Проектирование и расчет водосброса

Размеры водосбросного шлюза, водобойной части определяем из условия пропуска максимального расчетного сбросного расхода Q=27 м³/с через водослив с широким порогом. Расчетная схема гидравлического расчета, рисунок 26.

Ширину одного отверстия сбросного шлюза определяем по формуле

где: e - коэффициент бокового сжатия, в первом приближении принимаем e=0,88, j- коэффициент скорости, принимаем для раструба равным 0,93; - глубина воды в отводящем канале, =1,5м; n – число пролетов, принимается не мене двух, n=2; – глубина воды в верхнем бьефе водосброса, =1,8м. В соответствии с требованиями (таблица 20), принимаем два стандартных водопропускных прямогольных отверстий по 4,5м каждое.

Определим фактическое значение коэффициента бокового сжатия

где – число боковых сжатий, для двухпролетного шлюза =4, x - коэффициент, учитывающий форму входа, при сопряжении подводящего канала со шлюзом по форме раструба x=0,82. Полученное значение не сильно отличается от ранее назначенного, разница составляет менее 5%, то окончательно принимаем два пролета стандартной ширины по 4,5м каждый, которые разделяются быком толщиной 1,0м.

Размеры водобойной части водосбросного сооружения определяем на основе расчета сопряжения бьефов. Длина водобоя должна обеспечивать гашение кинетической энергии потока и размещение мостовых строений. При расчете сопряжения бьефов необходимо установить самый неблагоприятный режим работы водосброса, когда в нижнем бьефе формируется отогнанный гидравлический прыжок, когда - имеет наибольшее значение. Опыт эксплуатации показывает, наиболее тяжелыми условиями работы сооружения следует считать пропуск расхода через один пролет при частично открытом затворе и наибольшем уровне воды в нижнем бьефе.

Вторая сжатая глубина определяется по формуле:

м.

Глубину в сжатом сечении определим по формуле:

м.

Величину удельного расхода определим по формуле:

где: a - коэффициент вертикального сжатия, принимается по специальным таблицам, - коэффициент, =1,1; - высота поднятия плоского затвора, Н_о – напор на пороге сооружения с учетом скорости подхода

м.

Бытовую глубину определяем из графика связи рисунок 18.

Таблица 9. Расчет сопряжения водосброса и отводящего канала.

	a	hщ	hс	q	h’’	QНБ	hб	-
0,1	0,615	0,19	0,12	0,65	0,83	2,93	0,4	0,43
0,3	0,625	0,56	0,35	1,77	1,25	7,97	0,68	0,57
0,4	0,63	0,74	0,47	2,27	1,35	10,22	0,82	0,53
0,5	0,645	0,93	0,60	2,76	1,41	12,42	0,91	0,50
0,6	0,66	1,11	0,73	3,18	1,43	14,31	1,04	0,39
0,7	0,69	1,30	0,90	3,61	1,41	16,3	1,1	0,31

Расход одного пролета определятся из условия . Наиболее неблагоприятные условия складываются при поднятии затвора на 0,56м, когда в нижнем бьефе при пропуске воды одним пролетом формируется глубина =0,68м, а сопряженная глубина =1,25м. Этот случай является расчетным при назначении размеров водобойного колодца. Глубина водобойного колодца определится из условия м.

Длин водобойного колодца

м.

Длина отлета струи

м.

Длина гидравлического прыжка:

м.

Округляем значения до десятых, окончательно принимаем длину водобойного колодца 8,5м.

Статический расчет водосброса

На водосбросное сооружение действуют статические и динамические нагрузки, как показывает опыт их проектирования и эксплуатации потеря устойчивости шлюз регулятора может произойти от действия взвешивающих и фильтрационных сил. В общем случае устойчивость водобойной плиты на всплытие определяется коэффициентом устойчивости

где: SG – сумма вертикально действующих сил, направление действия которых совпадает с направлением действия силы тяжести, SР – сумма вертикально действующих сил, направление действия которых противоположно действию силы тяжести.

где: G₁ – собственный вес водобойной плиты; G₂ – вес моста, строений и механического оборудования; G₃ – вес затвора; G₄ – вес пригрузки от воды водобоя со стороны нижнего бьефа. Расчет устойчивости на всплытие проводим на 1м ширины шлюза. Площадь водобойной плиты в продольном разрезе 27, .

Объем плиты . Тогда

кН.

где: – объемная масса бетона.

кН.

где: - полный вес плоского затвора; – площадь перекрываемого отверстия, ; – глубина воды в подводящем канале 1,8м.

кН.

где: – объем воды на водобойной плите со стороны нижнего бьефа.

Величина давления на водобойную часть сооружения определяется эпюрой противодавления. Координаты эпюры определяем методом коэффициентов сопротивлений. Глубина расположения расчетного водоупора принимается по таблице 10, в зависимости от отношения величины проекции водонепроницаемой части флютбета на горизонтальную ось к проекции его на вертикальную ось, .

Таблица 10. Глубина активной зоны фильтрации

	≥5	4,9…3,4	3,3…1,0	0,9…0
	0,5 •	2,5•	0,8 +0,5•	+0,3•

При имеем

Флютбет разбивается на отдельные характерные участки (фрагменты): вход – 0-1; горизонтальный участок, определяемый длиной понура 1-2; уступ 2-3; горизонтальный участок, определяемый длиной водобоя 3-4 участок выхода 4-5. Для каждого фрагмента определяем значение коэффициента сопротивления.

Флютбет разбивается на отдельные характерные участки (фрагменты): вход – 0-1; горизонтальный участок, определяемый длиной понура 1-2; уступ 2-3; горизонтальный участок, определяемый длиной водобоя 3-4 участок выхода 4-5. Для каждого фрагмента определяем значение коэффициента сопротивления.

Коэффициент сопротивления на входе (участок 0-1)

Коэффициент сопротивления (участок 1-2)

Коэффициент сопротивления (участок 2-3):

Рисунок 27. Схема для статического расчета

Коэффициент сопротивления (участок 3-4):

Коэффициент сопротивления на выходе:

Определим потери напора на каждом участке:

м.

м.

м.

м.

м.

где: - сумма коэффициентов сопротивлений по линии подземного контура, =0,66+2,61+0,85+12,65+0,83=17,66; - геометрический напор на сооружение .

На развернутой длине подземного контура флютбета 0-1-2-3-4-5 отмечаем величину напора в каждой характерной точке. Величина фильтрационного и взвешивающего давления на водобойную плиту определится площадью эпюры, рисунок 28.

Рисунок 28. Эпюры противодавления: а) метод коэффициентов сопротивления; б) метод линейно контурной фильтрации

кН.

где: – площадь эпюры противодавления в пределах водобойной плиты.

Эпюра противодавления может быть построена также методом линейной контурной фильтрации (ЛКФ). В методе ЛКФ предполагается, что падение напора происходит по всей длине подземного контура равномерно, а величина напоров в характерных точках определяется построением линии пьезометрических напоров потока грунтовых вод. Тогда

кН.

Из двух величин в расчет принимается наибольшее значение

Так как коэффициент устойчивости больше нормативного то потери устойчивости водосбросного сооружения на всплытие не произойдет.