 |
Расчет гидравлического прыжка
|
|
|
|
Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической в спокойное состояние с глубиной больше критической называется гидравлическим прыжком [2,3,10].
Расчет гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: h´ – первой сопряженной глубины, h˝ – второй сопряженной глубины, ln – длины гидравлического прыжка (рис 2.11).
Существует несколько методов определения характеристик гидравлического прыжка [2,3,4,8]. Студентам предлагается выполнить расчет в следующей последовательности:
1. Определить сжатую глубину hc методом последовательного
приближения
hc =, (2.25)
где q – удельный расход;
q =; (2.26)
φ – коэффициент скорости, φ = 0,9; E 0- энергия, с которой поток приходит в отводящий канал.
 |
Рис. 2.11
E 0 = Eкб, т.е. энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения
Eкб = hкб +, (2.27)
где hкб – глубина на конце быстротока, определенная по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных; υкб – скорость на конце быстротока, определяемая по формуле
υкб =. (2.28)
а) в первом приближении не учитывается hc в знаменателе. Тогда
hc 1 =; (2.29)
б) во втором приближении учитывается hc 1 в знаменателе и согласно формуле (2.25)
hc 2 =;
в) если расхождение между hc 1 и hc 2 составляет больше 5 %, то
расчет продолжаем; если расхождение составляет меньше 5 %, то
принимаем за сжатую глубину последнее числовое значение hc.
2. Рекомендуется [5,8] за первую сопряженную глубину принять глубину, равную сжатой:
h´ = hc . (2.30)
3. Определить вторую сопряженную глубину по формуле
h˝ = 0,5 · h´ [– 1]. (2.31)
4. Сделать вывод о типе гидравлического прыжка:
если h˝ > hб – гидравлический прыжок отогнанный;
|
|
|
если h˝ < hб – гидравлический прыжок затоплен (подпертый).
В случае отогнанного гидравлического прыжка для погашения энергии, с которой поток приходит с быстротока, необходимо в выходной части установить гаситель энергии.
Расчет водобойного колодца
Гашение энергии в водобойном колодце осуществляется затоплением гидравлического прыжка, образующимся в колодце при выходе потока с быстротока.
Расчет гасителя энергии за быстротоком сводится к определению глубины и длины водобойного колодца. Глубина колодца определяется методом подбора [1,2,3,8].
1. В первом приближении глубина колодца d определяется по формуле
d 1 = σ 1 · h1˝ – hб, (2.32)
где σ 1 – коэффициент запаса (1,05 – 1,10); h1˝ – выше определенная глубина, сопряженная с глубиной hc 1 = h1´ при энергии Е 01 = Eкб; hб – нормальная глубина в канале за быстротоком, она не зависит от глубины колодца и остается неизменной во втором и третьем приближении (hб = h 03).
 |
Рис. 2.12
2. Во втором приближении глубина водобойного колодца определяется с учетом глубины d 1, согласно формуле 2.32
d 2 = σ 2 · h 2 ˝ – hб.
Здесь σ 2 = (1,2 – 1,3); h2˝ определяется с учетом глубины колодца d 1, например по графику А.А. Угинчуса [1,2,4,8], или по предыдущей методике при энергии
Е 02 = Eкб + d 1. (2.33)
3. Если d 1 и d 2 отличаются более чем на 5 %, определяют глубину
колодца в третьем приближении:
d 3 = σ 2 · h 3 ˝ – hб,
где h 3 ˝ определяется также с учетом d 2, т.е. при энергии Е 03, равной
Е 03 = Eкб + d 2 .
Расчет выполнять до тех пор, пока расхождение между значениями d не будет превышать 5%.
4. Длина водобойного колодца lк, определяется, согласно рис.2.12, суммой дальности отлета струи и длины подпертого прыжка lпп:
lк = lотл + lпп . (2.34)
Существуют разные рекомендации по определению этих длин [1,3,7,9]. Воспользуемся следующими:
lотл = 0,32 · υкб; (2.35)
lпп = 0,8 · lп, (2.36)
|
|
|
где lп – длина гидравлического совершенного прыжка, определяемая по рекомендации H.R Павловского:
lп = 2,5 · ( 1,9 · h˝ – h´). (2.37)
Расчет водобойного колодца комбинированного типа аналогичен приведенному расчету [1,2,3,5,10].
Многоступенчатый перепад
Многоступенчатые и одноступенчатые перепады являются сопрягающими сооружениями, соединяющими звенья водопропускного тракта на крутых участках, со значительным перепадом отметок [2,9,10]. Существенный перепад уровней верхнего и нижнего бьефов вызывает резкое увеличение кинетической энергии потока.
Многоступенчатые перепады без водобойных колодцев являются хорошими гасителями энергии только при незначительных уклонах лога, позволяющих устраивать ступени необходимой длины с уклоном, близким к критическому. При больших же уклонах устраивают перепады с водобойными колодцами.
Расчет многоступенчатого перепада сводится к определению размеров ступеней и гасителей энергии на каждом из них. Определение числа ступеней зависит от общей высоты перепада. В дорожных водоотводных сооружениях рекомендуется назначать высоту ступени в пределах 0,8 – 1,5 м. Для того чтобы перепад хорошо вписался в местность, рекомендуется уклон перепада in 1 принимать равным уклону отводящего русла. Поперечное сечение перепада - прямоугольной формы. Гидравлический расчет ступеней перепада сводится к определению высоты водобойной стенки и длины ступени (колодца). Обычно производят расчет первой и второй ступеней, а последующие ступени устраивают такими же, как вторая (рис. 2.13).
 |
Рис. 2.13
Так как до перепада поток находился в спокойном состоянии (i 03 < iкз), то глубина над стенкой hст, по данным М.Д. Чертоусова, приближенно равна [9,10]
hст ≈ 0,7 · hкз. (2.38)
Тогда запас энергии Е 0 можно определить по формуле
Е 0 = Р + hст +, (2.39)
где Р – высота ступени перепада, в курсовой работе Р = 1,0 м; υст – скорость над ступенью перепада, определяется согласно формуле (2.28):
υст =.
Глубина в сжатом сечении и вторая сопряженная с ней определяются по формулам
hс = Е 0 –, (2.40)
hс˝ = · [– 1], (2.41)
где φ – коэффициент скорости (0,67 – 1,00) [7].
Гидродинамический напор H 0 определяется из основной расчетной
формулы водослива
|
|
|
H 0 = ()2/3, (2.42)
где σn – коэффициент подтопления, равный 1,0 (стенка работает, как свободный водослив); m – коэффициент расхода водослива (для водослива практического профиля = 0,4 – 0,44).
Высота водобойной стенки Рст, которая устанавливается в конце каждой ступени перепада для погашения энергии, определяется по формуле
Рст = σ · hс˝ – Н, (2.43)
где σ – коэффициент запаса (1,05 – 1,10); H – статический напор над водобойной стенкой, которая работает, как водослив практического профиля, определяется по формуле
Н = H 0 –. (2.44)
Длина ступени определяется по формуле. [1]:
lст = lотл + lпп + δ, (2.45)
где lотл – дальность отлета струн при свободном падении:
lотл = 0,32 · υст, (2.46)
lпп – длина свободного прыжка, определяется по рекомендации Ю.В.Кокорина
lп = 6 · hс˝, (2.47)
δ – толщина стенки, которая назначается обычно конструктивно, δ = 0,5 м.
Расчет второй ступени ведется с учетом высоты водобойной стенки, т.е. запас энергии берут равным
Е = Е 0 + Рст. (2.48)
Ход последующего расчета аналогичен приведенному выше расчету первой ступени перепада.
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 укрепления русла. Размеры и тип крепления
назначают на основании гидравлических расчетов исходя из условия
свободного растекания потока на плоском дне. Исходными данными для
определения размеров укрепления служат глубина и скорость потока на
данных участках, характер грунтов, слагающих русло, а также уклон
русла.
Существует три типа укрепления русел:
1) сборными бетонными и железобетонными плитами;
2)монолитным бетоном;
3) мощением или наброской камней.
Размер укрепляемого участка русла принимают с учетом типа укрепления. Границы укрепляемого участка назначают на основании эпюры растекания потока. Тип укрепления русел выбирают на основании технико-экономических показателей [3,4].
|
|
|
Наряду с традиционными типами укрепления выходных русел может быть использована дешёвая, легкая и технологичная мягкая конструкция, позволяющая на 20–40 % уменьшить глубину размыва по сравнению с
типовым бетонным укреплением и представляющая собой полотнище синтетического материала, уложенное на предварительно спланированный грунт.
В данных домашних заданиях перед студентами не ставится задача определения типа крепления и его размеров. Достаточно выяснить необходимость укрепления русла на входной части быстротока и перепада, используя расчетные зависимости п.п. 2.1.5, 2.2 и 2.3.
Список литература
1. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М.: Энергия, 1973.
2. Константинов И.М., Петров Н.А., Высоцкий Л.И. Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. 1,2. М.: Высшая школа, 1987.
3. Муромов B.C., Лившиц М.Х. Косогорные водопропускные трубы. М.: Транспорт, 1975.
4. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений / под ред. Г.Я. Волченкова. М.: Транспорт, 1992.
5. Примеры гидравлических расчетов / под ред. А.И. Богомолова М.: Транспорт, 1988.
6. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
7. СНнП 2.05.03-84. Мосты и трубы. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
8. Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. В.А.Большакова. Киев, 1984.
9. Толмачов К.Х. Автомобильные дороги. Специальные сооружения. М., 1986.
10. Чугаев PP. Гидравлика. Л., 1985.
|
|
|
