Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро icon

Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро



НазваниеЛекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро
Дата17.10.2016
Размер
ТипЛекция

36 Лекция 1. 1. Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов.

При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро

ускные сооружения предназначены для следующих целей:

1. для пропуска наибольших паводков (половодных и дождевых) и других неиспользуемых расходов воды в период наполненного водохранилища при расчетных уровнях воды; полезных попусков воды из водохранилища; пропуска льда и шуги из верхнего бьефа в нижний (если это необходимо), а также плавающих тел - такие сооружения называются в о д о с б р о с а м и;

  1. для полного или частичного опорожнения водохранилища в заданный срок для осмотра и ремонта сооружений, находящихся в верхнем бьефе; частичного промыва наносов из водохранилища; полезных попусков воды - такие сооружения называются в о д о с п у с к а м и или в о д о в ы п у с к а м и

В дальнейшем основное внимание будет уделено водосбросам высоконапорных гидроузлов, главным образом, с грунтовыми плотинами.

Вид, состав и компоновка водопропускных сооружений в гидроузле зависят от расчетного расхода, перепада уровней бьефов, назначения и типа гидроузла, топографических и геологических условий створа и эксплуатационных требований.

1.1. Классификация водосбросов.

Водосбросные сооружения, или водосбросы целесообразно разделить:

- по расположению в гидроузле на п л о т и н н ы е и б е р е г о в ы е;

- по гидравлическим признакам на б е з н а п о р н ы е и н а п о р н ы е;

- по конструкции на о т к р ы т ы е и з а к р ы т ы е (замкнутого поперечного сечения).

П л о т и н н ы е водосбросы могут быть поверхностными и глубинными. В большинстве случаев поверхностные водосбросы высоко- напорных бетонных плотин выполняются в виде водосливов (рис.1.1,а). Их достоинство заключается в том, что тело плотины не ослабляется отверстиями, затворы отсутствуют или находятся в легких условиях, возможен сброс из водохранилища плавающих тел.

Глубинные водосбросы (а также водовыпуски и водоспуски) в теле бетонных плотин представляют собой водоводы замкнутого круглого или прямоугольного поперечного сечения (рис.1.1,б,в).

Рис. 1.1. Основные типы водосбросов в теле высоких бетонных плотин.


Поток в глубинных водосбросах напорный по всей длине или на некоторой части со стороны верхнего бьефа. Глубинные водосбросы применяются в тех случаях, когда необходима глубокая сработка водохранилища (например, при опорожнении водохранилища), а также для пропуска строительных расходов в процессе наполнения водохранилища при возведении плотины.

Б е р е г о в ы е водосбросы применяются на гидроузлах с грунтовыми плотинами, а также на гидроузлах с бетонными плотинами в узких створах. Выполняются они в виде быстротоков или туннельных водосбросов - безнапорных или напорных. Вариант компоновки гидроузла с береговым водосбросом отличается разнообразием типов водосбросов.

Головная часть такого водосброса представляет собой водослив, предшествуемый коротким подводящим каналом (подходной выемкой). Водослив может быть с широким порогом и практического профиля, прямым и кривым в плане, располагаться нормально берегу, по оси плотины (с нормальным отводом воды) ( рис. 1.2,а ), и вдоль берега, если он крутой (с боко­вым отводом воды, траншейный) (рис. 1.2,б); может быть кольцевым (шахтный) ( рис. 1.2,в ), с неполной кольцевой воронкой и наклонной штольней (рис.1.2,г) - все зависит от способа отвода воды в нижний бьеф.

в) г)

Рис. 1.2. Головная часть береговых водосбросов приплотинных гидроузлов.

а – нормальный водослив:1 – ось плотины; 2 - мост; 3 – шпунт; 4 – понур; б – боковой

( траншейный) водослив; в – кольцевой водослив; г - с наклонной штольней.

Отводящая часть водосброса может быть в виде быстротока, трассируемого по береговому склону и заканчиваемого трамплином или га­сителем другого типа ( рис. 1.3,а ). Может быть в виде наклонной шахты, переходя­щей в отводящий туннель ( рис. 1.3,б ). При этом в качестве отводя щей части, как указывалось, может быть использован низовой участок строительного туннеля. Может быть, также в виде вертикальной шахты, переходящей в туннель ( рис. 1.3,в ). Этому варианту соответствует кольцевой водослив, под­ходная выемка к нему должна обеспечивать подвод воды по всему пе­риметру.

а)

б) в)


Рис. 1.3. Отводящая часть береговых водосбросов.

а - нормальный водосброс с быстротоком: I - подходной канал ( расчистка ); II - водослив; III - отводящий канал; IV - быстроток с концевым устройством; б – водосброс с наклонной штольней; в – шахтный водосброс с вертикальной шахтой и отводящим туннелем.

Выбор типа водосброса решает технико-экономическое сопос­тавление, результат зависит от природных условий и расчетного рас­хода водосброса.

1.2. Расчетные расходы.

Согласно СНиП 2.06.01-86 водосбросные сооружения гидроузла должны быть рассчитаны на пропуск двух расчетных максимальных расходов - основного и поверочного. Вероятность превышения этих расходов ( в % ) принимают в зависимости от класса основных сооружений гидроузла (табл.1): Таблица 1

Пропуск расчетного расхода для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа через:

- эксплуатационные водосбросные устройства при полном их открытии;

- все гидротурбины ГЭС;

- другие водопропускные сооружения при нормальном режиме их эксплуатации.

Пропуск расчетного расхода для поверочного расчетного случая надлежит обеспечивать при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные водосбросы, все турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооружения и резервные водосбросы.

Прохождение поверочного расхода относят к особым воздействиям. Поэтому при его пропуске в расчеты прочности и устойчивости сооружений вводится коэффициент сочетания нагрузок γfc=0,9.


Лекция 2.

2. Приближенный технико – экономический расчет строительного

водосброса.

Строительными водосбросами называют временные сооружения для пропуска расходов реки в период строительства гидроузла, до наполнения водохранилища и ввода в эксплуатацию постоянных водосбросных сооружений.

Для временных сооружений максимальные расчетные расходы необходимо принимать по основному расчетному случаю при ежегодной вероятности превышения, равной 5% .

Отвод расходов реки в строительный период осуществляется:

- строительными туннелями с частичным использованием их как водосбросных сооружений в эксплуатационный период ( Нурекский гидроузел, Чарвакский гидроузел );

- донными галереями и деривационными водоводами ( Мингечаурская ГЭС );

- открытым каналом , выполняющим иногда функции подвода воды к зданию ГЭС ( Вилюйская ГЭС ).

Сооружения гидроузла могут возводиться в одну или несколько очередей. Водохранилищные гидроузлы в горных условиях, как в нашем курсовом проекте, сооружаются обычно в одну очередь. При одноочередном строительстве работы начинаются с создания искусственного русла для отвода реки. Затем естественное русло перекрывается банкетом, возводятся перемычки и после осушения русла начинаются работы в котловане. Искусственное русло – береговой строительный водосброс может быть осуществлено в виде туннеля, трубы или канала на берегу.

Если плотина возводится из грунтовых материалов, то в канале сооружаются трубы (рис.2.1), длина которых соответствует ширине основания плотины. По окончании строительства трубы закрываются затворами и закладываются бетоном. Иногда эти строительные трубы бывает целесообразно использовать в качестве постоянного сооружения - как отводящие водоводы эксплуатационного водосброса, как трубопроводы, подводящие воду к турбинам гидростанции, и т.п. В этом случае трубы должны быть сопряжены с соответствующим головным сооружением башенного типа.

Рис.2.1. Строительный водосброс в грунтовой плотине – труба.


При невозможности разместить строительный канал или трубу на берегу отвод реки осуществляется туннелем, который, естественно, начинается и заканчивается каналами, сопрягающими его с руслом реки выше и ниже перемычек гидроузла.

Поскольку работы по гидроузлу начинаются со строительного водосброса, туннель, как и водосбросы других типов, предпочтительно располагать на том берегу, с которого легче начать освоение строительной площадки. При проектировании строительных водосбросов, как временных сооружений с коротким сроком службы, естественно стремление сделать размеры их отверстий возможно меньше, чтобы сооружение стоило дешевле. Однако это стремление сопряжено с необходимостью создания больших скоростей в отверстиях для пропуска расчетного для строительного периода максимального расхода, и следовательно, требует концентрации достаточно большого напора путем возведения высокой верховой перемычки, которая, в свою очередь, оказывается дорогостоящей. Оптимальным является решение, при котором суммарная стоимость строительного водосброса и верховой перемычки оказывается минимальной.

В настоящем курсовом проекте в качестве строительного водосброса принимается безнапорный туннель. Форма поперечного сечения строительного туннеля наиболее целесообразна корытообразная, поскольку упрощается производство работ по туннелю ( рис. 2.2 ).

Рис. 2.2. Целесообразные формы сечения безнапорных строительных туннелей.

Н/В = 1,0 - 1,5; r1/B = 0,5… 0,71; r2/B = 0,1 - 0,15.

Характерные конструкции монолитных бетонных обделок безнапорных туннелей показаны на рис. 2.3.


Рис.2.3. Примеры монолитных бетонных обделок.

а - туннелей больших сечений; б - туннелей малых сечений; 1 - свод; 2 - стены; 3 - лоток; 4 - строительные швы.

Для выполнения технико-экономического расчета строительного туннеля предварительно задаются следующими исходными данными:

- на плане в горизонталях намечают проектируемую грунтовую плотину, перемычки (верховую и низовую), ось туннеля и продолжение его порталов и определяют длину L туннеля ( рис.2.4 ).

Рис. 2.4. Схема пропуска строительных расходов с помощью туннеля.

1 - плотина; 2, 3 - верховая и низовая перемычки; 4 - ось туннеля;

5, 6 - входной и выходной порталы туннеля.

- назначают расчетные расходы : максимальный строительный Qmax и строительный при перекрытии русла Qmin.

- считают, что для створа реки, отвечающего низовому порталу, кривая связи УНБ = f(Q) задана ( рис.2.5 ).

Рис.2.5. Кривая связи расходов и уровней воды.


- пользуясь этой кривой, по расходу Qmax устанавливают соответствующую отметку УНБ, если она отсутствует в задании на проектирование;

- на плане выбирают местоположение верховой перемычки и строят разрез по ее оси ( рис. 2.6 );

Рис. 2.6. Поперечный разрез русла реки по оси верховой перемычки.


- строят поперечный профиль верховой перемычки, не включаемой в тело плотины ( рис.2.7 ), при этом расстояние L0 должно быть достаточным, чтобы между перемычкой и плотиной разместился откос котлована плотины и проезжая дорога.


Рис.2.7. Поперечный профиль верховой перемычки.

1 - ось плотины; 2 - ось перемычки; 3 - ось банкета.


- принимают, что при пропуске Qmax в туннеле имеет место равномерное безнапорное движение воды с глубиной наполнения

h0 = 0,7…0,75 h.

Размеры строительного туннеля определяют исходя из максимального расхода в период строительства Qmax и экономически целесообразного соотношения сечения туннеля и высоты верховой перемычки. Чем больше высота туннеля h, тем меньше скорость  в туннеле, а следовательно, тем меньше уклон i и перепад zвх свободной поверхности при входе воды в туннель. При этом отметка уровня воды в верхнем бьефе понижается. Следовательно, понижается отметка гребня верховой перемычки и, значит, понижается и ее стоимость. В то же время с увеличением высоты h стоимость туннеля увеличивается.

Алгоритм расчета выглядит следующим образом:

- для различных значений высоты h сечения туннеля определяют геометрические и гидравлические характеристики туннеля и высоты HП верховой перемычки и подпора воды перед нею УВБ;

- вычисляют суммарные затраты на возведение туннеля и перемычки по каждому варианту;

- по минимуму суммарной стоимости находят экономически целесообразные высоту перемычки и габариты туннеля.


На рис. 2.8 показана расчетная схема туннеля.

Рис.2.8. Расчетная схема строительного туннеля.

Задача расчета, как уже было сказано выше, состоит в том, что необходимо найти такой размер туннеля, при котором сумма стоимостей туннеля и верховой перемычки будет минимальной.

Эту задачу обычно решают путем вычисления соответствующих значений в табличной форме ( табл. 2 ) и построения на основе результатов этих вычислений ряда кривых.

В этой таблице задаются рядом значений h и вычисляют соответствующие гидравлические и геометрические параметры туннеля и верховой перемычки.

Таблица 2



Определяемые величины

ед.изм.

Высота туннеля h, м

Примечания
















1

Глубина наполнения h0=khh

м
















kh=0,70…0,75

2
^

Ширина туннеля b=kbh


м
















kb=0,70…0,75

3

Живое сечение =b h0

м2



















4

Смоченный периметр =2h0+b

м



















5

Гидравлический радиус R=/

м



















6

Коэф.Шези C=R1/6/n



















n=0,015

7

Скоростьv=Qmax/

м/с
















Qmax=……м3/c

8

Входной перепад Zвх=v2/2g2

м
















=0,90

9
^

Уклон i = v2/C2R























10

Потеря напора по длине hl=iL

м
















L=……..м

11

Разность уровней Z=Zвх+hl

м



















12

УВБ =УНБ + Z

м
















УНБ=……

13

УВ1 =УНБ + hl

м



















14

Пр = УВ1 – h0






















15

В = Пр + h






















14

ПР1= УНБ – h0

м



















15

С = ПР1 + h

м



















16

Отметка гребня верх. перем.

Гр = УВБ +1,0


м



















17

Высота верховой перемычки

Hп=Гр.пер - Dпер


м

















Dпер=…….м

18

Площадь сечения верх. перем.
Fп=0,5[(m1+m2)Hп+2bп ]Hп


м2

















m1,m2 =2,5…3,0

19

Длина перемычки по гребню lп

м

















По чертежу

20
^

Объем перемычкиVп=2/3 Fп lп


т.м3



















21
^

Сечение туннелей Fт=b∙h nт


м2
















lт= …..м

22
^

Объем туннелей Vт = Fтlт


т.м3



















23

Объем перемычки в приведенном

бетоне Vп = 0,1 Vп


т.м3



















24

Объем туннелей в приведенном.

бетоне Vт = 2,5 VТ


т.м3



















25

V= Vi = V’п +V’т

т.м3





















По данным таблицы строятся ( рис. 2.9,а ) кривые cтоимостей перемычки V= f1 ( h ), туннеля V= f2 ( h ) и суммарной стоимости V= V= f3 ( h ), а также ( рис. 29,б ) кривые УВБ = f4( h), УВ1 = f5( h), Пр = f6( h), В= f7( h).

Минимум кривой (см. точку А) дает нам искомое h. Найденное, таким образом значение h следует округлить до целого.

Установив таким образом экономически наивыгоднейшее значение h, далее по кривым на рис. 29,б находят соответствующие этому значению h отметку уровня верхнего бьефа УВБ, отметку уровня воды на входе в туннель УВ1, входного порога Пр, отметку верха туннеля (шелыга ) на входе В.


Рис. 2.9. Результаты расчетов в соответствии с табл. 1.

Полученную высоту hэк необходимо дополнительно проверить, учитывая следующие соображения.

Довольно часто грунтовую верховую перемычку (рис. 2.7) возводят следующим образом. Реку перекрывают банкетом путем наброски камня в текущую воду. После создания такого банкета по его верховому откосу отсыпают обратный фильтр, а затем начинают отсыпку самого тела земляной перемычки. При этом ставят условие, чтобы в момент полного перекрытия реки банкетом перепад на нем Z' не превышал 2,0…3,0м. При несоблюдении такого условия перекрытие русла банкетом осуществить трудно. В связи с этим возникает необходимость найти перепад Z' на банкете, который получается при пропуске по туннелю меженного расхода (расхода перекрытия) Qmin.

Эту задачу решают следующим образом:

Предполагают, что входной портал строительного туннеля имеет прямоугольную форму шириной b = kbh и при пропуске Qmin работает как неподтопленный водослив с широким порогом.

  1. Определяют напор Н на входном пороге в момент замыкания банкета по обычной водосливной формуле

H = (Qmin / m kbh )2/3, (1)

где коэффициент расхода m = 0,35

  1. Для H определяем отметку



  1. По кривой связи ( рис.5 ), зная расход Qmin, определяют в створе низового портала, при этом считают, что в нижнем бьефе верховой перемычки при пропуске Qmin устанавливается уровень воды на отметке .

  2. Вычисляют искомое значение Z':

5. Если Z' окажется больше 3м, то приходится отказываться от найденной высоты туннеля , и принимая Z' = 23м, поступают следующим образом:

а)_Находят максимально допустимую отметку уровня верхнего бьефа при пропуске Qmin:

б) Определяют отметку порога при пропуске Qmin:

или (Qmin / m kbh )2/3 .

в) Задаваясь различными значениями h, можем вычислить по этой зависимости соответствующие им .

г) Далее наносят на рис.2.9 кривую Пр = f8 ( h ), которая пересечется с кривойПр = f8 ( h ) в точке С. При отмеченных выше предположениях параметры туннеля должны быть выбраны отвечающими вертикали, проведенной через точку С.


Лекция 3.

3. Проектирование входного портала безнапорного строительного туннеля ( по Е.Д.Кадомскому ).


3.1. Схемы входного портала.

Е.Д.Кадомский предложил три схемы входного портала, рассматриваемые ниже.

Рис. 3.1. Возможные схемы входного портала

строительного туннеля

1-ую схему ( рис. 3.1,а ) следует принимать в случае, когда уклон движения воды в туннеле i меньше критического iк, или Zвх < 0,5 h0.

В данном случае подходная часть портала ( длиной l0 ≈ 2 h ) работает как водослив с широким порогом с одним перепадом Zвх.

^ 2-ую схему портала ( рис. 3.1,б ) применяют, когда уклон туннеля несколько больше критического, или Zвх 0,5 h0. В этом случае в сечении 1-1 устраивают повышенный порог, с таким расчетом, чтобы в сечении 2-2 установилась сжатая глубина hс, равная h0. Высоту порога d0 определяют по зависимости:

d0 = Zвх + h0 - 1,5 hк.

3-ю схему портала ( рис. 3.1,в ) применяют в случае очень большого уклона туннеля, или когда Zвх > 0,5 h0. В этом случае высота порога получается очень большой ( если применять 2-ую схему ), поэтому здесь рационально ( с экономической точки зрения ) перейти к устройству к так называемой забральной балке. При этом получается напорное истечение из отверстия в безнапорный туннель. Такого рода схему целесообразно применять, когда Zвх = 1… 1,5 hк. Высота отверстия e под забралом может быть вычислена как e = h0, где 0,6 - коэффициент вертикального сжатия струи. На рис.3.2 показаны примеры выполнения входного (а) и выходного (б ) порталов строительного туннеля по первому типу. .

Рис.3.2.


3.2. Последовательность построения плана и разреза по оси входного портала.

Исходные данные: Выбрана трасса туннеля, выполнен гидравлический расчет и определены геометрические характеристики сечения туннеля.

Построение выполняем для входного портала, выполняемого по первой схеме ( рис. 3.1,а ) в условиях скального массива без учета делювиального слоя грунта.

  1. Проводим на плане ось туннеля ( рис.3.3).

  2. Согласно масштабу переносим горизонтали с планшета на чертеж.



Рис. 3.3. План входного портала.


3. Строим профиль поверхности земли вдоль трассы, используя отметки горизонталей в точках их пересечения с осью туннеля (рис.3.4).

Рис. 3.4. Продольный разрез по оси входного портала.

4. Выбираем за точку отсчета высот отметку порога, полученную из гидравлического расчета.

5. Находим превышения горизонталей над отметкой порога и откладываем эти величины на соответствующих вертикалях от отметки порога вверх.

6. Откладываем вверх от отметки порога высоту туннеля Н = h, проводим линию, параллельно дну туннеля на высоте Н над отметкой порога. Это линия – верх туннеля.

7. От верха туннеля на высоте 1,5… 2Н проводим линию, параллельно туннелю до пересечения с естественной поверхностью земли.

8. Из точки пересечения, обозначенной точкой А, строим профиль откоса с уклоном 5:1.

9.Откладываем толщины бетонной обделки туннеля (ориентировочно равные 0,1Н).

10.Откладываем отметку верха портала, равную отметке гребня перемычки (берём из гидравлического расчета).

11.Проводим линию ВС. ( Примерно на расстоянии 0,1 D от границы скального массива ).

12.Массив бетона в области DE примыкает к пазу затвора. Линия DE проходит на расстоянии 0,2 – 0,3м от ВС, чтобы избежать зацепления за бетон боковых и верхних уплотнений при опускании затвора и обеспечить плотное примыкание его в опущенном положении.

13.Проводим линии паза затвора. Затвор плоский, многоригельный. Ширина паза примерно 0,1D .

14.Под порогом в месте опирания затвора делаем утолщение в бетонной обделке.

15.От паза затвора откладываем примерно 1,5 – 2Н в сторону верхнего бьефа. На этом расстоянии бетонируется дно и боковые подпорные стены.

16.Откладываем уровень воды, соответствующий глубине в туннеле и уровень верхнего бьефа при пропуске расхода на входе перед подпорными стенами. Соединяем два уровня плавной кривой спада (в случае отсутствия забральной балки).

17. Выделяем жирной линией то, что относится к сечению по оси туннеля. Боковые откосы строятся после построения плана входного портала.

18. Построение плана начинаем с изображения дна котлована: откладываем от оси туннеля влево и вправо расстояния 0,5 D и толщины подпорных стен в основании 0,1 Н и параллельные линии FF/ и GG/.

19. Строим линии пересечения естественной поверхности земли и поверхностей боковых откосов. Для этого находим несколько точек, лежащих на этих линиях пересечения. Например, точку на пересечении горизонтали «n» с поверхностью откоса. Для этого находим заложение откоса

S1=(n - Порога)·0,2,

где 0,2 – коэффициент заложения откоса.

20. Решаем вопрос, где будет проходить подъездная дорога, слева или справа от оси, вдоль или поперек оси туннеля.

Пусть она проходит слева, вдоль трассы туннеля. Откладываем её ширину ( 5м ) и проводим линию NN/.

21. Проводим линии, параллельно оси туннеля на расстоянии S1 от линий GG/ и FF/. Точки пересечения Т и Т/ проведенных линий с горизонталью «n» будут искомые.

22. Точки пересечения боковых откосов с другими горизонталями находятся аналогично.

23. Рисуем пазы для затвора и бетон, примыкающий к пазам.

24.Находим линию пересечения левого бокового откоса с естественной поверхностью земли: (линия XY). Для этого используем формулу:

S2=(m - Порога)·0,2,

где m – отметка соответствующей горизонтали. S2 откладываем от линии NN/ находим точку Т2.

25. Линия КК/ является линией пересечения поверхности торцевого откоса с плоскостью на отметке портала. Для нахождения точки Т3 используем формулу

S3=(р - Порога)·0,2,

где р – отметка соответствующей горизонтали.

26. Предварительно линию КК/ пересечения торцевого откоса с плоскостью портала переносим с разреза на рис.12.

27. Если горизонтали проведены очень редко, то следует наметить дополнительные и с их помощью построить необходимое число точек.

28. На следующем этапе проводим линии пересечения плоскостей боковых откосов с плоскостью торцевого откоса. Обычно эти плоскости сопрягаются конусами.

  1. Показываем линию, соответствующую началу бетонной облицовки на дне.

30.Закругляем подпорные стенки в их начале.

31. Находим горизонталь, на которой заканчивается плоскость с отметкой портала. Пусть это будет n – 1 горизонталь.

32. Строим подходные выемки ( * ) ( рис.3.4 ).

33. Намечаем трассу дороги слева (желательно в полувыемке-полунасыпи), для чего разворачиваем начальную часть откоса и показываем выемку ( ** ) рис.3.4.

  1. По окончательно выполненному плану завершим построение поверхностей боковых откосов.

  2. Стираем горизонтали, которые проходят через выемку, и рисуем на откосах бергштрихи.

Для удобства монтажа затвора перед пазом размещаем мост (рис.3.3, 3.4).


3.3. Аксонометрические проекции входных порталов безнапорных строительных туннелей.

На рис. 3.5 - 3.8 представлены проекции входного портала безнапорного строительного туннеля. Продольные и поперечные разрезы построены для различных туннелей.

Рис.3.5. Аксонометрическая проекция входного портала с разрезом по оси. Входной перепад мал ZВХ < 0,5h0. Подъезд по дороге, проходящей в глубокой выемке, слева от оси туннеля

Рис.3.6. Аксонометрическая проекция входного портала с разрезом по оси. Входной перепад - большой ZВХ > 0,5h0. Крутопадающий откос. На входе в туннель – забральная балка.

Подъезд к порталу проходит в полувыемке-полунасыпи слева от оси туннеля.

Рис.3.7. Аксонометрическая проекция входного портала с поперечным разрезом перед пазом затвора.

Рис.3.8. То же, что и на рис.3.7, но разрез по пазу затвора.


Рис. 3.5. Рис.3.6.

Рис.3.7. Рис.3.8.


Лекция 4.

^ 4. Аккумулирование ливневого паводка.

При большой площади зеркала ( поверхности ) водохранилища подъем подпорного уровня до ФПУ сопровождается частичной аккумуляцией поверочного приточного расхода с трансформацией гидрографа паводка - заметным снижением его пика и увеличением продолжительности.

В общем случае процесс трансформации паводка происходит следующим образом. Будем считать, для удобства пояснения, что паводок вызван дождевыми (ливневыми) водами, а на пороге водослива затворы отсутствуют, т.е. отметка гребня водослива равна отметке НПУ.

Так как время прохождения ливневого паводка предугадать практически невозможно, то часто в запас считают, что в начале этого паводка водохранилище наполнено, а следовательно, уровень воды в нем стоит на уровне гребня водослива, т.е. на отметке НПУ, и расход водосброса равен нулю.

На рис. 4.1,а представлен продольный разрез водохранилища. Объем водохранилища, заключенный между ФПУ и НПУ, называется аккумулирующей, или резервной призмой:

Wакк = 0,5(АФПУ + АНПУmаx,

где АФПУ и АНПУ - площади зеркала водохранилища, отвечающие соответственно ФПУ и НПУ; Нmаx = ФПУ - НПУ - максимальный напор на гребне водослива.

На рис. 4.1,б приведен график ливневого паводка в виде кривой Qп = f(t). Расход паводка Qп вначале возрастает до максимального значения Qп mаx, а затем снижается до нуля. По мере наполнения водохранилища уровень воды в нем повышается и, следовательно, растет напор на гребне водослива и расход через него Qв = f1(t).

На протяжении первого периода работы водослива (наполнение водохранилища) Qп > Qв . В некоторый момент времени, когда напор Н и расход Qв = f1(t) достигнут максимума, Qп = Qв. После этого начинается опорожнение водохранилище, во время которого Qп < Qв. В момент, соответствующий точке 3, паводок закончится, однако водослив будет продолжать работать до момента времени, отвечающего точке В. Как видно продолжительность работы водослива t0 больше продолжительности паводка Т0. Таким образом, благодаря аккумуляции воды в водохранилище получаем трансформацию (преобразование) паводка: гидрограф притока О-1-2-А-3 с пиковым расходом Qпmаx трансформировался в гидрограф истечения паводка из водохранилища 0-А-В с максимальным расходом Qв mаx, который должен быть принят как расчетный для водосброса.


Рис. 4.1. Профиль водохранилища (а) и схема трансформации паводка (б).


При наличии большой аккумулирующей призмы, когда ее объем больше объема ливневого паводка, водосброс на пропуск этого паводка можно не рассчитывать.

Задачу расчета аккумулирования ливневого паводка, как правило, ставят так: задан гидрограф паводка, а также НПУ и ФПУ; требуется найти расчетный расход водослива. Решение этой задачи в первом приближении ведут обычно по способу Д.И.Кочерина, согласно которому гидрограф паводка аппроксимируют трапецией, а кривую ОА заменяют прямой ОА.

Ниже приводится пример учета аккумулирования ливневого паводка (рис. 4.2) для двух случаев конструкции водослива - без затворов (рис.4.2,а) и с затворами (рис.4.2,б).

Для расчета задано:

- площади зеркала водохранилища при НПУ и ФПУ соответственно АНПУ и при АФПУ;

- гидрограф ливневого паводка;

- максимальный расход ливневого паводка Q1макс = 1400 м3;

- время подъема паводка Т1 = 6 часов;

- время пика паводка Т2 = 4 часа;

- время спада паводка Т3 = 10 часов;

- максимальный подъем уровня от НПУ до ФПУ -H = 1,5м;

- объем призмы аккумулирования ( резервный объем)

Waкк = H·0,5(АНПУ + АФПУ) = 1,5·11,5·106 = 17,25 м3;

- полный объем ливневого паводка

W0 = 0,5(Т1 + 2Т2 + Т3)Q1макс =0,5·(6 + 2·4 + 10) 1400·3600=

= 60,5·106 м3;

- транзитный объем

WТР = W0 - Wакк = (60,50 - 17,25)106 = 43,25·106 м3.


Максимальные расходы с учетом аккумулирования ливневого паводка можно найти аналитически с применением следующих формул:

- для водослива без затворов (случай I):

Q2макс = Q1макс (1 + α)(1 - β); (2)

- для водослива с затворами (случай II):

Q2макс = Q1макс, (3)

где α = , β = . (4)


Рис. 4.2. К расчету аккумулирования ливневого паводка.

Полученные в результате расчетов значения расходов Q2макс сравниваются с основным паводочным расходом (см. задание), и в качестве расчетного принимается бόльший из них для выбранного типа водослива - с затворами или без них.


Лекция 5.

^ 5. Шахтный водосброс.

Шахтный водосброс представляет собой водослив кругового в плане очертания (воронку), сбрасывающий воду в нижний бьеф через вертикальную или наклонную шахту и отводящий туннель.


Рис. 5.1. Основные элементы шахтного водосброса.


В состав шахтного водосброса входят (рис. 5.1):

1 - водосливная воронка с полным или неполным в плане кольцевым водосливом, иногда с плоским гребнем;

2 - переходный участок, в пределах которого свободное падение воды при расчетном расходе происходит с полностью заполненным сечением; площадь сечения переходного участка уменьшается в соответствии с уменьшающимся живым сечением струи;

3 - вертикальная или наклонная шахта обычно постоянного сечения;

4 - колено или иное сопрягающее устройство, соединяющее шахту с отводящим туннелем;

5 - отводящий туннель.


5.1. Водосливная воронка.

Выполняется в виде полного или неполного кольцевого водослива (рис.5.2,а,б). Кольцевые водосливы бывают нерегулируемые (без затворов), когда гребень водосливной воронки выполнен на отметке НПУ, и регулируемые, когда на гребне воронки установлены затворы. При использовании нерегулируемых водосливов для развития их водосливного фронта во избежание существенного подъема уровня при сбросе максимальных расходов применяют водосливы типа «маргаритка». Эти водосливы имеют развитую сливную кромку за счет того, что состоят из нескольких лотков, имеющих в плане вид лепестков и дно, наклоненное в сторону шахты (рис.5.2,в).

Рис. 5.2. Схемы водоприемной части шахтных водосбросов.

а - круговая водосливная воронка с затворами или без них; б - секторная (неполная) водосливная воронка; в - лепестковый водослив («маргаритка»).

Водоприемная часть шахтного водосброса соединяется с водоотводящей частью. Наиболее широкое распространение получили вертикальные шахты, которые могут быть коническими или цилиндрическими (рис.5.3,а,б). Реже устраиваются наклонные шахты (рис.5.3,в). Известны случаи, когда вертикальная шахта отсутствует и воронка соединяется коленом с отводящим трактом (рис.5.33,г).

Рис.5.3. Конструктивные схемы шахт.

а - вертикальная коническая шахта; б - вертикальная цилиндрическая шахта;

в - наклонная цилиндрическая шахта; г - непосредственное сопряжение оголовка с коленом, шахта отсутствует.


5.2. Подвод воды к кольцевому водосливу.

Для устранения вращения потока и равномерного обеспечения подвода воды выемке (расчистке), подводящей воду к водосливу, придаются определенные очертания в плане и устанавливаются противоводоворотные устройства.

Расчистка в плане может быть параболического, полигонального или иного очертания (рис.5.4).


г)


Рис.5.4. Возможные плановые очертания расчисток.


Как показывают исследования, даже при самых совершенных очертаниях расчистки (рис.5.4,а) избежать полностью водоворотных явлений в пределах выемки не удается - требуется применение противоводоворотных устройств.

Ширина расчистки l на подходе к шахтному водосбросу назначается из условия получения скорости здесь v = 1,0…1,5м/с:

l = (5)

где QP - расчетный расход; р - превышение гребня водослива над дном расчистки; Н - расчетный напор.

Очертание параболической расчистки (рис.5.4,б) строится по координатам:

y = l ; x = y ctg. (6)

В качестве протвоводоворотных устройств применяются направляющие стенки, одна (рис.5.4,б) или две (рис.5.4,в). Во втором случае длина каждой стенки принимается равной lст = (2,5…3,0)R, толщина стенки около 1,0м, расстояние между стенкой и гранью водослива 0,05…0,1 R.

Расчистка по рис.5.4,г строится следующим образом.

Из точки А (точка пересечения оси быка с наружной окружностью водослива) под углом α проводится линия АВ. Отрезок этой линии ВС представляет ширину расчистки bα в этом месте, которая определяется по формуле bα =

где Qα = Q - расход на расчистке в сечении α; Н - напор на гребне водослива; с - высота гребня водослива; vp = 1…1,5 м/с - скорость на расчистке.


5.3. Конструкция кольцевого водослива с затвором.

Кольцевой затвор представляет собой металлический цилиндр радиусом, равным радиусу R0min гребня водослива, и толщиной стенки 0,1 R0min (рис.5.5). Для открытия затвора из камеры давления по трубопроводу выпускают воду в шахту, при этом затвор опускается в камеру; для закрытия затвора трубопровод в шахту закрывается и открывается трубопровод, соединяющийся с верхним бьефом, камера заполняется водой, цилиндрический затвор всплывает и козырек затвора занимает нужное высотное положение. Описанные открытие и закрытие трубопроводов осуществляются автоматически с помощью особых клапанов и поплавков, приходящих в движение в соответствии с колебаниями УВБ.


Рис.5.5. Гребень водослива шахтного водосброса с кольцевым затвором.

1 - цилиндр затвора; 2 - козырек; 3 - кольцевой затвор; 4 - бык; 5 - подходная расчистка; 6 - камера давления (затворная камера); 7 - трубопровод для выпуска воды из камеры; 8 - водосливная воронка.

Высота порога водослива с = 0,5…1,0 Н.

На рис.5.6,5.7 представлены схемы шахтного водосброса с кольцевым затвором.

Рис.5.6.

Рис.5.7.

5.4. Гидравлический расчет шахтного водосброса.

Гидравлический расчет шахтного водосброса заключается в определении по заданному расходу очертаний элементов сооружения, обеспечивающих нормальное функционирование системы.

5.4.1. Пропускная способность водослива.

Расход через водослив шахтного водосброса определяется по формуле:

Q = εm(2πR - n0S)H3/2, (7)

где ε - коэффициент бокового сжатия, равный в среднем 0,9;; n0,S - соответственно число быков и их ширина на уровне гребня; m,R,Н - соответственно коэффициент расхода, радиус воронки (гребня) и напор на гребне водослива. При отсутствии быков ε = 1, n0 :

Q = m2πR H3/2. (8) Коэффициент расхода m зависит от относительного напора H/R:

m ≈ 0,98 (0,507 - 0,136 H/R). (9)

Умножим и разделим правую часть формулы расхода на R3/2 и найдем из полученного выражения Береговые водосбросы применяются на гидроузлах с грунтовыми плотинами, а также на гидроузлах с бетонными плотинами в узких створах. Выполняются они в виде быстротоков или туннельных водосбросов - безнапорных или напорных.

Вариант компоновки гидроузла с береговым водосбросом отличается разнообразием типов водосбросов. Головная часть такого водосброса представляет собой водослив, предшествуемый коротким подводящим каналом (подходной выемкой). Водослив может быть с широким порогом и практического профиля, прямым и кривым в плане, располагаться нормально берегу, по оси плотины (с нормальным отводом воды) ( рис. 2а ), и вдоль берега, если он крутой (с боко­вым отводом воды, траншейный) (рис. 2б); может быть кольцевым (шахтный) ( рис. 2в ), с неполной кольцевой воронкой (рис. 2г) - все зависит от способа отвода воды в нижний бьеф.

в) г)

Рис. 2. Головная часть береговых водосбросов приплотинных гидроузлов.

а – нормальный водослив:1 – ось плотины; 2 - мост; 3 – шпунт; 4 – понур;

б – боковой ( траншейный) водослив; в – кольцевой водослив; г - с наклонной штольней.

Отводящая часть водосброса может быть в виде быстротока, трассируемого по береговому склону и заканчиваемого трамплином или га­сителем другого типа ( рис. 3а ). Может быть в виде наклонной шахты, переходя­щей в отводящий туннель( рис. 3б ).При этом в качестве отводящей части, как указывалось, может быть использован низовой участок строительного туннеля. Может быть, также в виде вертикальной шахты, переходящей в туннель ( рис. 3в ). Этому варианту соответствует кольцевой водослив, под­ходная выемка к нему должна обеспечивать подвод воды по всему пе­риметру.

а)

б) в)


Рис. 3. Отводящая часть береговых водосбросов.

а - нормальный водосброс с быстротоком: I - подходной канал ( расчистка ); II - водослив; III - отводящий канал; IV - быстроток с концевым устройством; б – водосброс с наклонной штольней; в – шахтный водосброс с вертикальной шахтой и отводящим туннелем.

Выбор типа водосброса решает технико-экономическое сопос­тавление, результат зависит от природных условий и расчетного рас­хода водосброса.

R:

R=[]0,4=0,264[]0,4. (10)
Задаваясь различными значениями H/R, легко определить m, R и H.

5.4.2. Очертание водосливной воронки практического профиля.

Воронки с водосливом практического профиля применяются, когда 0,2 ≤ H/R ≤ 0,4.

Профиль водослива и водосливной воронки выполняется по методу центральной струйки или принимается по координатам Вагнера.

В первом случае при расчете профиля водослива первоначально строится траектория центральной струйки, а затем находятся верхняя и нижняя границы струи; нижняя граница определяет профиль водослива (рис.5.8).

Рис.5.8. К построению профиля и воронки водослива

Принимается, что глубина потока в створе гребня равна hгр = 0,75Н.

Горизонтальная составляющая средней скорости в створе гребня в этом случае: v0 = (11)

Уравнение траектории центральной струйки: y = . (12)

Средняя скорость в любом сечении: v = , (13) толщина струи h = . (14)

Откладывая от оси центральной струйки по нормали 0,5 h влево и вправо, находим очертание профиля водослива и свободной поверхности струи. В точке на оси при глубине yпер свободные поверхности струй пересекутся. От этого сечения и ниже начинается переходный участок водосброса.


5,4.3. Переходный участок.

Начальное сечение переходного участка проходит через точку пересечения свободной поверхности струй при расчетном расходе на глубине yпер (рис.30).

Средняя скорость в начальном сечении переходного участка:

vпер = v0 + , (15)

где v0 - скорость на гребне водосливной воронки.

При коэффициенте скорости = 0,9 скорость в сечении переходного участка на глубине y > yпер: vy = vпер + . (16)

Площадь сечения шахты на глубине y с учетом аэрации потока:

ω =1,1Q/vy (17)

Диаметр шахты в любом ее сечении: dш =(4ω/π)0,5. (18)

Пользуясь этой зависимостью, можно наметить очертание шахты по всей ее высоте. Как видно, сечение шахты книзу все время уменьшается, однако нижнюю ее часть, где диаметр шахты достигает 6м, целесообразно принимать цилиндрической. В верхней части шахта должна плавно сопрягаться с водосливной воронкой.

Бетонная облицовка шахты принимается толщиной 0,1 dш.

5.4.4. Водоотводящий тракт.

Шахта с туннелем сопрягается с помощью криволинейного колена (рис.5.9) радиусом rк = 2…2,5 dш.

Рис.5.9. Общая схема водоотводящего тракта шахтного водосброса.

1 - водосливная воронка; 2 - вертикальная шахта; 3 - строительный туннель;

4 - бетонная пробка; 5 - отводящий туннель; 6 - входной портал туннеля;

7 - выходной портал туннеля.


Если туннель используется как строительный, то по окончании строительных работ в месте сопряжения с шахтой устраивается бетонная пробка, длина которой принимается примерно lпр = 1.5…2,0 bT, где bT - ширина строительного туннеля.

Отметка дна туннеля в месте сопряжения с шахтой определяется по зависимости: В = П - iTL, где П - отметка входного порога строительного туннеля, iT - уклон туннеля, L - длина туннеля от входного порога до оси шахты.

Определение сжатой глубины в туннеле в месте сопряжения с шахтой производится путем решения уравнения методом подбора:

vc =Q/ωc = φ, (19) где vc, ωc = bТhc c, hc - скорость, площадь и глубина потока в сжатом сечении; φ = 0,9 - коэффициент скорости; Т - высота падения потока от ФПУ ( без учета скорости подхода ) до дна туннеля В.

Проще определить сжатую глубину по графику проф. Н.Н.Павловского (рис.5.10).

Для этого найдем критическую глубину:

hкр =. (22)

Далее определяем отношение = T/ hкр, и тогда по графику находим = hc/ hкр, или hc = hкр .

По найденному значению hc определяем скорость в сжатом сечении:

Рис.5.10. К определению относительной глубины в сжатом сечении

= hc/ hкр в зависимости от относительной полной энергии =T/ hкр.


Продольный профиль свободной поверхности в отводящем туннеле- кривую подпора cII, глубину h2 и скорость U2 в выходном сечении можно найти по уравнениям Б.А.Бахметева, В.И.Чарномского, А.Н.Рахманова и др.

В случае туннеля, имеющего малый уклон, глубину h2 в выходном его сечении можно определить упрощенным способом, пригодным при больших скоростях, малых глубинах и больших числах Фруда Fr. В таких условиях свободную поверхность потока можно считать плоской и определять h2 по формуле:

h2 = hс+ (gn2/αm)L2, (23)

где 1,0 - корректив кинетической энергии; L2 - длина отводящего туннеля (рис.27); m = 0,33bТ1/3 - для прямоугольного (корытообразного) cечения туннеля; m = 0,4D0,5 - для круглого сечения.

Скорость в выходном сечении U2 = Q/bТh2 м/с.

5.5. Сопряжение с нижним бьефом.

Из возможных типов сопряжения потока с нижним бьефом и гашения его кинетической энергии у низового конца водосброса может быть донный гидравлический прыжок или отброс потока на безопасное для сооружений расстояние. Расчет и конструирование сопряжения не зависят от того, как закончился водосброс - быстротоком или туннелем. Рассмотрим оба эти варианты сопряжения с нижним бьефом.

5.5.1.Донный режим сопряжения бьефов.

Как выше показано, на выходе из туннеля глубина h2 , скорость потока U2 , удельный расход q = Q/bT , критическая глубина hкр , уровень воды в нижнем бьефе УНБ.

Для потока с такими параметрами требуется серьезное крепление дна нижнего бьефа даже на скальном основании.

Вычислим полную энергию на выходе потока из туннеля:

- потенциальная энергия равна h2;

- кинетическая энергия U22/2g;

- полная энергия на выходе Т2 = h2 + U22/2g .

Уровень линии энергии ( при отметке дна туннеля Пр1 ) установится на отметке Э = Т2 +Пр1.

Перепад между бьефами Z0 = Э - УНБ.

По графику на рис. 5.11 при относительной величине перепада Z0/hкр (по горизонтали) и коэффициенте φ=0,9 относительная вторая сопряженная глубина получается равной (по вертикали) hII / hкр = … и, следовательно hII = ( hII / hкр ) hкр.


Рис.5.11. К определению второй сопряженной глубины.


Приняв коэффициент затопления прыжка ns = 1,05, получим глубину воды, необходимую для затопления прыжка, t = ns hII и отметку поверхности водобойного колодцаВ =УНБ - t. Длина водобойного колодца lв 4,5 t.

Сопряжение туннеля с водобойной плитой целесообразно выполнить криволинейным (рис.5.12).

Рис. 5.12. Пример выполнения сопряжения бьефов с помощью водобойного колодца.


5.5.2. Сопряжение бьефов отбросом струи.

В высоконапорных гидроузлах, на реках в скалистых берегах, наиболее часто применяют в качестве сопряжения трамплин с отбросом массы воды в нижний бьеф. При решении этой задачи определяется максимальный отлет струи и выполняется прогноз глубины размыва основания.

Дальность L отброса потока трамплином от конца водосброса зависит от скорости U2 подхода потока к трамплину, найденной гидравлическим расчетом отводящего туннеля, от высоты трамплина t, его положения над УНБ, глубины воды на трамплине hT h2 и от угла наклона трамплина α к горизонту. Одна из формул для определения дальности отброса потока:

L =φ, (24)

где a - возвышение трамплина над УНБ; φ 0,9 - коэффициент, учитывающий потери кинетической энергии при полете потока в воздухе;

UT U2 - скорость потока на сходе с трамплина .

Выберем размеры трамплина (рис.5.13). Из-за сопротивления воздуха полету струи отметку верха трамплина лучше выбрать на отметке УНБ = f(Qp) , т.е. а 0. Примем угол наклона трамплина к горизонту = 250…300. Длину трамплина можно назначить примерно равной 3…4h2/


Рис.5.13. Пример выполнения сопряжения бьефов отбросом струи.


5.6. Расчет воронки водослива с использованием координат Вагнера.

Очертание водосливной воронки водослива практического профиля можно построить по координатам Вагнера (таблица 3), используя модель-аналог, рассчитанную на расход Q = 1000м3/с.

Поступаем следующим образом. Для вычисления координат воронки, рассчитываемой на заданный расход Qр, выбираем значение y0/R0 от 0,20 до 0,40.

Соответствующие этому значению табличные значения R,Y умножаем на модельный (масштабный) коэффициент

. (25)

Строим профиль воронки и плавно сопрягаем его с очертанием переходного участка, расчет которого ведется так же, как в выше рассмотренном случае.

Таблица 3


Рамками обведены координаты гребня водосливной воронки.


Лекция 6.

^ 6. Закрытый водосброс с наклонной штольней.

Закрытый водосброс с наклонной штольней устраивается в скаль- ных грунтах , когда по топографическим условиям шахтный водосброс оказывается неприемлимым, и состоит из следующих основных частей :

1 - подходная расчистка;

2 - водоприемная часть (водослив);

3 - переходный участок;

4 - безнапорная наклонная шахта-штольня;

5 - криволинейное колено в месте сопряжения штольни с туннелем;

6 - бетонная пробка;

7 - строительный туннель;

8 - отводящий туннель;

9 - концевое устройство.

В связи с тем, что расчеты и конструирование частей 6,8 и 9 водо- сброса аналогичны рассмотренным выше для шахтного водосброса, ниже ограничимся только описанием и расчетами входной части рассматрива- емого водосброса.

Различают два основных вида этой части:

- в виде водослива с боковым отводом воды;

- в виде неподтопленного водослива с прямым отводом воды, имеющего порог в плане прямолинейный или криволинейный, образующий так называемую неполную кольцевую входную воронку.

Такого рода водосливы устраиваются с затворами на гребне или без них.

6.1. Траншейный водосброс.

Траншейные водосбросы ( водосбросы с боковым отводом воды ) относятся к классу береговых. Они устраиваются в составе гидроузлов в сложных геоморфологических условиях, например, при крутых скальных берегах, когда нормальное ( по оси плотины ) расположение водослива требует глубокой врезки в берег. Водослив такого водосброса располагают вдоль берега, вблизи подпорной горизонтали. Перед водосливом устраивается короткая подходная выемка ( расчистка ), которая выполняет функции подводящего канала. За водосливом располагается траншея, куда сливается поток и где он меняет направление вдоль берега. Наличие траншеи позволяет придать водосливу практический профиль с высоким коэффициентом расхода. Траншея переходит в короткий канал и далее в наклонную шахту ( штольню ) и подземный отводящий туннель ( рис.6.1 ).




Рис. 6.1. Траншейный водосброс с туннельным отводом воды.


Завершают траншейный водосброс сооружением для сопряжения потока с нижним бьефом. Режим движения на этом участке может быть как донный, так и поверхностный. В благоприятных условиях ( скальное русло, глубокий нижний бьеф ), когда прогнозируют умеренные размывы и подмывы берегов, безопасные для соседствующих сооружений, возможно сопряжение сбросного потока с нижним бьефом по типу отброса струи с помощью трамплина. Носок трамплина должен отбрасывать поток далеко от плотины, при этом полезно распределять его по возможно большей площади.

6.1.1. Подходная расчистка

Подходная расчистка к водосливу траншейного водосброса обычно короткая, широкая, равная ширине водослива. Глубина выемки, определяющая отметку дна расчистки, влияет на пропускную способность водослива; можно считать приемлемой глубину расчистки с = Н, где Н - напор на водосливе (рис.6.2).

6.1.2. Водослив

Водослив может быть без затворов или с затворами и, соответственно, с быками, служебным мостом и подъемниками.

Наличие подходной выемки ( расчистки ) перед водосливом и траншеи за ним позволяет отнести его к водосливам практического профиля и придать его гребню очертание по координатам Кригера-Офицерова (рис.6.2, табл.4 ) с целью обеспечить высокий коэффициент расхода .


Рис.6.2. Профиль Кригера-Офицерова. Таблица 4

y/H

0,0

0,2

0,3

0,5

0,8

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

z/H

0,126

0,007

0,000

0,02

0,147

0,256

0,666

1,235

1,960

2,824


Расчетным ( профилирующим ) для очертания водослива является напор Н, соответствующий пропуску максимального расчетного расхода. В сторону верхнего бьефа профиль можно продолжить дугой окружности радиусом r = H/4, переходящей в наклонную прямую.

Расход водослива определяется по формуле:

Q = εσпnbmH, (26)

где: n - число пролетов; b - ширина пролета; m - коэффициент расхода; H0 - напор на водосливе с учетом скорости подхода; σп - коэффициент подтопления, ε - коэффициент бокового сжатия .

Как уже указывалось, для обеспечения максимальной пропускной способности водослива глубину С расчистки перед водосливом целесообразно принять равной напору Н. При такой глубине расчистки модуль расхода можно считать равным m ≈ 2,1.

На предварительной стадии проектирования можно принимать:

Н0 ≈ Н, σп ≈ 1,0, ε ≈ 1,0.

При выполнении курсового проекта удобнее всего задаваться напором на гребне водослива порядка Н = 3…5м при УВБ, соответствующем расчетному случаю - основному или поверочному.

Далее определяем удельный расход:

q = mH3/2.

Ширина водосливного фронта:

В = Q / q.

Разбиваем водосливной фронт на n отверстий шириной b каждое, но так, чтобы соотношение между шириной и высотой отверстия находилось бы в пределах b / Н = 2…5. При этом необходимо руководствоваться соображениями, изложенными ниже в соответствии со СНиП 2.06.01-86:


6.1.3.Траншея

Основным принципом проектирования траншеи является возможно малое ее заглубление относительно водослива, не влияющее существенно на его пропускную способность за счет подтопления. Такой принцип способствует выбору экономичной траншеи и избавляет от динамических нагрузок на сооружение.

Особенностью гидравлического режима в траншее является движение в ней потока с возрастающим по длине расходом. Целью расчетов является определение поперечных размеров траншеи и отметок ее дна при заданной длине, равной длине водослива, чтобы полученные размеры не уменьшили пропускную способность водосброса и при этом объем работ по траншее был минимальным.

Гидравлический расчет траншеи и исследование сложного движения жидкости с переменной массой по каналу с изменяющейся площадью живого сечения и уклоном дна, основывается на решении дифференциального уравнения свободной поверхности потока :

+ + , (27) (

где: q = Q/L - удельный расход на единицу длины траншеи; L - длина траншеи, равная длине водослива; U - средняя скорость в расчетном сечении;

ω - площадь текущего живого сечения; С- коэффициент Шези; R- гидравлический радиус. Расчетная схема – рис. 6.3.


Рис. 6.3. Схема к гидравлическому расчету траншеи.

В уравнении ( 27 ) полные потери напора по длине траншеи состоят из потерь на трение, на изменение скорости и потерь на "разгон" до скорости V, поступающей с водослива в траншею массы воды .

Одним из путей аналитического решения диффференциального уравнения движения в траншее с изменяющимся поперечным сечением, с присоединением расхода вдоль траншеи возможен путь, при котором задан закон изменения средней скорости по длине траншеи. Например, функцией

V =Vкон ( )n, (28)

где: Vкон - средняя скорость в конце траншеи; s - расстояние от начала траншеи до рассматриваемого сечения; n - параметр, который может изменяться в пределах 0≤n≤1. Учитывая изложенное, перепишем дифференциальное уравнение ( 27 ) в форме:



()( )2n-1 , (29)

и, после интегрирования, потери напора между начальным сечением траншеи и сечением, удаленным на х, получаются равными:

Z =()( )2n (30)

Полные потери по длине траншеи при s=L :

Zl = (). (31)

Основные потери напора при этом возникают вследствие изменения скорости вдоль течения и за счет придания такой же скорости массе воды, поступающей в траншею с водослива. Потери напора на трение по длине траншеи малы по сравнению с основными потерями.

На первом этапе расчетов рассмотрим случай поступления расхода в траншею по нормали к ее оси ( W = 0 ). Считая траншею коротким водотоком, у которого потери на трение существенно меньше по сравнению с другими потерями, примем = 0.

Выполним расчет траншеи, определим ее высотное положение, вычислим размеры поперечного сечения, в конкретных условиях оптимизируем проектное решение, задавшись параметром n и скоростью Vкон в конце траншеи.

Из работ кафедры "Гидротехническое строительство" СПбГПУ следует, что затраты по возведению траншеи мало зависят от параметра n. При n = 0,5 объем траншеи близок к оптимальному, примем эти рекомендации и в своих расчетах будем полагать n = 0,5.

В первом приближении скорость в конце траншеи можно получить из анализа уравнения ( 31 ).

Самое высокое положение уровня воды в траншее, без снижения пропускной способности, будет тогда, когда в ее начальном сечении глубина подтопления hп = 0,5Н, а в конце hп = 0. В этом случае полные потери по длине Zкон = 0,5Н. Подставив это значение потерь в формулу ( 31 ), получаем скорость в конце траншеи:

Vкон =1,8 Н0,5 = 2,56 Zкон0,5. (32)

При заданном сбросном расходе Q, длине траншеи ^ L, напоре на водо- сливе Н, скорости в конце траншеи Uкон =1,8 Н0,5, параметре n = 0,5 и уровне воды в начале траншеи УВ0 =Гр+0,5Н (рис. 6.3).

Гидравлический расчет траншеи выполняем в табличной форме (табл.5):

Таблица 5


s/L
















V = Vкон(s/L)0,5













Vкон = 1,8 Н0,5

Q = Qкон(s/L)
















ω = Q/V
















h = (ω/k)0,5













k = 1…2

b = kh
















Z = Zкон(s/L)
















УВ = УВ0 - Z













УВ0 =

Д = УВ - h


















По результатам расчета конструируем траншею по типу рис.6.3.

6.1.4. Отводящая часть водосброса.

Отводящая часть траншейного водосброса состоит из переходного участ- ка ( 2 ), штольни (3), отводящего туннеля ( 4 ), в качестве которого зачастую ис- пользуют часть строительного туннеля, и концевого устройства ( 5 ). В месте сопряжения штольни со строительным туннелем устраивается бетонная пробка(6) ( рис. 6.4 ).


Рис. 6.4. Отводящая часть водосброса.

1-траншея; 2 –переходный участок; 3 – штольня; 4 – отводящий туннель; 5 –концевое устройство; 6 - бетонная пробка.


Портал туннеля пристраивается к торцу траншеи через переходный участок сужения, на котором поперечное сечение траншеи переходит в корытообразное сечение туннеля.

На переходном участке поток со спокойным режимом движения воды в траншее ( h > hкр ) должен перейти в свободно падающий ( практически ) бурный поток в туннеле. Переход потока из спокойного в бурный происходит через критический режим движения. На переходном участке необходимо обеспечить критические глубины и скорости. Это позволит выровнять поток по ширине и глубине перед падением его в безнапорный туннель. Переходный участок с критическим режимом позволит лучше организовать поток, обеспечить требуемое наполнение и не допустить захлебывания туннеля в его входном портале.

В начале переходного участка образуется критическая глубина, которую определим из условия, что ширина переходного участка в этом сечении равна ширине траншеи в ее конце. Определим параметры потока в начале переходного участка.


Удельный расход q = Q/bкон.

Критическая глубина hкр = .

Скорость V = q / hкр.

Расчеты показывают, что для создания критического режима в самом начале переходного участка возможно образование порога (рис.6.5).


Рис.6.5. Схема к расчету переходного участка.

Порог оказывает благоприятное воздействие на сбрасываемый в траншею расход, особенно при первых открытиях пролетов. Порог создает в траншее бассейн некоторой глубины, который помогает в гашении энергии сбрасываемого расхода и способствует выравниванию сложного потока, выходящего из траншеи на переходный участок.

Профиль дна переходного участка строится по кривой y = 0,48 x1,8.

На входе в туннель, где к кривой дна переходного участка по касательной подходит прямолинейный участок дна туннеля (точка А) 5), глубина потока h должна обеспечивать незатопляемость входного сечения наклонного туннеля высотой t , для чего наполнение туннеля на входе необходимо принимать не более h/t = 0,60…0,65, что обеспечивает требуемую пропускную способность водосброса с учетом аэрации потока.

Гидравлический расчет безнапорной наклонной шахты (штольни) заключается в определении скорости и сжатой глубины hc на ее дне.

Расчеты сжатой глубины hc, глубины h2 в конце туннеля, выбор варианта сопряжения с нижним бьефом и его расчет аналогичны расчетам этих элементов для шахтного водосброса.

Лекция7.

^ 6.2. Водослив с прямым отводом воды.

Закрытый водосброс с наклонной штольней устраивается в скальных грунтах , когда по топографическим условиям шахтный водосброс оказывается неприемлимым, и состоит из следующих основных частей (рис.6.8):

1 - подходная расчистка;

2 - водоприемная часть (водослив);

3 - переходный участок;

4 - безнапорная наклонная шахта-штольня;

5 - криволинейное колено в месте сопряжения штольни с туннелем;

6 - бетонная пробка;

7 - строительный туннель;

8 - отводящий туннель;

9 - концевое устройство.


Рис.6.8. Схема закрытого водосброса с прямым отводом воды и

с наклонной штольней.


В связи с тем, что расчеты и конструирование частей 5,6,8 и 9 водо- сброса аналогичны рассмотренным выше для шахтного и траншейного водосбросов, ниже ограничимся только описанием и расчетами входной части рассматриваемого водосброса.









Похожие:

Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconКривых Людмила Алексеевна
Архитектурные сооружения нередко называют «каменными страницами истории» [6]. И действительно, дома, мосты, набережные и другие сооружения...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconЗадача в результате пожара были полностью разрушены электрические сети (сооружения) стоимостью 1500 тыс руб. Начисленная амортизация на момент утраты составила 700 тыс руб. Составить бухгалтерские записи. № содержание
В результате пожара были полностью разрушены электрические сети (сооружения) стоимостью 1500 тыс руб. Начисленная амортизация на...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconЛекция №10. Расчет производительности одноковшовых экскаваторов План лекций
Технологическая схема производства земля­ных работ складывается из четырех основных рабочих процессов: разработка и выемка грунта,...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconУчебный курс «информационно-измерительные технологии для мониторинга состояния гидротехнических сооружений аэс и гэс»
Данный курс рассчитан на специалистов аэс, тэц, гэс, обслуживающих гидротехнические сооружения
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconЛекция №3. Тема: Архитектура рабовладельческой эпохи. Архитектура древнего Египта
Новое царство (XVI-XI вв до н э.). Среди монументальных построек Египта выделяются грандиозные погребальные сооружения- пирамиды,...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconЛекция №9 Тема: Регионализация Северного Кавказа и Ставропольского края
Крымско-Кавказская горная физико-географическая страна. Собственно Кавказ занимает перешеек между Черным и Каспийским морями. Здесь...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconЛекция 5 Тема: Архитектура Древнего Рима. Влияние общественного устройства на развитие архитектуры
Ельческую державу. Возникло множество городов и военных лагерей, строились военные сооружения, крепости, мосты и дороги. Наряду с...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconСооружения и устройства на акватории порта
Размеры акватории устанавливают на заданный расчетный год, при этом учитывают типы судов и возможности в последующем роста размерений...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconСовместная работа основания и сооружения
Этот вид деформаций встречается очень часто, но раскрытие трещин незначительно и очень редко, т к появлению трещин препятствует трение...
Лекция Водопропускные сооружения водохранилищных гидроузлов. При строительстве гидроузлов на водотоках предусматриваются водопропускные сооружения. Водопро iconМатематические загадки пирамиды Хеопса
Сто тысяч рабов в течение 30 лет трудились над возведением этого сооружения, сначала подготовляя 10 лет дорогу для перевозки камней...
Разместите ссылку на наш сайт:
Уроки, сочинения


База данных защищена авторским правом ©izlov.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
связаться с нами