Гидравлический расчет узла гидротехнических сооружений

Кафедра «Гидравлика»

Курсовая работа

«Гидравлический расчет узла гидротехнических сооружений»

Минск 2009

Содержание

Содержание..................................................................................................... 2

Задание............................................................................................................ 3

1. Расчет магистрального канала................................................................... 5

1.1Определение размеров поперечного сечения......................................... 5

1.2 Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего сечения....................... 9

1.3 Определение нормальных глубин для заданных расходов Q_min, Q, Q_max и построение кривой Q=f(h)............................................................................... 9

1.4 Определение типа и построение кривой свободной поверхности........ 11

2. Расчет сбросного канала........................................................................... 14

3. Расчет водозаборного регулятора........................................................... 16

4. Расчет многоступенчатого перепада........................................................ 18

4.1 Расчет входной части (щелевой водослив)............................................ 18

4.2 Расчет ступеней....................................................................................... 20

Литература.................................................................................................... 23

Задание

Магистральный канал подает воду на орошение и обводнение подкомандной ему территории. От магистрального канала отходит сбросной канал, в головной части которого устраивается регулятор. На сбросном канале предусматривается сооружение многоступенчатого перепада.

Требуется выполнить гидравлические расчеты следующих гидротехнических сооружений.

1. Расчет магистрального канала

— Определение размеров канала из условия его неразмываемости (Q_max=1,8Q) и незаиляемости (Q_min=0,75Q).

— Определение нормальных глубин для заданных расходов Q_max, Q_min, Q_н и построение кривой Q=f(h).

— Определение типа и построение кривой свободной поверхности.

2. Расчет сбросного канала

Определение размеров трапециидального сбросного канала при заданном β=b/h

3. Расчет водозаборного регулятора

Определение рабочей ширины регулятора при глубинах равномерного движения в магистральном и сбросном каналах при пропуске максимального расхода.

4. Расчет многоступенчатого перепада

— Расчет входной части

— Расчет ступеней

— Расчет выходной части

Схема гидротехнических сооружений

1. Расчет магистрального канала

Равномерное движение жидкости, т.е. движение, при котором средние скорости v, площади живых сечений ω и глубины h по длине потока остаются неизменными, наблюдается в искусственных призматических руслах (каналах), имеющих большую протяженность.

Основная расчетная формула для равномерного движения жидкости – формула Шези:

C– коэффициент Шези:

n– коэффициент шероховатости. Для плотного лесса n = 0,02

Наиболее распространенной формой сечения канала является трапецеидальная.

m =1,5

1.1

Определение размеров поперечного сечения сводится к определению ширины по дну и глубины наполнения по заданным параметрам (расход Q, уклон i, коэффициенты шероховатости n и заложения откосов m). При расчетах используется рациональное соотношение β между шириной канала по дну и глубиной наполнения.

Решив это уравнение найдем:

h=1,25 м b=3,38h=4,23 м.

Решив это уравнение найдем:

h=1,72 м ω=1,5h²+4,23h=11,68м².

Изменяем уклон дна, для этого в начале канала сделаем одноступенчатый перепад.

i=0,00015

Решив это уравнение найдем:

h=1,5 м b=3,38h=5,1 м.

Решив это уравнение найдем:

h=2,06 м ω=1,5h²+5,1h=16,81м².

Решив это уравнение найдем:

h=1,29 м ω=1,5h²+5,1h=9,04 м²R=0,93 м.

1.2 Расчет канала гидравлически наивыгоднейшего сечения

Гидравлически наивыгоднейшее сечение – такое, у которого при заданных ω, i расход Q оказывается максимальным.

Решив это уравнение найдем:

h=3,01 м b=0,61h=1,84 м.

1.3 Определение нормальных глубин для заданных расходов Q_min, Q, Q_max и построение кривой Q=f(h)

i=0,00015

Вычисления удобно свести в таблицу:

По графику можно определить нормальные глубины для заданных расходов.

1.4 Определение типа и построение кривой свободной поверхности

При проведении гидравлических расчетов неравномерного движения, например, при расчете кривых свободной поверхности, сопряжении бьефов, необходимо знать критическую глубину h_кр. Критическая глубина соответствует минимуму удельной энергии сечения и в общем случае определяется из уравнения:

α ≈1

Решив это уравнение найдем:

Критический уклон найдем по формуле:

– обычный канал.

Тип кривой а_I, кривая подпора.

Построение кривой свободной поверхности:

– относительные глубины – средняя кинетичность потока

φ(η) – определяется в зависимости от гидравлического показателя русла X и относительной глубины.

Определение:

h₁=1,5 м h₂=2,06 м С₁=50,4 C₂=52,3 B₁=9,57 м B₂=11,25 м χ₁=10,5 м χ₂=12,5 м

Гидравлический показатель русла:

Задаемся: h₁=1,79 м h₂=1,2 h₀=1,8 м, тогда , φ(η₁)=0,312 φ(η₂)=0,301

Вычисления удобно свести в таблицу:

2. Расчет сбросного канала

Решив это уравнение найдем:

h=1,37 м b=4h=5,48 м ω=5,5h²=10,32 м².

Так как скорость в канале больше размывающей, то необходимо сделать «одежду» для канала, т.е. выполнить укрепление дна и откосов. В качестве «одежды» примем гравийно-галечную обсыпку. При этом коэффициент шероховатости n=0,02 т.е. остается таким же как и до обсыпки, следовательно, скорость течения и глубина воды в канале не изменятся.

Решив это уравнение найдем:

h=0,84 м ω=1,5h²+5,48h=5,66м²R=0,67 м.

3. Расчет водозаборного регулятора

В качестве водозаборного регулятора используется водослив с широким порогом. Сопряжение водослива с широким порогом осуществляется по типу конусов. Высота водослива со стороны верхнего бьефа P назначается конструктивно в пределах P=0,25÷1 м, а толщина δ=(3÷5) H.

Коэффициент расхода m определяется в зависимости от вида сопряжения водослива с подводящим каналом и отношения P/H.

Расчет водослива с широким порогом заключается в определении его ширины, при которой перед сооружением сохраняется нормальная глубина.

Основное расчетное уравнение:

h_{маг. канала}=2,06 м h_{сбр. канала}=1,37 м

b_{маг. канала}=5,1 м b_{сбр. канала}=5,48 м

В_{маг. канала}=11,28 м b_{сбр. канала}=9,59 м

– при прямоугольном очертании быков и береговых устоев.

Задаемся P=0,4 м, тогда Н= h_{маг. канала}-Р=2,06–0,4=1,66 м.

Проверка подтопления:

Водослив считается подтопленным если , следовательно водослив не подтоплен

I приближение:

II приближение:

Окончательно принимаем: Р=0,4 м., b=4,4 м., δ=3Н≈5 м.

4. Расчет многоступенчатого перепада

4.1 Расчет входной части (щелевой водослив)

Если входная часть проектируется как щелевой водослив, то для предельных значений расходов Q_max и Q_min можно так подобрать размеры водослива, что бы равномерное движение в подводящем канале сохранялось бы при различных расходах в интервале Q_max и Q_min.

Необходимо определить среднюю ширину щели по низу «b_ср» при пропуске Q₁ и Q₂ через щель. Эти расходы определяют при нормальных глубинах:

h₀₁=h_0max-0,25 (h_0max-h_0min)=1,37–0,25 (1,37–0,84)=1,24 м

h₀₂=h_0min+0,25 (h_0max-h_0min)=0,84+0,25 (1,37–0,84)=0,97 м

Для щелевых водосливов коэффициент расхода m≈0,48, коэффициент сжатия σ_с=0,95

Окончательная ширина щели по низу определяется по формуле:

Коэффициент заложения откосов щели:δ=(0,5÷2) Н=2 м.

4.2 Расчет ступеней

Число ступеней – 3, ширина перепада b=5,5 м, удельный расход q=Q/b=12,6/5,5=2,3 м²/с.

Первая ступень.

Высота стенки падения Р₁=2 м.

Высота водобойной стенки:

Геометрический напор перед водобойной стенкой:

Полный напор перед водобойной стенкой:

Критическая глубина:

Глубина в сжатом сечении:

Вторая сопряженная глубина:

Длина колодца:

Длина прыжка:

Полный напор на щелевом водосливе:

Дальность полета струи:

Вторая ступень.

Высота стенки падения Р₂=2 м.

Высота водобойной стенки:

Геометрический напор перед водобойной стенкой:

Полный напор перед водобойной стенкой:

Критическая глубина:

Глубина в сжатом сечении:

Вторая сопряженная глубина:

Длина колодца:

Длина прыжка:

Дальность полета струи:

Третья ступень.

Высота стенки падения Р₃=2,5 м.

Бытовая глубина: h_б=h_{сброного канала}

Глубина колодца:

Величина перепада:

Критическая глубина:

Глубина в сжатом сечении:

Вторая сопряженная глубина:

Длина колодца:

Длина прыжка:

Дальность полета струи:

Литература

1. Справочник по гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г. Киселева. М.; Энергия, 1972.

2. Примеры гидравлических расчетов. Под ред. А.И. Богомолова. М.; Транспорт, 1977.

3. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л.; Энергоиздат, 1982.

4. Методические указания к курсовой работе «Гидравлический расчет узла гидротехнических сооружений» по курсу «Гидравлика» для студентов дневного обучения специальности 1203 – «Гидротехническое строительство речных сооружений и ГЭС». И.П. Вопнярский, Н.Е. Бонч-Осмоловская. Минск 1984.