Институт гидротехнического и энергетического строительства

Институт гидротехнического и энергетического строительства

Кафедра гидравлики и водных ресурсов

КУРСОВАЯ РАБОТА

"ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ"

Задание выдано:
"" ____________ 20_____г

Вариант №___

Выполнил студент:

__________________ (_________________________________),

факультет _______, курс ____, группа ____.

 

Сдано на просмотр:Работа защищена с оценкой:

"_____"_________20____г "_____"_________20____г

________________________ Преподаватель:

_____________________________

_____________________________

 

Москва 2014 год

СОДЕРЖАНИЕ:

Гидравлический расчет водосливной плотины 3-5 стр.

1.1.Исходные данные 3 стр.
1.2.Расчет напора на оголовке и отметки гребня водослива 3-5 стр.

1.3.Построение очертаний водосливной поверхности 5 стр.

2.Сопряжение бьефов за водосливом и расчет водобойных сооружений 6-18стр.
2.1.Сопряжение бьефов за водосливом 6-9 стр.

2.1.1. Исходные данные 6 стр.

2.1.2. Расчет сжатой глубины 6-7 стр.

2.1.3.Расчет нормальной глубины 7-8 стр.

2.1.4. Определение положения гидравлического прыжка и построение кривой свободно поверхности потока 8-9 стр.

2.2.Гидравлически расчет водобойных сооружений 10-18 стр.

2.2.1.Расчет водобойного колодца 10-12 стр.

2.2.2. Расчет водобойной стенки 12-16 стр.

2.2.3. Расчет комбинированного водобойного колодца 16-18 стр.

Расчет фильтрации под водосливной плотиной 19-21 стр.

3.1. Исходные данные 19 стр.

3.2. Построение гидрометрической сетки фильтрационного течения 19 стр.

3.3. Расчет скоростей фильтрационного потока на выходе в нижний бьеф 19-20 стр.

3.4. Расчет фильтрационного расхода под водосливной плотиной 20 стр.

3.5.Расчет силы давления фильтрационного потока на подошву

водослива 20-21 стр.

Гидравлический расчет быстротока 22-27 стр.

4.1. Исходные данные 22 стр.

4.2.Гидравлический расчет входного участка быстротока 22-23 стр.

4.3.Гидравлический расчет быстроточной части 23-26 стр.

4.4. Гидравлический расчет выходного участка быстротока 26-27 стр.

Гидравлически расчет судоходного шлюза 28-33 стр.

5.1. Исходные данные 28 стр.

5.2. Определение размеров клинкетного отверстия при наполнении верхней камеры шлюза 28-29 стр.

5.3.Определение размеров водопроводной галереи между верхней и нижней камерами шлюза 29-31 стр.

5.4.Определение размеров водопроводной галереи нижней

камерами шлюза 31 стр.

5.5.Построение гидравлических характеристик опорожнения нижней камеры шлюза 31-33 стр.

 

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ

Задачей расчета является определение отметки гребня и высоты водослива, вычисление координат водосливной поверхности, определение радиуса окружности, сопрягающей водосливную поверхность с водобойной плитой.

Исходные данные

Таблица 1.1

Исходные данные для гидравлического расчета водослива

№	Наименование заданного параметра	Обозначение, величина, описание
	Максимальны расчетный расход, м^3\с	Q max=3250
	Тип оголовка водослива	тип А
	Отметка нормального подпорного уровня, м	НПУ=35
	Отметка дна перед и ниже плотины, м	дна=0
	Количество водосбросных пролетов	N =10
	Ширина водосбросных пролетов, м	b =14
	Толщина промежуточных быков, м	a =2
	Ширина горизонтальной вставки на гребне водослива, м	С =1
	Форма промежуточных быков	Криволинейно заостренная
	Уклон дна русла	i =8*10^-4
	Шероховатость русла (по Н.Н. Павловскому)	n =0,025
	Плановое очертание примыкающего к плотине расчетного участка русла	прямолинейное
	Форма поперечного участка русла	прямоугольная
	Примыкание водосливной плотины к боковым стенкам	Вплотную, затворы боковых пролетов крепятся в пазах стенок

 

Построение очертаний водосливной поверхности

Координаты водосливной поверхности водослива получают умножением табличных значений координат Кригера - Офицерова, полученных для условного напора 1 м, на найденное выше значение геометрического напора, равное H = 5,02 м по формулам

(1.9)

Результаты расчетов сведены в табл. 1.2. Расчеты выполнены для безвакуумного водослива практического профиля типа А (строка 2 в табл. 1.1).

Таблица 1.2

Координаты водослива практического профиля типа А

при геометрическом напоре H = 5,02 м

По Кригеру-Офицерову	Проектный водослив	По Кригеру-Офицерову	Проектный водослив
x,м	у,м	X,м	Y,м	x,м	у,м	X,м	Y,м
	0,126	0,00	0,63	2,00	1,235	11,04	6,20
0,10	0,036	0,50	0,18	2,10	1,369	11,54	6,87
0,20	0,007	1,00	0,04	2,20	1,508	12,04	7,57
0,30		1,51	0,00	2,30	1,653	12,55	8,30
0,40	0,006	3,01	0,03	2,40	1,894	13,05	9,51
0,50	0,027	3,51	0,14	2,50	1,960	13,55	9,84
0,60	0,060	4,01	0,30	2,60	2,122	14,05	10,65
0,70	0,100	4,51	0,50	2,70	2,289	14,55	11,49
0,80	0,146	5,02	0,73	2,80	2,462	15,06	12,36
0,90	0,198	5,52	0,99	2,90	2,640	15,56	13,25
1,00	0,256	6,02	1,29	3,00	2,824	16,06	14,18
1,10	0,321	6,52	1,61	3,10	3,013	16,56	15,13
1,20	0,394	7,02	1,98	3,20	3,207	17,06	16,10
1,30	0,475	7,53	2,38	3,30	3,405	17,57	17,09
1,40	0,564	8,03	2,83	3,40	3,609	18,07	18,12
1,50	0,661	8,53	3,32	3,50	3,818	18,57	19,17
1,60	0,764	9,03	3,84	3,60	4,031	19,07	20,24
1,70	0,873	9,53	4,38	3,70	4,249	19,57	21,33
1,80	0,987	10,04	4,95	3,80	4,471	20,08	22,44
1,90	1,108	10,54	5,56	4,00	4,930	21,08	24,75

 

Сопряжение водосливной поверхности плотины с дном водобоя производится по дуге окружности радиуса R. Значение сопрягающего радиуса находим по формуле

СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ ЗА ВОДОСЛИВОМ

И РАСЧЕТ ВОДОБОЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Исходные данные

Таблица 2.1

Исходные данные для расчета сопряжения бьефов за водосливом

№	Наименование заданного или вычисленного выше параметра	Обозначение, величина, описание
	Максимальны расчетный расход, м^3\с	Q max=3250
	Полный напор на водосливе, м	H0 = 5,04
	Высота плотины, м	P = 29,98
	Ширина водосливного фронта, м
	Уклон дня русла	i =8*10^-4
	Шероховатость русла (по Н.Н. Павловскому)	n =0,025
	Плановое очертание примыкающего к плотине расчетного участка русла	прямолинейное
	Форма поперечного участка русла	прямоугольная

 

Расчет сжатой глубины

Глубину потока в сжатом сечении h_c вычисляем методом последовательных приближений (итераций) по формуле

где ϕ - коэффициент скорости, определяемы по формуле

- полный запас удельной энергии потока перед водосливной плотиной относительно дна водобоя

- критическая глубина

здесь коэффициент Кориолиса принят равным α = 1,05.

Отсюда согласно формуле (2.2) находим

В первом приближении в право части формулы (2.1) принимаем h_c = 0, тогда

 

Подставляя полученное значение в правую часть (2.1), определяем сжатую глубину во втором приближении

Вычисляем невязку между вторым и первым приближениями

Так как невязка составляет менее 3% принимаем сжатую глубину, равной h_c = h_c⁽²⁾= 0,821 м.

Расчет нормальной глубины

Глубину потока при равномерном течении h0 (нормальную глубину) определяем методом Бахметева, согласно которому имеют место следующие соотношения между расходными характеристиками и глубинами в русле

где X - гидравлически показатель русла; K₁ и K₂ - расходные характеристики, вычисляемые по формуле

при глубинах h₁ и h₂;здесь и далее индекс i принимает значения 1 или 2 соответственно при h₁ и h₂

Замечая, что площадь поперечного (живого) сечения потока ω_i, смоченный периметр χ_i, гидравлически радиус R_i и коэффициент Шези C_i определяются равенствами

и принимая h₁ = h_K = 3,56 м и h₂ = h₀ = 5,7 м, последовательно находим

Отсюда, следуя (2.5), гидравлически показатель русла будет равен

при этом нормальная глубина потока составит

Сопоставляя полученное уточненное значение нормально глубины с найденным ранее по приближенной прямо формуле (1.8), равным h₀ = 9,25 м, можно сделать следующие выводы:

- приближенная формула дает несколько заниженные значения нормально глубины,

- разность между приближенным и уточненным значениями составляет

т.е. 3%, что говорит о достаточно точности и применимости приближенной формулы (1.8) в инженерной практике, где допустимо считается погрешность до 5%.

Находим среднюю скорость потока воды в русле при нормально (бытовой) глубине и пропуске максимального расхода

Такая скорость течения в период половодий будет размывающей при связных и несвязных подстилающих грунтах, так как в этом случае V > V _доп.

Возможные мероприятия:

- искусственное крепление откосов и дня русла в зоне гидроузла,

- увеличение площади живого сечения потока за счет расчистки, расширения и углубления русла.

При скальных подстилающих породах расчетная скорость течения будет меньше допустимо (V < V _доп), при этом выполнение инженерных мероприятий по предотвращению размыва русла не потребуется.

 

Расчет водобойного колодца

 

Расчет водобойного колодца заключается в определении глубины d и длины l_кол.

Глубину водобойного колодца, то есть заглубление водобойной плиты относительно дна, нижнего бьефа, найдем из уравнения

где t _кол - глубина воды в колодце, м; h _б - бытовая глубина, равная нормальной ∆Z - перепад на выходе из водобойного колодца

здесь - коэффициент скорости, зависящий от формы выходной кромки колодца,

= 0,85-0,9.

Глубину воды в колодце после водослива определим по формуле

где - коэффициент затопления гидравлического прыжка, =(1,1-1,5); - раздельная глубина, вычисляемая по формуле

Поскольку сжатая глубина , входящая расчет и определяемая равенством (2.1), зависит от высоты падения потока в нижний бьеф

нарастающей с увеличением расчет глубины колодца ведем методом последовательных приближений.

В первом приближении согласно расчетам, выполненным выше, раздельную глубину принимаем, равной , при этом глубина воды в колодце с учетом коэффициента затопления составит

Отсюда

Во втором приближении находим

,

Вычисляем невязку в расчете сжатой глубины

Так как невязка более 3% повторяем расчет сжато глубины в следующей итерации

 

 

Поскольку невязка

принимаем

Далее находим

 

и

Так как невязка более 3% повторяем расчет глубины водобойного колодца на следующем шаге. Последовательно находим

,

Вычисляем невязку в расчете сжатой глубины

Поскольку невязка менее 3%, принимает

Далее находим

и

Поскольку невязка менее 3%, окончательно принимаем глубину колодца, равной

Длину гидравлического прыжка в водобойном колодце вычисляем по формулам Н.Н. Павловского

 

и М.Д. Чертоусова

Принимая в качестве расчетного максимальное значение ,длину водобойного колодца , отсчитываемую от сжатого сечения, определяем по формуле

 

Расчет водобойной стенки

Гидравлический расчет водобойной стенки заключается в определении ее высоты С и длины образованного стенкой колодца .

Глубина воды в колодце перед стенкой, необходимая для затопления гидравлического прыжка, равна

здесь - коэффициент затопления гидравлического прыжка, =1,1; - вычисленная при расчете сопряжения бьефов раздельная глубина, сопряженная с глубиной в сжатом сечении за водосливом

В гидравлическом отношении водобойная стенка представляет собой небольшой водослив статический напор на котором определяется по формуле

где - коэффициент расхода водобойной стенки, - коэффициент подтопления водобойной стенки; - коэффициент Кориолиса, ; - средняя скорость потока в колодце

В первом приближении принимаем , тогда статически напор на водобойной стенке будет равен

отсюда высота водобойной стенки составит

Можно видеть, что следовательно, исключается вероятность подтопления водобойной стенки.

Для определения режима сопряжения бьефов рассчитаем сжатую глубину после водобойной стенки В первом приближении примем

где - коэффициент скорости принят равным - полный запас удельной энергии перед стенкой, найденный по формуле

Второе приближение находим

Вычисляем невязку между первым и вторым приближениями

следовательно, требуется выполнить следующее приближение.

В результате третьего приближения получим

и

Таким образом, требуемая точность расчета соблюдена, окончательно принимаем

Определяем значение раздельно глубины после стенки

Сопоставляя раздельную глубину с бытовой, находим

Следовательно, гидравлически прыжок после стенки находится в отогнанном состоянии, что недопустимо, поэтому необходимо устройство второй водобойной стенки. Глубину потока перед второй водобойной стенкой определяем по формуле

Так как получается, что то водобойная стенка работает как подтопленный водослив и ее высоту необходимо уточнить.

Уточнение выполняется по следующей методике.

—Задаем 5 значений высоты стенки вычисляем глубину подтопления

—Расход с учетом коэффициента подтопления определяется по формуле

где - коэффициент расхода водобойной стенки,

Далее значение полного напора над гребнем стенки находим как сумму статического и скоростных напоров. Статический напор на стенке определяем как разность между глубиной перед стенкой и значением

Тогда

Значение коэффициента подтопления определяем в соответствии с графиком на рис. 8 (методичка №15 стр. 6).

—Расчет сводим в табл. 2.4 и троим график , с которого снимаем искомое значение высоты водобойной стенки при .

Таблица 2.4

Расчет расхода через водобойную стенку в условиях подтопления

6,52	1,00	4,57	4,753	0,210	0,98	3198,30
6,50	1,02	4,59	4,773	0,214	0,9796	3217,19
6,48	1,04	4,61	4,793	0,217	0,9793	3236,44
6,46	1,06	4,63	4,813	0,220	0,979	3255,72
6,44	1,08	4,65	4,833	0,223	0,9787	3275,03

 

График 2.1

График зависимости расхода с учетом подтопления от высоты водобойной стенки

Em vYjQq9QHWNLtD7ZJyEaxb2/Qi4LgcXaYb3bK6jFP4k6BR2cVFFkOgqxx7Wh7BZfmtNmD4Ii2xclZ UrAQQ6XXq/JME8YU4mH0LBLFsoIhRn+Qks1AM3LmPNnkdC7MGJMMvfRortiT3Ob5ToZPBugvpqhb BaFuCxDN4lPzf7brutHQ0ZnbTDb+qJBmwBATEENPUcFL8vtaZOlTkLqUX8v0EwAA//8DAFBLAQIt ABQABgAIAAAAIQB03DVwMAEAAOUCAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10u eG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAAYQEAAF9yZWxzLy5y ZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAKL31ra+AgAAMw0AABkAAAAAAAAAAAAAAAAAYAIAAGRycy9kcmF3 aW5ncy9kcmF3aW5nMS54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEA81hLQwsBAAA2AgAADgAAAAAAAAAAAAAA AABVBQAAZHJzL2Uyb0RvYy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOe5mzhcBAADzAQAAIAAAAAAAAAAA AAAAAACMBgAAZHJzL2NoYXJ0cy9fcmVscy9jaGFydDEueG1sLnJlbHNQSwECLQAUAAYACAAAACEA tjTB794AAAAFAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAADhBwAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhAGjjAUwQBQAARQ4AABUAAAAAAAAAAAAAAAAA7AgAAGRycy9jaGFydHMvY2hhcnQxLnhtbFBL AQItABQABgAIAAAAIQCrFs1GuQAAACIBAAAZAAAAAAAAAAAAAAAAAC8OAABkcnMvX3JlbHMvZTJv RG9jLnhtbC5yZWxzUEsFBgAAAAAIAAgAEgIAAB8PAAAAAA== ">

Согласно выполненным расчетам при высоты водобойной стенки составит

Длину гидравлического прыжка в водобойном колодце вычисляем по формулам Н.Н. Павловского

 

и М.Д. Чертоусова

Принимая в качестве расчетного максимальное значение ,длину водобойного колодца , отсчитываемую от сжатого сечения, определяем по формуле

Расчет второй водобойной стенки

В первом приближении принимаем , тогда статически напор на водобойной стенке будет равен

отсюда высота водобойной стенки составит

Можно видеть, что следовательно, не исключается вероятность подтопления водобойной стенки.

Для определения режима сопряжения бьефов рассчитаем сжатую глубину после водобойной стенки В первом приближении примем

где - коэффициент скорости принят равным - полный запас удельной энергии перед стенкой, найденный по формуле

Второе приближение находим

Вычисляем невязку между первым и вторым приближениями

следовательно, требуется выполнить следующее приближение.

В результате третьего приближения получим

и

Таким образом, требуемая точность расчета соблюдена, окончательно принимаем

Определяем значение раздельно глубины после стенки

Сопоставляя раздельную глубину с бытовой, находим

Следовательно, стенка работает как подтопленный водослив, высоту которого необходимо уточнить с учетом подтопления, равного

при этом установка дополнительно водобойной стенки не требуется.

Уточнение высоты второй водобойной стенки осуществляется по методике, которая была применена для уточнения высоты первой водобойной стенки, с применением формул 2.24,2.25, 2.26. Для вычисления глубины подтопления используем следующую формулу

Таблица 2.5

Расчет расхода через вторую водобойную стенку в условиях подтопления

3,10	2,76	4,42	4,819	0,573	0,916	3050,42
3,04	2,82	4,48	4,879	0,578	0,914	3102,14
2,98	2,88	4,54	4,939	0,583	0,912	3154,01
2,92	2,94	4,60	4,999	0,588	0,911	3206,03
2,86	3,00	4,66	5,059	0,593	0,909	3258,19

 

График 2.2

График зависимости расхода с учетом подтопления от высоты второй водобойной стенки

Согласно выполненным расчетам при высоты водобойной стенки составит

Длину гидравлического прыжка в водобойном колодце, ограниченном водобойной стенкой вычисляем по формулам Н.Н. Павловского

 

и М.Д. Чертоусова

Принимая в качестве расчетного максимальное значение ,длину водобойного колодца , отсчитываемую от сжатого сечения, определяем по формуле

Исходные данные

Таблица 3.1

Исходные данные для расчета фильтрации под водосливом

 

№	Наименование заданного параметра	Обозначение, величина, описание
	Отметка нормального подпорного уровня, м	НПУ=35
	Отметка дна перед и ниже плотины, м	дна=0
	Расчетный расход, м^3/с	250
	Ширина водосливного плотины, м
	Уклон дня русла	i =8*10^-4
	Шероховатость русла (по Н.Н. Павловскому)	n =0,025
	Плановое очертание примыкающего к плотине расчетного участка русла	прямолинейное
	Форма поперечного сечения русла	прямоугольная
	Коэффициент фильтрации грунтов, см/с
	Толщина проницаемого слоя, м
	Длина понура, м
	Глубина забивки шпунта, м

 

Фильтрационного течения

Гидрометрическая сетка течения при заданных условиях (табл. 3.1) показана на чертеже. В результате ее построения область фильтрации разбита на 6 поясов равного удельного расхода и двенадцать полос , разделенных эвипотенциалями .

Вычислим бытовую глубину в нижнем бьефе при расходе

Таким образом, при девствующем напоре, равно

гидравлические потери между соседними эквипотенциалями составят

На выходе в нижний бьеф

 

Поскольку фильтрация в грунтовом основании водосливной плотины имеет ламинарный характер, то скорость фильтрационного потока в произвольной точке определяется по формуле

где расстояние между двумя соседними линиями равного потенциала, м.

Для построения эпюры скоростей на выходе фильтрационного потока в нижний бьеф рассмотрим последнюю 1-ю полосу, находящуюся между эквипотенциалью и дренажем на рисберме. Замеряя по построенной гидродинамической сетке расстояния от до дренажа и пересчитывая в соответствии с масштабом снятые с чертежа значения на натуру, получим: Отсюда находим значения скоростей для построения эпюры

При построении эпюры скоростей начало координат совмещено с началом дренированной рисбермы.

 

Под водосливной плотиной

 

Находим удельный расход под плотиной на один погонный метр ее длины

тогда полный фильтрационный расход составит

.

 

Потока на подошву водослива

Для определения силы давления фильтрационного потока на подошву водослива построим линию пьезометрического давления на водонепроницаемый контур сооружения (понур, водослив, водобойный колодец). Для этого в точках пересечения лини равного напора с подземным контуром сооружения проведем вертикальные линии, отложив на этих вертикалях вверх от оси X значения

соответствующие значениям каждой линии равного напора (здесь глубина в верхнем бьефе, ). Соединив концы этих отрезков линиями, получим распределение гидростатических напоров(пьезометрическую линию)по подошве сооружения.

При этом давление в каждой точке подземного контура будет равно

где расстояние (по вертикали) от подошвы сооружения до пьезометрической линии, на уровне дна реки.

Расчеты сведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

			343,4
	32,19	-3	345,2
	29,37	-4,5	332,3
	26,56	-7,5	334,1
	23,74	-9	321,2
	20,93	-9	293,6
	18,11	-9	265,9
	15,30	-9	238,3
	12,48	-9	210,7
	9,67	-8	173,3
	6,85	-6	126,1
	4,04	-8	118,1
			12,0

 

 

Эпюра давления фильтрационного потока ограничена сверху пьезометрической линией, а снизу- подземным контуром сооружения. При этом сила давления фильтрационного потока на 1 погонный метр ширины водослива (по нормали к плоскости чертежа) равна

где площадь эпюры пьезометрического давления на подошву водослива в натурных размерах, .

Тогда сила противодавления, действующая на весь водослив, составит

где длина участка подземного контура водосливной плотины, на котором действует давление, равное .

Линия действия взвешивающей силы проходит через центр тяжести Ц эпюры действующего на подошву водослива пьезометрического давления. Положение центра давления Ц (координата ) определяется по правилам нахождения центра тяжести плоской фигуры из уравнения моментов.

В результате расчетов получено:

Исходные данные

Таблица 4.1

Исходные данные для гидравлического расчета быстротока