Проектирование узла гидротехнических сооружений

Курсовая работа

На тему: Проектирование узла гидротехнических сооружений

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчёт магистрального канала.

1.1 Проверка канала на условие неразмываемости и незаиляемости.

1.2 Проверка канала на заиление.

1.3 Определение глубин наполнения канала.

2. Расчёт распределительного и сбросного канала.

2.1 Определение глубины наполнения трапецеидального сбросного канала по заданной ширине по дну.

2.1.1 Расчёт распределительного канала методом И.И Агроскина.

2.1.2 Расчёт сбросного канала.

3. Расчёт кривой свободной поверхности в магистральном канале.

3.1 Определение критической глубины в распределительном канале.

3.2 Установление формы кривой свободной поверхности.

3.3 Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом И.И. Агроскина.

4. Гидравлический расчёт шлюза-регулятора.

4.1 Определение ширины шлюза - регулятора в голове магистрального канала.

5. Расчёт водосливной плотины.

5.1 Определение гребня водосливной плотины.

5.2 Построение профиля водосливной плотины.

6. Гидравлический расчёт гасителей.

6.1 Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина.

6.2 Гидравлический расчёт водобойной стенки

Введение

На реке N проектируется узел гидротехнических сооружений.

В состав узла входят:

А) Водосливная плотина.

Б) Водозаборный регулятор с частью магистрального канала.

Магистральный канал подаёт воду на орошение и обводнение подкомандной ему территории. На магистральном канале устраивается распределительный узел. На сбросном канале, идущем от этого узла, устраивается перепад (схема I).

Схема I

1. Расчёт магистрального канала

В состав расчёта входит:

Определение размеров канала из условия его неразмываемости (при Q_max = 1,5Q_н) и незаиляемости (при Q_min = 0,75Q_н).

Определение нормальных глубин для заданных расходов и построение кривой Q = f(h).

Данные для расчёта:

Расход Q_н = 9,8 м³/сек. Q_max = 14,7. Q_min = 7,35.

Уклон дна канала i = 0,00029.

Грунты - плотные глины.

Условие содержания: среднее.

Мутность потока ? = 1,35 кг/м³.

Состав наносов по фракциям в %:

d = 0.25 - 0.1 мм = 3.

d = 0,10 - 0,05 мм = 15.

d = 0,05 - 0,01 мм = 44.

d = ?0,01мм = 38.

Глубина воды у подпорного сооружения 3,0 h₀.

1.1 Проверка канала на условие неразмываемости и незаиляемости

Принимаем коэффициент заложения откоса канала «m» в зависимости от грунта и слагающего русла канала по таблице IX [1] m = 1.

Принимаем коэффициент шероховатости “n” в зависимости от условия содержания канала по таблице II [1] n = 0,025.

Принимаем допускаемое значение скорости на размыв в зависимости от грунта, слагающего русло канала по таблице XVI [1] V_доп = 1,40 м/с.

Принимаем максимальную скорость потока в канале V_max = V_доп = 1,40м/с.

Вычисляем функцию из формулы Шези:

По вычисленному значению функции при принятом коэффициенте шероховатости ( n ), определяем допускаемый гидравлический радиус (R_доп).

R_доп = 2,92 м. Таблица X[1].

Вычисляем функцию

Q_max - максимальный расход канала м³/с.

4m₀ - определяется по таблице X[1] 4m₀ = 7,312.

По вычисленному значению функции при принятом коэффициенте шероховатости ( n ), определяем гидравлически наивыгоднейший радиус сечения по таблице X[1]. R_гн = 1,54 м.

Сравниваем R_доп с R_гн и принимаем расчётный гидравлический радиус сечения (R). Так как R_доп ? R_гн то R ? R_гн 2,92 ?1,54, принимаем R = 1,38.

Определяем отношение

По вычисленному отношению определяем отношение по таблице XI [1].

Вычисляем ширину канала по дну и глубину потока в канале

Принимаем стандартную ширину равную 8,5 м.

Определяется глубина потока в канале при пропуске нормального расхода Q_н при принятой ширине канала в м. Для этого вычисляется функция

Далее определяется гидравлический наивыгоднейший радиус по таблице X[1]

R_гн = 1,31 м. По вычисленному отношению определяется отношение по таблице XI[1]. Нормальная глубина

Определяется глубина потока в канале при пропуске минимального расхода:

При R_гн = 1,17, таблица XI[1].

Далее определяем отношение По этому отношению определяем таблица XI[1].

1.2 Проверка канала на заиление

Вычисляется минимальная средняя скорость течения в канале:

Вычисляется минимальный гидравлический радиус живого сечения канала:

Определяется гидравлическая крупность наносов для заданного значения диаметров частиц данной фракции, таблица XVII[1].

Таблица 1.

Состав наносов по фракциям.

Фракции	I	II	III	IV
Диаметр, мм.	0,25 - 0,1	0,1 - 0,05	0,05 - 0,01	??0,01
Р, %.	1	12	28	59
Гидравлическая крупность.	2,7	0,692	0,173
Wd, см/с.	2,7 - 0,692	0,692 - 0,173	0,173 - 0,007	0,007

Определяется осреднённая гидравлическая крупность для каждой фракции.

Определяется средневзвешенная гидравлическая крупность наносов:

Принимается условная гидравлическая крупность наносов. Сравниваем то есть ? 0,002 м/с, то W₀ = 0,002 м/с.

Вычисляем транспортирующую способность потока:

.

Сравниваем: - канал не заиляется.

1.3 Определение глубины наполнения канала графическим методом

Расчёт для построения кривой Q = f (h) ведётся в табличной форме.

Таблица 2.

Расчёт координат кривой Q = f (h).

h, м.	?, м2.	X, м2.		, м/с.	Q, м3/с.	Расчетные формулы
0,5	4,5	9,9	0,45	22,72	1,74
1	8,5	11,3	0,75	32,72	4,73
1,5	15	12,7	1,18	44,83	11,43
2	21	14,1	1,49	52,50	18,74

- определяется по таблице X[1].

По данным таблицы 2 строится кривая Q = f (h).

По кривой, при заданном расходе, определяется глубина:

h_max = 1,75 м при Q_max = 14,7 м³/с.

h_н = 1,50 м при Q_н = 9,8 м³/с.

h_min = 1,25 м при Q_min = 7,35 м³/с.

Вывод: При расчёте максимальной глубины двумя способами значения максимальной глубины имеют небольшие расхождения, что может быть вызвано не точностью округлений при расчёте - расчёт выполнен верно.

2. Расчёт распределительного и сбросного каналов

2.1 Определение глубины наполнения трапецеидального сбросного канала по заданной ширине по дну

Данные для расчёта:

Распределительный канал:

ширина по дну b = 6,4 м.

расход Q = 0,5 Q_max магистрального канала - Q = 7,35.

Уклон канала i = 0,00045.

Грунты - очень плотные суглинки.

Коэффициент шероховатости n = 0,0250.

Сбросной канал:

расход Q = Q_max магистрального канала Q = 14,7.

Уклон дна i = 0,00058.

Грунты - плотные лёссы.

Коэффициент шероховатости n = 0,0275.

Отношение глубины перед перепадом к h_кр.

2.1.1 Расчёт распределительного канала методом Агроскина

m = 1, табл. IX[1].

n = 0,0250.

Вычисляется функция F(R_гн).

Определяется гидравлически наивыгоднейший радиус по функции

R_гн = 1,07, табл. X[1].

Вычисляем отношение

По отношению по таблице XI[1] определяем отношение

2.1.2 Расчёт сбросного канала

m = 1, таблица IX[1].

n = 0,0275. 4m₀ = 7,312.

Вычисляем функцию :

Определяем гидравлически наивыгоднейший радиус по таблице X[1] по функции . R_гн = 1,35.

Принимаем расчётный гидравлический радиус сечения

R = R_гн;

По отношению , определяем таблица XI[1]. табл. XI[1].

3. Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом Агроскина

3.1 Определение критической глубины в распределительном канале

Исходные данные: (из расчёта магистрального канала).

Расход Q = 9,8 м³/сек.

Ширина канала по дну b_ст = 8,5 м.

h_н = h₀ =1,42 м.

коэффициент заложения откоса m = 1.

Коэффициент шероховатости n = 0,025.

Уклон дна канала i = 0,00029.

Глубина воды у подпорного сооружения h_н = 3,0h₀ =3 ? 1,42 = 4,26 м.

Коэффициент Кориолиса ??= 1,1.

Ускорение свободного падения g = 9,81 м/с².

Наиболее простым способом является расчёт критической глубины методом Агроскина.

Критическая глубина для канала прямоугольного сечения определяется по формуле:

Безразмерная характеристика вычисляется по формуле

Из этого следует:

3.2 Установление формы кривой свободной поверхности

Знак числителя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубины потока у подпорного сооружения h_n с нормальной глубиной h₀.

Знак знаменателя дифференциального уравнения определяется путём сравнения глубин потока у подпорного сооружения h_n с критической глубиной.

Так как h_n = 4,26 ? h₀ = 1,42, то k ? k₀, , числитель выражения (1) положительный (+).

Так как h_n = 4,26 ? h_кр = 0,519, то поток находится в спокойном состоянии Пк ?1, знаменатель выражения (1) положительный (+).

в магистральном канале образуется кривая подпора типа A₁.

3.3 Расчёт кривой подпора в магистральном канале методом И.И. Агроскина

Гидравлический показатель русла (x) принимаем равным 5,5.

При уклоне i? ? 0 расчёт канала ведём по следующему уравнению:

,

где e_1-2 - расстояние между двумя сечениями потока с глубинами h₁ и h₂, м.

а - переменная величина, зависящая от глубины потока.

i - уклон дна канала = 0,00029.

z - переменная величина зависящая от глубин потока.

- среднее арифметическое значение фиктивного параметра кинетичности.

? (z) - переменная функция.

Переменная величина a определяется по формуле:

,

где h₁ и h₂ - глубина потока в сечениях.

z₁ и z₂ - переменные величины в сечениях между которыми определяется длина кривой свободной поверхности.

где =1,532 табл. XXIII (а)[1].

h - глубина потока в рассматриваемом сечении, м.

? - безразмерная характеристика живого сечения.

h₀ - нормальная глубина = 1,42.

?_?- безразмерная характеристика.

4. Гидравлический расчёт шлюза-регулятора в голове магистрального канала

4.1 Определение ширины шлюза-регулятора в голове магистрального канала

В состав расчёта входит:

Определение рабочей ширины регулятора при максимальном расходе в магистральном канале. Щиты полностью открыты.

Данные для расчёта:

Расход Q_max = 14,7 м³/с.

Стандартная ширина магистрального канала b_к = 8,5 м. h_max = 1,80 м.

коэффициент откоса m = 1. ?z = (0,1 - 0,3 м) = 0,1м.

Форма сопряжения подводящего канала с регулятором: раструб.

Порядок расчёта:

Определяется напор перед шлюзом регулятором H = h_max + ?z = 1,80 + 0,1 = 1,9 м.

Определяется скорость потока перед шлюзом регулятором:

Определяется полный напор перед регулятором:

? = 1,1.

Проверяется водослив на подтопление, для чего сравнивается отношение

??- глубина подтопления.

P - высота водослива со стороны НБ.

Вычисляем выражение:

Где ??_п - коэффициент подтопления.

m - коэффициент расхода водослива.

b - ширина водослива.

H₀ - полный напор.

Дальнейший расчёт ведётся в табличной форме.

Таблица 4.1

Расчёт для построения графика зависимости =f(b).

b, м.	m таб.8.6[1]	K2 таб.8.7[1]	Подтопление водослива	??п таб.22.4[1]		Примечание
			Подтоплен	Не подтоплен
1	2	3	4	5	6	7	8
6,8	0,369	0,76	+	-	0,81	2,03
5,95	0,365	0,77	+	-	0,79	1,71
5,1	0,362	0,81	+	-	0,80	1,48
4,25	0,358	0,82	+	-	0,81	1,23

Водослив считается подтопленным если , коэффициент подтопления определяется по табл. 8.8[1].

По данным таблицы 4.1 строится график зависимости и по графику определяется искомая ширина b.

.

Принимаем регулятор однопролётный шириной 4,2м.

5. Расчёт водосливной плотины

В состав расчёта входит:

Выбор и построение профиля водосливной плотины (без щитов).

Определение ширины водосливной плотины и определение щитовых отверстий при условии пропуска расхода Q = Q_max.

Исходные данные:

Уравнение для реки в створе плотины: - коэффициент «а» 12,1.

коэффициент «b» 20.

Расход Q_max = 290 м₃/с.

Отметка горизонта воды перед плотиной при пропуске паводка ПУВВ - 60,3 м.

Ширина реки в створе плотины, В - 24 м.

Ширина щитовых отверстий 5,0.

Толщина промежуточных бычков t, 1,0 - 1,5 м.

Тип гасителя в нижнем бьефе: водобойная стенка.

Порядок расчёта:

Выбор профиля водосливной плотины.

Водосливная плотина рассчитывается по типу водослива практического профиля криволинейного очертания (за расчетный принимаем профиль I).

Полная характеристика: водослив практического профиля, криволинейного очертания, с плавным очертанием оголовка, безвакуумный.

Определение бытовой глубины в нижнем бьефе плотины (h_б).

Для определения (h_б) при заданном расходе необходимо по заданному уравнению построить график зависимости Q = f(h_б). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Табл. 5.1

Расчёт координат графика зависимости функции Q = f(h_б).

hб, м.	hб2	ahб2	bhб2
1	1	12,1	20	32,1
2	4	48,4	40	88,4
3	9	108,9	60	168,9
4	16	193,6	80	273,6
5	25	302,5	100	402,5

Определение ширины водосливной плотины и числа водосливных отверстий при пропуске заданного расхода:

1. Определяем профилирующий напор перед плотиной

где - ?ПУВВ - отметка подпёртого уровня высоких вод (max отметка возможная в водохранилище).

?Г = ?НПУ = ?НПГ = 58 м. где ?НПУ - нормальный подпёртый уровень.

Принимаем скорость подхода перед плотиной V₀ ? 0 ? , тогда полный напор равен H₀ = H_пр.

Принимаем коэффициент расхода водослива при H₀ = H_пр = 2,3 м, для профиля [1] m=0,49.

Определяем высоту водосливной плотины P = ?Г - ?дна = 58 - 49,2 = 8,8 м.

Проверяем условие подтопления водосливной плотины. Для этого сравниваем высоту плотины с бытовой глубиной. P = 8,8 ? h_б = 4,2 - плотина не подтоплена. ?_п=1. Принимаем коэффициент бокового сжатия ? =0,98.

Вычисляется ширина водосливной плотины в первом приближении:

Сравниваем вычисленную ширину водосливной плотины с шириной реки в створе плотины. b = 39,08 ? B_р = 24,0 м (ширина плотины больше ширины реки). Так как ширина плотины больше ширины реки - это значит, что отметка гребня плотины (?Г) равная ?НПГ (нормальный подпёртый горизонт) не обеспечивает при профилирующем напоре пропуск максимального расхода. В этом случае рекомендуется: 1. Понизить отметку гребня водосливной плотины увеличив тем самым профилирующий напор и пропускную способность плотины. 2. На ряду с водосливной плотиной спроектировать глубокие донные отверстия, отметки порога которых ниже отметки гребня водосливной плотины.

Принимаем за расчётный 1 вариант, т.е. понижаем отметку гребня водосливной плотины по всему водосливному фронту.

5.1 Определение отметки гребня водосливной плотины

Принимаем ширину водосливной плотины равной ширине реки: B_пл = B_р = 24 м.

Определяем число пролётов: t = 1; b_пр = 5,0 м.

Определяем расход проходящий через один пролёт водосливной плотины

Принимаем коэффициент расхода водосливной плотины m = 0,49.

Принимаем, что водосливная плотина не подтапливается ?_п = 1.

Выражаем расход проходящий через 1 водосливной пролёт по формуле:

Определение величины понижения отметки гребня водослива графоаналитическим способом. Строим график зависимости = f(h). Расчёт координат этого графика ведётся в табличной форме.

Таблица 5.2

Расчёт графика зависимости = f(h).

h, м	=Hпр + h		E
0,5	2,8	4,68	0,96	4,49
1	3,3	5,99	0,95	5,69
1,5	3,8	7,41	0,95	7,04
2	4,3	8,92	0,94	8,38

,

где a = 0,11, табл. 22.29[2]. b_пр - ширина пролёта 5 м.

По данным таблицы строим график.

5.2 Построение профиля водосливной плотины

Построение профиля водосливной плотины выполняется по способу Кригера - Офицерова.

Для построения профиля по этому способу необходимо умножить на единичные координаты приведённые в таблице 8.2 [1]. Расчёт координат сливной грани плотины и профиля переливающейся струи сводим в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Координаты сливной грани плотины и переливающейся струи.

X, м.	Y, м.
	Очертание кладки	Очертание струи
		Внешняя поверхность	Внутренняя поверхность
0,00	0,453	-2,991	-0,454
0,36	0,129	-2,891	-0,129
0,72	0,025	-2,779	-0,025
1,08	0,000	-2,664	0,000
1,44	0,025	-2,527	0,025
2,16	0,216	-2,232	0,227
2,88	0,529	-1,839	0,551
3,60	0,921	-1,368	0,961
4,32	1,414	-0,788	1,476
5,04	2,034	-0,108	2,124
6,12	3,142	1,098	3,312
7,20	4,446	2,495	4,716
9,00	7,056	5,400	7,560
10,8	10,166	9,000	11,196
12,6	13,744	13,176	15,336
14,4	17,748	18,000	20,196
16,2	22,392	23,544	25,74

Во избежании удара внизпадающей струи о дно нижнего бьефа, сливную грань плотины сопрягают с дном при помощи кривой радиуса R, так чтобы предать струе на выходе горизонтальное или близкое ему направление. Радиус принимаем по таблице 8.3[1]. При P ? 10 м R = 0,5P.

По данным таблицы на миллиметровке строится профиль водосливной плотины и переливающейся струи.

6. Гидравлический расчёт гасителей

6.1 Определение формы сопряжения в нижнем бьефе водосливной плотины методом И.И. Агроскина

Определяем удельный расход водосливной плотины:

Вычисляется удельная энергия потока в верхнем бьефе:

Определяется вторая сопряжённая глубина , для чего вычисляется функция: ф(?_с).

где ? - коэффициент скорости (?=0,95). По вычисленной функции ф(?_с) определяется глубина табл. XXIX[1].

Сравниваем с h_б: - сопряжение в НБ, происходит в форме отогнанного гидравлического прыжка, для гашении энергии в нижнем бьефе проектируется гаситель (водобойная стенка).

6.2 Гидравлический расчёт водобойной стенки

Определяем высоту водобойной стенки.

Определяется скорость потока пред водобойной стенкой:

Где ??? коэффициент запаса = 1,05. - вторая сопряжённая глубина = 5,33 м. Определяется напор над водобойной стенкой без скоростного напора:

Вычисляется высота водобойной стенки.

Вычисляем удельную энергию потока перед водобойной стенкой:

Вычисляется функция ф(?_с).

где ? - коэффициент скорости, для водобойной стенки ?=0,9.

Определяется относительная глубина по вычисленному значению функции ?_с, при коэффициенте скорости ?, по табл. XXIX[1]. = 0,6644.

Вычисляется вторая сопряжённая глубина после водобойной стенки:

Сравнивается с h_б и устанавливается форма сопряжения за стенкой:

=3,87 ? h_б = 4,2 - сопряжение за водобойной стенкой происходит в форме надвинутого гидравлического прыжка и стенка работает как подтопленный водослив, в этом случае напор над стенкой увеличивается, а высота водобойной стенки уменьшается.

10. Расчёт длины колодца:

Длина колодца 16 метров.