 14.1 Б).

Водозабірна частина греблі розраховується на безнапірний рух поди в галереї для випадку нормального режиму експлуатації водозабору при меженних витратах, тобто коли витрата річки забезпечує як водоспоживання, так і скид тягнених наносів в нижній б'єф:

(14.1)

(14.2)

Розрахунок донної решітки. При безнапірному русі води в галереї пропускна спроможність решітки не залежить від глибини води в галереї і розміри решітки визначаються за формулою витікання рідини з отвору при деяких поправках, які відповідають дійсним умовам протікання води крізь решітку (рис.13.4 а)

(14.3)

де μ – коефіцієнт витрати отворів решітки; К_n – коефіцієнт просвітності, який дорівнює відношенню S /(S+t), показує, яку частину від загальної площі решітки складає площа її просвітків; S – просвіток між стержнями решітки; t – товщина стержня; l_p – довжина решітки (нормально до напрямку течії води в річці), яка дорівнює довжині донної галереї; В_р – ширина горизонтальної проекції решітки приймається в межах 1...2м; К_ч – коефіцієнт чистоти решітки, К_ч = 1 – К_з, К_з - коефіцієнт засмічення решітки, К_ч = 0,8 – 0,85; h_ср – середня глибина води над решіткою.

Професор Є.О. Замарін, базуючись на дослідженнях А.І. Арикової, пропонує визначати h_ср в долях критичних глибин

(14.4)

де

(14.5)

тоді

(14.6)

де Q ₁ і Q ₂ – витрата води на початку і в кінці решітки; h_{сr 1} і h_{сr 2} - критичні глибини, що відповідають витратам Q ₁ і Q ₂. Підставивши значення h_ср з формули (14.6) в формулу (14.3), отримаємо

, (14.7)

або

(14.8)

або

(14.9)

Рис. 14.1. Розрахункові схеми водозабірної частини греблі. А - надходження води крізь решітку у водозабірну галерею; Б – режими течії води в галереї: а – безнапірний; б – перехідний; в – напірний

 

У окремому випадку, коли забирається вся витрата річки, маємо Q_реш = Q ₁, Q ₂ = 0, h_{сr 2} = 0. В цих формулах невідомі величини В_р і l_p, отже, одна з них знаходиться при відомій іншій.

Пропускна спроможність решітки і галереї перевіряються для випадку напірного режиму в останній при мінімальній різниці рівнів води Δh над решіткою і за галереєю (рис.14.1 в).

При напірному русі вода надходить в галерею крізь решітку під напором Z_x, який дорівнює різниці відміток рівня над решіткою і рівня п’єзометричної лінії в перерізі, що розглядається. Для спрощення розрахунку п’єзометрична лінія вважається прямою ДЕ і початок її встановлюється нижче рівня води над решіткою на величину втрат напору в решітці, яка дорівнює

(14.10)

де ζ_р – коефіцієнт опору решітки, становить приблизно 3,0 – 3,5; V_p –швидкість руху води в просвітках решітки, дорівнює V_p = Q_реш / В_р l_pК_п.

Питома витрата решітки визначається за формулою

(14.11)

Якщо напір Z змінюється за лінійним законом, то

(14.12)

а сумарна витрата решітки буде дорівнювати

(14.13)

де μ ₁ – коефіцієнт витрати отворів решітки при напірному русі.

При Δh = h_cp i h_w = 0 залежність (14.13) зводиться до виду

. (14.14)

Витрата води в галереї в будь-якому довільному перерізі визначається за формулою

, (14.15)

де l_і – відстань від початку галереї до створу, що розглядається.

Розрахунок водозабірної галереї. Рух води в галереї відбувається зі зміною витратою, тому при її розрахунку необхідно користуватись рівнянням Г.А. Петрова для руху води зі зміною масою [3]. Оскільки розрахунок галереї за залежністю, що пропонується, порівняно трудомісткий, професор Є.О. Замарін запропонував вести розрахунок за формулами рівномірного руху з віднесенням всіх розрахункових величин до середнього перерізу кожної ділянки.

По довжині галерея розбивається на ряд рівних розрахункових ділянок (на рис. 14.2 – 4 ділянки) і визначається відстань від початку галереї до створу, що розглядається, l ₁, l ₂, l ₃, l ₄.Початок координатних осей 0 розташовується на вході галереї на 0,1...0,2 м нижче від нижньої площини решітки (рис.14.2).

Витрата в довільному створі визначається за формулою

(14.16)

де l _і – відстань від початку галереї до створу, що розглядається.

З умови промиву наносів, які попадають в галерею, швидкість на початку галереї приймається рівною V_n = 1,5…2,0 м/c, в кінці галереї – V_к = 2,5...3,5 м/с.

Швидкість в довільному створі визначається за формулою

(14.17)

При відомій витраті і швидкості визначається площа живого перерізу потоку

(14.18)

Глибина води знаходиться із залежності

(14.19)

де в_г – ширина галереї.

За відомими значеннями S_i , в_г , h_г обчислюються значення гідравлічного радіуса R і коефіцієнта Шезі С, потім за формулою Шезі – середнє значення уклона вільної поверхні потоку на довжині ділянки галереї, що розглядається, і_ср. При відомих і_ср і довжині ділянки (l = l_г/п) визначаються втрати напору на довжині ділянки галереї

(14.20)

де п – число ділянок галереї.

У випадку напірного режиму руху води в галереї її розрахунок дещо відмінний від попереднього. Приймається, що рівень води на виході з галереї співпадає з рівнем решітки (рис.14.1 в). За даними значеннями Q_р та Δh і відомими В_р, l_p і в_г визначається уклон п'єзометричної лінії ДЕ (рис.14.1 в)

(14.21)

При відомій витраті в довільному створі Q_і за формулою

(14.22)

визначається висота галереї в даному створі.

Встановлені розрахунком розміри галереї повинні задовольняти експлуатаційні вимоги: незамулюваність галереї і порівняно спокійний випуск води з галереї в аванкамеру.

Рис. 14.2. Схема по розрахунку галереї