Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный

архитектурно-строительный университет

Кафедра гидравлики

КУРСОВАЯ РАБОТА

Выполнил студент гр.293 Зотов А.И.

Проверил: ст. преподаватель Янченко М.А.

Нижний Новгород - 2013

Введение

гидравлический расчет гидроузел

На основании исходных данных требуется выполнить гидравлические расчеты комплекса сооружений гидроузла. Из условия пропуска назначенных расходов необходимо определить габариты сооружений, назначить число водосливных отверстий, проанализировать скоростные значения водного потока с целью решения задачи крепления откосов берегов и дна.

Комплекс гидроузла состоит из следующих сооружений: водосливная плотина, глухие плотины, здание ГЭС, шлюз-регулятор, магистральный канал, многоступенчатый перепад. На рис.1 представлена схема компоновки гидроузла.

Рисунок 1 - Схема компоновки сооружения гидроузла

1. Расчет канала на равномерное движение воды

(5)

(6)

(7)

Подставляя формулы (2) и (3) в формулу (1) после преобразований можно получить модуль расхода удельной шероховатости

(8)

Дано:

m=2

b=5 м

i=0,0005

n=0,018

• Для определения глубины потока в канале проводятся вспомогательные вычисления (табл.1). Для этого предварительно вычисляется значение в общем виде.

(9)

• Это значение должно попасть в вилку при построении графика, таблица заполняется подбором.
• Таблица 1 - Вспомогательные вычисления к определению глубины воды в канале

№ п/п	Расчетная величина	Единица измерения	Попытки
			1	2	3	Уточнен. величина
1	2	3	4	5	6	7
1	Глубина, h	м	1,0	5,0	3,5	4,0
2	Площадь сечения,		7,0	75,0	42,0	52,0
3	Смоченный периметр,	м	9,47	27,4	20,6	22,88
4	Модуль расхода,		5,7	148,0	67,4	88,55

По данным табл. 1 строится график. При графическом решении обязательно создается погрешность, поэтому для получения значения при надо провести уточнение. Определяется действительная скорость воды в канале

(10)

По [3, табл.2 или 3] полученная скорость сравнивается с допустимыми значениями и делается вывод, размывается канал или нет и нужно ли его крепить.

Скорость воды в канале превышает V_доп.. Канал размывается и его необходимо крепить.

2. Неравномерное установившееся безнапорное движение воды

2.1 Расчетные зависимости для определения критической глубины

Критическая глубина потока в канале определяется по зависимости

, (11)

где коэффициент Кориолиса; Q =110 м³/с? расход воды в канале; g=9,81 ? ускорение свободного падения; ? площадь живого сечения при критической глубине; ширина воды в канале поверху при критической глубине.

,

2.1.1 Определение критической глубины в канале

Для определения критической глубины выполняются предварительные расчеты в табличной форме, табл.2.

Таблица 2 ? Вспомогательные вычисления к определению критической глубины в канале

№ п/п	Расчетная величина	Единица измерения	Попытки
			1	2	3	Уточненн величина
1	2	3	4	5	6	7
1	Глубина,	м	1,0	3,0	2,5	2,7
2	Площадь сечения,		7,0	33,0	25,0	28,08
3	Ширина воды в канале поверху,	м	9,0	17,0	15,0	15,80
4			38,1	2113,9	1041,6	1396,3

По результатам табл.2 строится график.

2.1.2 Определение критического уклона в канале

Критический уклон в канале определяется по формуле:

• (12)

2.2 Определение числа Фруда при глубине равномерного движения

Критерий Фруда находится по зависимости:

(13)

где ? средняя скорость движения потока воды в канале, м/с²; м ? средняя глубина потока в канале, принимается по табл.1

2.3 Характер режима движения воды в канале

• Дано:

Получаем:

При этих условиях характер движения потока будет спокойный.

2.4 Определение вида кривой свободной поверхности в канале

Дано:

2.5 Построение кривой свободной поверхности в канале

Расчет свободной поверхности в канале проводится по методу Б.А. Бахметева

(14)

где = 4 м ? глубина равномерного движения воды в канале; l =6000м ? длина участка канала; i =0,0005 ? уклон канала =5 м - глубина воды в конце канала; ? относительная глубина

(15)

(16)

? некоторый расчетный безразмерный параметр

(17)

? функции, определяемые по таблицам Бахметева в зависимости от гидравлического показателя русла . Для определения величины используется график [1, рис.4].

Расчет глубины и расстояния l ведется в табличной форме (табл.3). Для удобства расчета длина канала L разбивается на 4 участка, произвольно, длина каждого участка вычисляется по формуле Бахметева

(18)

Таблица 3 ? Построение кривой свободной поверхности

№ п/п	Глубина
1	4,20	5,00	0,84	1,25	0,364	0,0716	4,6	23,4
2	4,40	5,00	0,88	1,25	0,325	0,0716	4,7	23,8
3	4,60	5,00	0,92	1,25	0,258	0,0716	4,8	24,2
4	4,80	5,00	0.96	1,25	0,229	0,0716	4,9	24,6

					l
25,57	65,3	2,55	64,9	0,216	5113,9
26	67,7	2,6	65,1	0,217	4547,3
26,5	70,1	2,65	65,35	0,218	3806,1
26,9	72,5	2,7	65,56	0,220	3302,2

3 Шлюз регулятор

Шлюз-регулятор служит для организованного забора воды из водохранилища и подачи ее в канал.

Он состоит из ряда водопропускных отверстий перекрываемых плоскими затворами. Водопропускные отверстия разделяются промежуточными бычками. С берегами шлюз-регулятор сопрягается посредством береговых устоев.

Цель расчета заключается в определении габаритных размеров шлюза-регулятора, определении напора на гребне, подборе плоских затворов.

1 ? порог водослива

2 ? водосливные пролеты

3 ? промежуточные бычки

4 ? береговые устои

5 ? затворы

Расчет шлюза-регулятора проводится методом последовательных приближений. Вначале многие расчетные величины задаются. В процессе расчета они уточняются, поэтому расчет делится на 2 стадии:

? предварительную

? уточняющую

3.1 Предварительная стадия расчета

1. В первом приближении выбирается значение , где ? коэффициент бокового сжатия струи, принимается ; m ? коэффициент расхода шлюза-регулятора, который определяется по [3, табл.5]

2. Рассчитывается ширина водосливного фронта

(19)

где b ? ширина канала по дну, м; m ? заложение откоса канала; h ? высота воды в канале

3. Определяется затопляемость водослива. Для этого принимается 2 величины:

? подтопление, при

(20)

? критическая глубина

(21)

Проверяется условие:

Водослив подтоплен.

4. Находится напор на пороге водослива из формулы для подтопленного водослива:

(22)

=0,98 - определяется по [3, табл.6]

5. Вычисляются габариты затвора

(23)

Принимается стандартное значение по [3, табл.7]:

Ширина водосливного отверстия принимается:

(24)

5. Уточняется число водосливных отверстий

(25)

Принимается

6. Выбирается толщина бычка

(26)

Толщина бычка обычно делается кратной 5. Минимальная толщина 1 м

Принимается ширина бычка

Назначается число промежуточных бычков

(27)

Принимается форма оголовка бычка. Берется самая распространённая

7. Находится общая ширина водосливного фронта шлюза-регулятора

(28)

На этом предварительная стадия расчёта заканчивается. Дальнейший расчет связан с уточнением намеченных размеров.

3.2 Уточнённый расчёт шлюза - регулятора

1. Принимается действительная ширина водосливного фронта

(29)

2. Определяется затопляемость водослива. Для этого в формулу (21) подставляется В_Д:

Проверяется условие:

Водослив подтоплен.

3. Определяется величина из формулы (22), при

Предварительно вычисляется коэффициент бокового сжатия ? по формуле Френсиса:

(30)

где =2 - число боковых сжатий; .

Определяется , далее по [3, табл.6] определяется

4. Находится геометрический напор на водосливе

 (31)

где V - скорость подхода воды к шлюзу-регулятору, м/с

(32)

5. Проверяется высота затвора на шлюзе-регуляторе. - перелива воды через затвор не будет.

6. Назначается длина порога шлюза-регулятора

7. Вычисляются отметки сооружения

4 Гидравлический расчет водосливной плотины

Водосливная плотина состоит из ряда водопропускных отверстий перекрываемых плоскими затворами. В плотине предусматриваются промежуточные быки и береговые устои. С помощью береговых устоев плотина сопрягается с соседними сооружениями гидроузла. Плотина предусмотрена по типу безвакуумного водослива.

Цель расчёта заключается в определении габаритных размеров плотины и высотных отметок её элементов.

Дано:

м³/

м³/с м³/с

є

є

м

м

м

Расчёт выполняется методом последовательных приближений и проводится в 2 стадии, в виду ответственности плотины как напорного сооружения.

4.1 Предварительный расчёт водосливной плотины

1. Определяем расчётный расход водослива

(33)

2. Находится общая ширина водосливного фронта

(34)

3. Определяется напор на гребне водослива, исходя из формулы расхода на водосливе

(35)

где:у_п ?коэффициент подтопления, вначале расчёта принимается равным 1, то есть считается, что водослив не подтоплен; ??коэфициент бокового сжатия, также вначале принимается равным 1;

? коэффициент расхода

На данной стадии расчёта полагаем, что скорость подхода воды к плотине меньше V<1 , поэтому величиной скоростного напора пренебрегаем и из формулы следует, что

4. Подбирается высота затвора по формуле (23)

Принимается стандартное значение по [3, табл. 7]

5. Назначается ширина водосливного пролёта

(36)

Принимается стандартный размер по [3, табл. 7]

6. Число отверстий определяется по формуле (25)

7. Определяется действительная величина ширины водосливного фронта

(37)

8. Находится толщина промежуточных бычков по формуле (26)

Принимается кратной 5:

9. Определяется количество бычков

(38)

На этом предварительная стадия расчёта заканчивается.

4.2 Уточнённый расчёт размеров водосливной плотины

Расчёт заключается в определении истинного геометрического напора Н. При этом расчёте вводятся дополнительные коэффициенты, уточняющие формулу расхода.

Определяется глубина в нижнем бьефе

(39)

1. Находится удельная энергия потока перед сооружением

(40)

2. Вычисляется глубина воды перед напорным сооружением

(41)

В формулу расхода Q на водосливе входят величины (коэффициенты), находящиеся в сложной зависимости от глубины Н на гребне водослива. Поэтому задача решается методом подбора с помощью графического построения. Для этого следует задаваться рядом значений и для каждого значения находить соответствующие коэффициенты, а затем расходы . Результаты сводятся в табл. 4. По данным этой таблицы строится график - рис.9, по которому определяется истинное значение геометрического напора Н на гребне водослива.

3. Предварительно вычисляется скорость подхода воды к плотине

, м/с (42)

где: щ - площадь живого сечения, м² =1148 м² V>1 м/с, следовательно скоростной напор учитывается.

Таблица 4 - Определение истинного напора на гребне водослива

№	Величина	Ед. изм.	Попытки
			1	2	3
1	2	3	4	5	6
1	Геометрический напор на гребне	м	4,748	3,000	1,500
2	Полный напор	м	4,835	3,027	1,587
3	Высота водослива со стороны нижнего бьефа	м	9,252	11,000	12,500
4	Высота водослива со стороны верхнего бьефа	м	9,252	11,000	12,500
5	Величина подтопления	м	?	?	?
6	Перепад уровней бьефов	м	10	10	10
7	Значение условия подтопления	?	?	?	?
8	Оценка затопляемости	?	не подтоплен
9	Коэффициент затопляемости	?	1	1	1
10	Коэффициент бокового сжатия	?	0,944	0,964	0,981
11	Приведённый коэффициент расхода	?	0,494	0,497	0,499
12	Значение коэффициента формы , по [3, табл.9]	?	0,9815	0,9815	0,9815
13	Коэффициент расхода	?	0,485	0,488	0,490
14	Расход	м3/с	1552,35	813,74	306,49

По результатам таблицы строится график - рис.8.

Принимается геометрический напор на гребне Н=4,486 м.

5. Проверяется возможность перелива воды через верх затвора, чтобы этого не произошло должно выполняться условие

(43)

5,5 м > 4,486 м

где : H₃ определяется по п.4 раздела 4.1; H_ПРОФ - H_ИСТ с графика, рис.8.

6. Определяется высота бычков и береговых устоев над гребнем
плотины

(44)

7. Находится отметка гребня плотины и отметка верха плотины

(45)

(46)

Вычерчивается схема плотины с высотными значениями элементов - рис.9.

Рисунок 9 - Схема высотных отметок водосливной плотины

4.3 Гидравлический расчёт нижнего бьефа плотины

Дано:

В_В - ширина водосливного фронта с учётом бычков:

(47)

м

Т₀ - удельная энергия потока:

(48)

м

Расчёт выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется удельный расход рисбермы

(49)

2. Находится глубина потока в сжатом сечении методом приближения

(50)

где: - коэффициент скорости; . Т.к. глубина находится в обеих частях уравнения, то задача решается методом приближений в табличной форме - табл. 5.

Таблица 5 - Определение сжатой глубины в нижнем бьефе

0	14	1,11	100%
1,11	12,89	1,15	3,48%

Полученное значение , следовательно, м

3.Вычисляется значение критической глубины в нижнем бьефе

Ширина реки в нижнем бьефе больше ширины реки плотины. Это дает право предполагать, что за плотиной формируется прямоугольное сечение.

 (51)

м

Так как , то за плотиной наблюдается бурный режим потока.

4. Вычисляется сопряжённая глубина потока

(52)

где: =1,11 м

м

Проверяется условие:

Так как (7,29 м, то наблюдается отогнанный гидравлический прыжок. При отогнанном гидравлическом прыжке скорости в НБ достаточно велики. Это приводит к интенсивному размыву дна. Для исключения этого явления необходимо предусмотреть гасители энергии падающего водного потока в виде водобойного колодца.

4.4 Расчёт водобойного колодца

На практике расчёт водобойного колодца выполняется с помощью двух зависимостей:

 (53)

где: - степень заполнения (гарантируем обеспеченность затопления потока в нижнем бьефе).

(54)

где: - глубина колодца, м

Рисунок 10 - К определению габаритов водобойного колодца

Решение поставленной задачи выполняется графически на основе расчётных данных, представленных в табл. 6.

Таблица 6 - К расчёту глубины водобойного колодца, м

3	17,087	1	7,76	8,536	7
6	20,087	0,93	8,1	8,91	10

Рисунок 12 ?Определение глубины колодца по графику

Принимаем глубину колодца d=4,75 м.

Длина водобойного колодца определяется по формуле:

(55)

где:

м

4.5 Построение профиля водосливной плотины

Сливная грань водосливной плотины строится в координатах Кригера-Офицерова. В качестве исходного параметра служит профилирующий напор м на гребне плотины.

Расчет ведется в соответствии с [3,табл.11].

Профиль водосливной плотины строится по данным табл.7.

Таблица 7 ? Координаты водосливной грани плотины

X	Y	X	Y
0	0,126	0	0,565236
0,1	0,036	0,4486	0,161496
0,2	0,007	0,8972	0,031402
0,3	0,000	1,3458	0
0,4	0,006	1,7944	0,029616
0,5	0,027	2,243	0,10692
0,6	0,060	2,6916	0,121122
0,7	0,100	3,1402	0,26916
0,8	0,146	3,5888	0,654956
0,9	0,198	4,0374	0,888228
1	0,256	4,486	1,148416
1,1	0,321	4,9346	1,440006
1,2	0,394	5,3832	1,767484
1,3	0,475	5,8318	2,13085

м

4.6 Определение высоты открытия затвора на водосливной плотине

Рисунок 13 - Схема открытия затвора

Согласно заданию (3.3.3) требуется пропустить = 0,5 при открытии затвора на величину, равную a.

Дано:

= 1430 - расход на водосливной плотине

= - расход через пролет водослив плотины, (56)

где n = 6 - число пролетов.

= = 238

Расчётный расход при частичном открытии затвора:

= 0,5*238 = 119

Расход на гребне водослива плотины, очерченный по координатам Крюгера-Офицерова при истечении из под щита рассчитывается по формуле:

Q = ц?a (57)

где ц=0,98ч0,99 - коэффициент скорости;

?=f() - коэффициент вертикального сжатия,

=12 м - ширина затвора, равная ширине водосливного пролета;

H = = 4,486 м

Т.к. величина ?=f(), то расчет выполняется методом подбора, таблица 8. При выполнении этого расчета следует иметь в виду следующее обстоятельство: при открытии a > 0,75H через отверстие протекает весь расход .

Таблица 8 - К определению высоты открытия затвора.

а, м	, м	?=f()	Qрасч = ц?a,
0,5	0,10	0,615	33,3
1,0	0,20	0,620	65,1
1,5	0,30	0,625	95,3
2,0	0,45	0,638	125,4

На основании данных таблицы 8 строится график, рис.14.

Рисунок 14 - К определению высоты открытия затвора

5 Гидравлический расчет многоступенчатого перепада

Многоступенчатый перепад проектируется прямоугольной формы. Перепад состоит из входной части, ступеней и выходной части.

Расчетный расход равен расходу в канале.

5.1 Расчет входной части многоступенчатого перепада

Входная часть рассматривается, как незатопленный водослив с широким порогом. Высота порога равна нулю. Сопряжение стенок канала с переходной частью осуществляется с помощью косых плоскостей, рис. 15.

Рисунок 15 - Сопряжение канала с верхней частью перепада

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Q_расч=Q_к= 74 - расчетный расход на перепаде.

2. Определяется ширина входной части b из формулы

Q=b.

На этом этапе =1- сжатия нет; m=0,385 - т.к. высота порога водослива = 0 [3,табл.5];

= Н +

где Н=3,526 м - глубина воды в канале из табл.1; V=2,71 м/с - скорость воды в канале по ф.10.

b = = 5,55 м

3. Уточняется величина ?

?=1-0,2?,

где ? = 0,7, по [3, рис.3].

4. Уточняется величина b

b = = = 6,17 м

5. Определяется глубина на входной части из формулы

Q = цb (58)

Величину можно вычислить по формуле:

= k, (59)

где k=0,5 определяется по [3,рис.2].

= 0,5*3,938 = 1,969 м

6. Назначается длина входной части

д = 6 (60) д = 6*3,938 = 23,628 м

5.2 Расчет многоступенчатого перепада

Независимо от высоты перепада и соответственно числа ступеней расчет выполняется только для 1-ой и для 2-ой ступеней. Размеры всех остальных ступеней принимаются по размерам 2-ой.

Размеры 1ступени по высоте назначаются в пределах от 2,5 до 4 м.

По заданию общее падение перепада Р=19 м. Назначается 5 ступеней по Р_с=3,8 м.

5.2.1 Расчет первой ступени

Рисунок 16 - К расчету 1-ой и 2-ой ступеней

1.  Определяется удельная энергия потока 1-ой ступени

= Р_с + + , (61)

где , (62)

т.к. q = =11,99 м²/с; =; Q=74 м³/с - расход воды в канале, B=6,17 м - ширина входной части, =1,969 м- глубина на входной части.

= 3,8 + 1,969 + = 7,85 м

= = 6,09

Определяется и сопряженные глубины

= , = , м,

где q = =11,99 м²/с

= = 2,526 м

Подсчет значения выполняется в табличной форме, табл.9.

Таблица 9 - Расчет величины .

	-	=	д = *100%
0	7,85	1,017	100
1,017	6,833	1,09	6,7
1,09	6,76	1,096	0,55<5

Определяется величина

= = = 4,92 м

Вычисляется напор на конце первой ступени из формулы неподтопленного водослива

Q =

= 1

= 1

= 0,42 - т.к. очертания ступени полигональные [3,табл.5]

= = = 3,464 м

1. Определяется геометрический напор

= - = 3,464- = 3,188 м,

где = , м/с (63)

где = 1,1 - запас на затопление ступени.

= = 2,22

2. Определяется высота ступени колодца

= - (64)

= 1,1*4,92 - 3,188 = 2,224 м

3. Определяется длина ступени

= + в (65)

=V₁ (66)

= 6,09 = 6,386 м

y = + (67)

y = 3,8 + = 5,394 м

в = 0,8

= 4,5 - длина прыжка

= 22,14 м

= 6,386+ 0,8*22,14 = 24,098 м

5.2.2 Расчет 2-ой и последующих ступеней

Расчет 2-ой и последующих ступеней производится аналогично расчету 1-ой ступени с некоторыми отклонениями.

1. Определяется удельная энергия потока второй ступени.

= Р_c + + =3,8 + 4,92 + = 9,054 м

= = 2,44

2. Находятся сопряженные глубины и для 2-ой ступени

Подсчет значения выполняется в табличной форме, табл.10.

Таблица 10 - Расчет величины

	-	=	= *100%
0	9,054	0,947	100
0,947	8,107	1	5,3
1	8,054	1,004	0,4<5

Определяется величина

= = = 5,2 м

3. Вычисляется напор на конце 2-ой ступени из формулы не подтопленного водослива

Q =

= 1

= 1

= 0,42 - т.к. очертания ступени полигональные [3,табл.5]

= = = 3,464 м

4. Определяется геометрический напор.

= - = 3,464- = 3,217 м,

где = = = 2,1 м/с,

где = 1,1 - запас на затопление ступени.

5. Определяется высота 2-ой ступени колодца

= -

= 1,1*5,2 - 3,217 = 0,47 м

6. Определяется длина 2-ой ступени

= + в

=

= (68)

= = 4,97

= 4,97 = 4,653 м

y = + = 3,8 + = 4,3 м

в = 0,8

= 4,5 - длина прыжка

= 4,5*5,2 = 23,4 м

= 4,653+ 0,8*23,4 = 23,373 м

5.3 Расчет выходной части

Расчет заключается в подборе формы сопряжения потока на выходе с многоступенчатого перепада с нижним бьефом. Нижний бьеф при этом представляется каналом. Расчет выполняется в следующей последовательности.

Рисунок 17 - Выходная часть многоступенчатого перепада

1. Определяется удельная энергия потока

= Р_с + + =3,8+5,2+=9,299 м

2. Находятся сопряженные глубины

Расчет выполняется в табличной форме, табл.11.

Таблица 11 - Расчет величины h_c?

	-	=	= *100%
0	9,299	0,934	100
0,934	8,365	0,985	5,2
0,985	8,314	0,988	0,3<5

Определяется h_c^''

= = = 5,249 м

Т.к. h_c?=5,249 м > h_НБ =4 м, то проектируется водобойный колодец.

3. Рассчитываются размеры водобойного колодца

Расчет выполняется аналогично разделу 4.4 табл.6.

Таблица 12 - К расчёту глубины водобойного колодца, м

	Т0=Рс+с2 +Н2+d
1	10,52	0,879	5,632	6,195	5
3	12,52	0.805	5,938	6,532	7

Истинная глубина выясняется при построении графика - рис.18.


Рисунок 18 ?Определение глубины колодца по графику

Принимаем глубину колодца d=2,44 м.

Длина водобойного колодца

Заключение

В ходе данного курсового проекта были произведены гидравлические расчеты следующих гидротехнических сооружений, входящих в состав средненапорного равнинного гидроузла:

- водосливная плотина;

- шлюз - регулятор;

- магистральный канал;

- многоступенчатый перепад.

Литература

1.Чугаев, Р.Р. Гидравлика : учебник для вузов / Р.Р. Чугаев - Изд. 4-е, доп. и перераб. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 672 с.

2.Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. П.Г. Киселева. - М.: Энергия, 1974. - 311с.

3.Справочные материалы для расчетов каналов и водосливов: методич.указания / Под ред. Е.С. Гоголева. - Н.Новгород: Нижегород.гос.архит.-строит университет, 2001. - 37с.

Размещено на Allbest.ru