Расчет водопропускных сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Курсовая работа рассматривает расчет целого комплекса взаимосвязанных сооружений: канала (при равномерном движении потока), быстротока, гасителя энергии, многоступенчатого перепада. При расчете перечисленных сооружений необходимо решить много побочных вопросов, а именно: исследование дифференциального уравнения неравномерного движения жидкости, построения кривой свободной поверхности, необходимость гасителя энергии и т.д.

Из вышеизложенного следует, что выполнение данной курсовой работы требует знания практически всего курса гидравлики и закрепляет эти знания.

Основными нормативными документами при проектировании водоотводных сооружений являются:

1) строительные нормы и правила. Автомобильные дороги (СНиП 2.05.02-85);

2) строительные нормы и правила. Мосты и трубы (СНиП 2.01.14-83);

3) строительные нормы и правила. Определение гидрологических характеристик (СНиП 2.01.14-83);

4) инструкция по расчету стоков с малых бассейнов (ВСН 63-76).

Исходные данные

Исходные данные для курсовой работы приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Исходные данные

№ варианта	Обозначение величин
7	2.9	1.0	0,002	0,12	0.0025	45	2.5	1,5	0,0250

- расход, ;

ширина канала понизу, ;

уклон подводящего канала;

уклон быстротока;

уклон отводящего канала;

длина быстротока, ;

высота перепада, ;

коэффициент заложения откоса канала;

коэффициент шероховатости стенок канала.

1. Гидравлический расчет водопропускных сооружений

1.1 Подводящий канал

Устройство подводящего канала необходимо для принятия вод, стекающих по склонам к логу, и подведения к трубе, мосту или быстротоку. Искусственные подходные русла должны обеспечивать пропуск всего расхода без их переполнения.

Расчёт подводящего канала сводится к определению нормальной и критической глубины, критического уклона, анализа состояния потока, определению средней скорости и обоснованию укрепления русла. Кроме этого необходимо привести расчёт гидравлически наивыгоднейшего профиля канала.

Определение нормальной глубины

Нормальная глубина это такая глубина, которая при заданном расходе установилась бы в русле, если в этом русле движение было бы равномерным.

Основная расчётная формула - формула Шези:

,	(2.1)

где площадь живого сечения, ; коэффициент Шези, ; гидравлический радиус,; уклон канала.

Для трапецеидального сечения (рис. 2.1)

	(2.2)

где глубина канала, .



Рис. 2.1.

Для определения коэффициента Шези может применятся формула Павловского:

	(2.3.)

где .

Приближенно можно считать:

При При	(2.4) (2.5)

Гидравлический радиус в общем случае определяется по формуле:

	(2.6)

где смоченный периметр, , и для трапецеидального русла может быть определен:



	(2.7)

Важным показателем при расчете является расходная характеристика (модуль расхода) :

	(2.8)

Вычисление нормальной глубины буду проводить графоаналитическим методом.

Расчет

1) Определю необходимую расходную характеристику, соответствующую нормальной глубине :

2) Задавая числовые значения произвольно выбранных глубин, я вычислю соответствующие расходные характеристики по формуле:

3)

	(2.9)

Для удобства расчет сведу в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. Расчет расходных характеристик

Расчетные формулы	Ед. изм.	Назначаемые и определяемые величины
		0,50	1,00	1,50	1,20	1,10
		0,875	2,50	4,83	3,36	3,92
		2,80	4,61	6,81	5,33	4,97
		0,35	0,54	0,75	0,63	0,59
		30,30	34,56	37,36	33,85	35,29
		14,76	63,49	152,45	95,61	79,15

3) Построю кривую по значениям глубин и соответствующих расходных характеристик.

Масштаб для построения графика выбираю следующий: для оси глубин в 1 см по вертикали вкладывается (1:20), для оси расходных характеристик масштаб произвольный (рис. 2.2).

4) Из графика видно, что при числовом значении , величина нормальной глубины принимает следующие значение .

В качестве второго метода определения нормальной глубины применю метод профессора Б.А. Бахметова.

1) Задаю две произвольно выбранные глубины, , и вычислю для этих глубин , . Из таблицы 2.1 , .

2) Из соотношения:

нахожу гидравлический показатель русла:

;

;

если предположить что , то можно написать равенство:

;

задам значения: из таблицы 2.1 .

,

.

Определение критической глубины

Критической глубиной называется глубина, отвечающая минимуму удельной энергии сечения.

Если задано поперечное сечение русла, а также расход , то критическая глубина определяется из уравнения:

	(2.10)

где удельная энергия сечения, , определяемая по формуле:

	(2.11)

Для дорожно-мостового и аэродромного строительства при движении жидкости в каналах коэффициент Кариолиса принимают .

Дифференцируя выражение (2.11) по из условия при глубине, равной критической, получаем уравнение критического состояния потока:

	(2.12)

где: ускорение свободного падения, .

площадь живого сечения при критической глубине, .

ширина канала поверху при критической глубине, (рис. 2.3).

	(2.13)

Рис. 2.3.

Для определения критической глубины буду использовать метод подбора.

Расчет

1) Из уравнения критического состояния потока при заданном расходе определю числовое значение величины ;

.

Задавая числовые значения произвольно выбранным глубинам, вычислю соответствующие значения . Для удобства расчет сведу в таблицу 2.2.

Таблица 2.2. Определение критической глубины

0,5	0,875	2,50	0,27
0,75	1,590	3,25	1,24
0,6	1,140	2,80	0,53
0,65	1,280	2,95	0,71
0,7	1,440	3,10	0,96

2) Построю кривую . Масштаб для построения приму следующий: для оси глубин - 1:20, для оси в 1 см вкладывается 1.

Из графика видно, что при , .

В качестве второго метода применю метод Киселева:

;

,

Тогда по графику Киселёва [1,10] определю:

Определение критического уклона

Критическим уклоном называется такой уклон, при котором заданный расход проходит по каналу в условиях равномерного движения с глубиной, равной , т.е. при соблюдении равенства:



Для определения критического уклона использую следующую формулу:

	(2.14)

где:

< 1

или

Сравню полученное значение с заданным и полученное значение с .

Т.к. и , то можно сделать вывод что поток находится в спокойном состоянии.

Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего профиля (поперечного профиля)

Гидравлически наивыгоднейшим профилем (ГНП) называется такой профиль, у которого при заданной площади поперечного сечения , уклоне , шероховатости и коэффициенте заложения откоса пропускная способность оказывается наибольшей.

Малые каналы дорожного и аэродромного водоотвода целесообразно проектировать с гидравлически наивыгоднейшим сечением.

Для трапецеидального канала гидравлически наивыгоднейшего сечения относительная ширина определяется по формуле:

	(2.15)

При заданной площади живого сечения и уклона расход , средняя скорость течения , гидравлический радиус будут наибольшими, а смоченный периметр наименьшим. Гидравлический радиус трапецеидального канала при этом равен , т.е. равен половине глубины канала.

Для определения гидравлически наивыгоднейшего сечения, т.е. и , воспользуюсь графоаналитическим способом.

Расчет

1) Задаю числовое значение произвольно выбранным глубинам, определяю числовые значения расходов. Для удобства расчет сведу в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

0,5	0,3	0,53	0,25	28,79	0,34
1	0,61	2,11	0,5	33,94	2,26
1,1	0,67	2,55	0,55	35,37	2,99
1,05	0,64	2,33	0,53	35,11	2,66
1,07	0,65	2,41	0,54	35,24	2,79

2) Построю кривую . Масштаб для построения графика приму следующий: для оси глубин - 1:20, для оси в один вкладывается 1 .

3) На построенном графике видно, что при , .

4) Определю гидравлически наивыгоднейшею ширину, используя числовое значение относительной ширины:

Строим гидравлически наивыгоднейшее сечение. См. Приложение 1

Определение скорости течения в канале

Средняя скорость по живому сечению в канале, , определяется из формулы:

где площадь живого сечения, в котором необходимо определить скорость.

Как правило, скорость необходимо знать, чтобы выяснить, является она размывающей или нет.

Определю скорость течения воды при нормальной глубине:

;

Определю скорость течения воды при критической глубине:

.

Для канала с шероховатостью поверхностей 0.025 допустимые скорости имеют следующие значения 4.2 - 6.2 .

Сравнивая полученные значения скоростей с допустимыми, можно сделать вывод о том, что в канале скорость воды неразмывающая. Применять меры по укреплению русла ненужно.

1.2 Быстроток

При значительных расходах воды, больших уклонах и наличии воде твердых включений при благоприятных геологических условиях обеспечивающих устойчивое положение круто наклоненного лотка, наиболее целесообразны быстротоки.

Быстротоком называют искусственное сооружение (русло) с уклоном больше критического ().

Рис. 2.8.

Гидравлический расчет быстротока сводится к расчету входной части 1, лотка быстротока (водоската) 2 и выходного участка 3 (рис. 2.8),

Поперечное сечение быстротока может отличаться от примыкающих к нему участков канала (подводящего и отводящего), и тогда устраивают переходные участки, пользуясь при их расчетах рекомендациями по расчету сужающихся и расширяющихся бурных потоков.

Входная часть быстротока в этом случае представляет собой участок сужения с прямолинейными в плане боковыми стенками, сопрягающий подводящий канал с водоскатом. Ширину лотка быстротока рекомендуют принимать меньше ширины подводящего и отводящего каналов, т.к. благодаря высокой скорости течения на водоскате поперечное сечение потока невелико. Иногда входную часть устраивают в виде лотка той же ширины и формы, что и лоток быстротока. Но в том, и в другом случае гидравлический расчет входной части можно выполнить как для незатопленного водослива с широким порогом.

Ширина лотка быстротока может быть задана или определена из условия поддержания необходимой глубины потока в концевой части подводящего канала, т.е. исходя из условия поддержания в подводящем канале равномерного движения.

Уклон для входного участка принимают равным уклону дна подводящего

канала. Глубина в конце входной части (на изломе) принимается равной

критической , а при более чем двукратном превышении критической глубины над нормальной глубиной на водоскате глубина на изломе дна равна (0,7 - 0,8).

Если лоток быстротока уже, чем отводящий канал, то выходную часть устраивают в виде расширяющегося переходного участка. Характер растекания бурного потока может принимать различные формы. Достаточно равномерное распределение глубин в поперечных сечениях расширяющегося выходного участка с прямолинейными стенками может быть получено лишь при их отклонении меньше чем на 7° от оси потока.

Если ширина и глубина быстротока не ограничены и не определяются конструктивными соображениями, можно принимать гидравлически наивыгоднейшее сечение (2.1.4).

Расчет водоската заключается в определении на нем глубин и скоростей потока. Поэтому основная задача сводится к расчету и построению кривой свободной поверхности на быстротоке.

Скорость течения в лотке быстротока бывает высокой и требует применения соответствующего материала для его изготовления. Чаще всего это бетон. Из технико-экономических соображений бетонные быстротоки устраивают прямоугольного сечения ().

При высоких скоростях течения на быстротоке поток захватывает пузырьки воздуха, и в результате этого образуется водно-воздушная смесь. Это явление (аэрация) приводит к увеличению глубин, что необходимо учитывать в расчетах. Коэффициент шероховатости стенок и дна канала для аэрированного потока приближенно определяется по формуле

	(2.19)

где коэффициент аэрации, зависит от значения уклона быстротока , определяется по таблице. 2.7.

	1.33	1.33 - 2.00	2.00 - 3.33
	0.1 - 0.2	0.2 - 0.4	0.4 - 0.6

Определение критической глубины

Для прямоугольного сечения () можно воспользоваться следующей формулой:



где: удельный расход, ,

ширина лотка быстротока, принятая равной ширине понизу в подводящем канале.

Определение критического уклона

Для определения критического уклона использую следующую формулу:

где:

,

или



_,

Сравнивая с заданным уклоном можно сделать вывод, что состояние потока бурное

Определение нормальной глубины

1) Определю необходимую расходную характеристику, соответствующую нормальной глубине :

2) Задаюсь числовыми значениями произвольно выбранных глубин и вычислю соответствующие расходные характеристики по формуле:

Для удобства расчет сведу в таблицу 2.6.

Таблица 2.6. Расчет расходных характеристик

Расчетные формулы	Ед. из. м
		0,5	0,4	0.45	0.44	0.46	0.48
		0,5	0.4	0.45	0.44	0.60	0.80
		2,00	1,80	1,90	1,88	2,20	2,60
		0,25	0.22	0.24	0.23	0.27	0,31
		40,44	39,39	40,10	39,75	41,08	42,26
		10,11	7,72	8,84	8,39	12,81	18,82

3) Построю кривую по значениям глубин и соответствующих расходных характеристик.

Масштаб для построения графика выбираю следующий: для оси глубин в 1 см по вертикали вкладывается 0.2 м (1:20), для оси расходных характеристик масштаб произвольный.

4) Из графика видно, что при числовом значении , величина нормальной глубины принимает следующие значение .

Расчет кривой свободной поверхности на быстротоке

Исследуя дифференциальное уравнение неравномерного движения в призматических руслах

,

где: параметр кинетичности, сделать вывод о типе и форме кривой свободной поверхности на быстротоке.

Рис. 2.10.

Рассчитать кривую свободной поверхности на водоскате быстротока.

Существует несколько методов расчёта: Б.А. Бахметова, метод акад. Н.Н. Павловского и другие. В практике дорожно-мостового и аэродромного строительства приходится решать задачи по расчёту неравномерного плавноизменяющегося движения воды не только в призматических руслах, но и на непризматических участках каналов. Поэтому используется универсальный метод конечных разностей В.И. Чарномского.

Метод В.И. Чарномского заключается в следующем: зная глубину в одном из сечений канала, например глубину на изломе дна подводящего канала и лотка быстротока, задаёмся значением глубины в соседнем сечении и находим искомое расстояние между двумя соседними сечениями с известными глубинами по уравнению:

где изменение удельной энергии сечения в пределах выбранного участка;

уклон трения (среднее значение гидравлического уклона в пределах рассматриваемого участка).

Приведу необходимые для расчета понятия и формулы.

1) ; последняя глубина на быстротоке принимается на 5% больше нормальной глубины, т.е. ; промежуточные глубины рекомендуется задавать с интервалом 0.1 м, опираясь на удобные при последующем построении числовые значения глубин.

2) , т.к. лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса ;

3) , т.к. лоток прямоугольной формы и коэффициент откоса ;

4)

5) , где , гидравлические радиусы, соответствующие соседним глубинам;

6) , где коэффициент шероховатости с учетом аэрации потока;

7) , где , коэффициенты Шези, соответствующие соседним глубинам;

8) , где заданный расход воды, поступающий из подводящего канала;

9) , где , средние скорости в соседних сечениях;

10) ;

11) , где удельная энергия соответствующих сечений;

12) , где удельные энергии соседних сечений, причем в последующем сечении для данного типа кривой спада удельная энергия сечения больше, чем в предыдущем;

13) ;

14) , т.к. расчет кривой свободной поверхности начинается с точки излома дна; последующее числовые значение длин определяются путем наращивания, а именно: , и т.д.

Таблица 2.7.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
0,98	0,98	2,96	0,33		42,80		2,96			1,47			0,0
				0,325		42,67		3,09	0,016		0,01	0,10
0,90	0,90	2,80	0,32		42,33		3,82			1,48			0,10
				0,315		42,40		3,43	0,021		0,06	0,61
0,80	0,80	2,60	0,31		42,26		3,63			1,54			0,71
				0,300		41,98		3,89	0,029		0,12	1,32
0,70	0,70	2,40	0,29		41,69		4,14			1,66			2,03
				0,280		41,39		4,49	0,042		0,25	3,21
0,60	0,60	2,20	0,27		41,08		4,83			1,91			5,24
				0,260		40,76		5,32	0,065		0,48	8,73
0,50	0,50	2,00	0,25		40,44		5,80			2,09			13,97
				0,245		40,27		6,05	0,092		0,17	6,07
0,46	0,46	1,92	0,24		40,10		6,30			2,29			20,04

Построение кривой свободной поверхности на водоскате быстротока

Кривая свободной поверхности строится в виде графика с вертикальной осью глубин и горизонтальной осью длин (рис. 2.10).

На графике обязательно указываются линии критических К-К и нормальных N-N глубин.

1.3 Отводящий канал

Для защиты от размыва низового откоса земляного полотна дороги и выходной части водопропускного сооружения часто устраивают водоотводные искусственные русла, по своей конструкции мало отличающееся от подходных русел. Вода, выходящая из отверстия сооружения, часто обладает ещё большой энергией, т.е. повышенной против его естественного состояния разрушительной силой. Опыт эксплуатации водопропускных сооружений показывает, что если не предусмотреть специальных мер, отводные русла на выходе из сооружений сильно размываются, что иногда приводит к авариям сооружений.

Мерами против размывов водоотводных русел, т.е. способами гашения потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.

Известно много различных принципов гашения потока. Наиболее распространенные из них:

1) Усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов).

2) Соударение свободных струй в атмосфере;

3) Рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;

4) Сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке - напорные гасители;

5) Отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);

6) Силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путем установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и т.п.

Определение гидравлических характеристик потока

Для определения нормальной глубины отводящего канала воспользуюсь графиком , построенном в подразделе 2.1.1, предварительно вычислив расходную характеристику , соответствующую нормальной глубине .

Из графика видно, что при числовом значении , величина нормальной глубины принимает следующие значение .

Критическая глубина не зависит от уклона дна, поэтому сохранится неизменной на протяжении всего призматического русла:

Соответственно не изменится и критический уклон:

Сравню полученное значение с заданным и полученное значение с .

т.к. и .

то можно сделать вывод, что поток находится в спокойном состоянии.

Выясняя условие сопряжения бьефов быстротока и отводящего канала, приходим к следующему выводу: при смене уклонов на возникает гидравлический прыжок.

Расчет гидравлического прыжка

Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической называется гидравлическим прыжком.

Рис. 2.12.

Расчет гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: второй сопряженной глубины, длины гидравлического прыжка (рис. 2.12).

Выполняю расчет в следующей последовательности: определю сжатую глубину методом последовательного приближения:

,

где удельный расход;



коэффициент скорости, ;

энергия, с которой поток приходит в отводящий канал.

, т.е. энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:

где: глубина на конце быстротока, определяется по кривой свободной поверхности при длине , указанной в исходных данных; при

скорость на конце быстротока, определяется по формуле:

В первом приближении не учитывается в знаменателе тогда

Во втором приближении учитывается в знаменателе тогда

т.к. расхождение между и составляет больше 5% то продолжаем расчет:



т.к. расхождение между и составляет меньше 5% то принимаем за сжатую глубину последнее числовое значение h_c.

Рекомендуется за первую сопряженную глубину принять глубину равную сжатой:

Определю вторую сопряженную глубину по формуле:

Принимаем

Сделаем выводы о типе гидравлического прыжка:

т.к. то гидравлический прыжок затопленный.

Значит, в выходной части устанавливать гаситель энергии ненужно.

2. Укрепление русел

При изменении уклонов, на входном и выходном участках быстротока, на входной части перепада скорость потока в большинстве случаев превосходит допустимую скорость по грунту. В этих условиях требуется устройство укрепление русла. Размеры и тип крепления назначают на основании гидравлических расчётов, исходя из условия свободного растекания потока на плоском дне. Исходными данными для определения служат глубина и скорость потока на данных участков, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон русла.

Существуют три типа укрепления русел:

1) Сборными бетонными и железобетонными плитами;

2) Монолитным бетоном;

3) Мощением или наброской камнем.

Размер укрепляемого участка русла принимают с учётом типа укрепления. Границы укрепляемого участка назначают на основании эпюры рассекания потока. Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей.

Наряду с традиционными типами укрепления выходных русел может быть использована дешёвая, лёгкая и технологичная мягкая конструкция, позволяющая на 20-40% уменьшить глубину размыва по сравнению с типовым укреплением и представляющая собой полотнище синтетического материала, уложенное на предварительно спланированный грунт.

В данной курсовой работе не ставится задача определения типа крепления и его размерах. Достаточно выяснить необходимость укрепления русла на входной части быстротока и перепада.

3. Экология дорожных водопроводящих сооружений

гидравлический канал быстроток русло

В нашей стране охрана природы стала всенародной задачей. Приняты важнейшие законодательные акты природоохранного содержания. Строительство и последующая эксплуатация дорог оказывает многофакторное влияние на прилегающую к ним территорию как с нагорной стороны, так и ниже трассы доги. При строительстве дороги в полосе отвода, а часто и вне ее нарушается естественный рельеф местности, меняется состав и состояние верхнего слоя почвы, разрушается растительный покров, существенно меняются условия формирования и характеристики поверхностного стока, водный режим территории.

Размыв почвы и подстилающих пород, образование оврагов представляет угрозу как земельному фонду, так и устойчивости дорожных сооружений и их элементов. Насыщение водных потоков твёрдыми частицами при размыве и перенос последних создают предпосылки противоположного процесса - заиления.

В нижнем бьефе дорожных водопропускных сооружений наиболее массовым процессом является размыв и оврагообразование. Это процесс может распространяться на значительные расстояния от дороги вплоть до

нескольких километров. Первопричина отмеченного негативного явления - концентрация стока, перевод его из склонового в русловой. Для сопрягающих сооружений характерны переливы, особенно на сочленениях водоотводящих систем и резких их поворотах, что так же приводит к крупномасштабным размывам, появлению оврагов.

Водная эрозия почвы вызывается движением воды по поверхности земли. В естественных условиях возникает нормальная, геологическая эрозия - смыв поверхностных слоёв при образовании стока талых, ливневых и смешанных вод.

Ускоренная эрозия возникает как результат хозяйственной деятельности человека без учёта особенностей естественного процесса эрозии. Как показывают многочисленные примеры, строительство дорог - одно из основных направлений производственного воздействия человека на природу, инициирующее ускоренную эрозию.

Самые негативные последствия имеет концентрация поверхностного стока системами дорожного водоотвода. Распределенный обычно по ширине в сотни метров склоновый сток переводится этими сооружениями в сосредоточенные потоки, удельный расход которых обычно на порядок превышает естественный на склоне. Это вызывает аналогичное увеличение скорости течения, далеко превышающее допускаемые. Поэтому размывы и образования оврагов за дорожными сооружениями носят массовый характер.

На всех этапах от изысканий и проектирования до эксплуатации водопроводящих сооружений необходимо принятие соответствующих мер по защите окружающей среды. В первую очередь следует предусмотреть предотвращение ил уменьшение наиболее массовых последствий от строительства дорожных сооружений: размывов за ними и оврагообразования, заиления, затопления и заболачивания.

За водопроводящими сооружениями необходимо укрепление отводящих русел до подошвы склона и устройство водобойных сооружений в конце крепления с обеспечением расширения потока. При большом удалении трассы от подошвы склона крепление отводящего русла, обычно в виде бетонного лотка, может вызвать значительные затраты, а его отсутствие - появление размыва и развития оврага. Прогноз обязательно учитывать концентрацию и перераспределение стока дорожными сооружениями.

При решении конкретных задач экологии дорожного строительства в том или ином районе необходим учёт всего комплекса региональных особенностей.

Литература

1. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1973.

2. Примеры гидравлических расчетов / под ред. А.И. Богомолова М.: транспорт, 1975.

3. Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. В.А. Большакова Киев, 1984.

4. Методические указания к курсовой работе по гидравлике для студентов факультета АДМ. Составитель Тамара Петровна Троян. Омск, изд. СибАДИ 2002.

5. Чугаёв Р.Р. Гидравлика. Л., 1985.

6. Константинов Н.М., Петров Н.А., Гидравлика, гидрология, гидрометрия. 1987.

Размещено на Allbest.ru