УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ
Наиболее неблагоприятной формой сопряжения бьефов является отогнанный прыжок. В случае отогнанного прыжка поток в нижнем бьефе находится в бурном состоянии, обладающем большим запасом кинетической энергии, и в результате этого может происходить размыв русла в нижнем бьефе. Для предотвращения размыва русла необходимо в зависимости от скорости потока производить его укрепление. Укрепление русла осуществляется на длину отгона прыжка и длину самого прыжка. Укрепление русла на достаточно большую длину требует значительных капитальных затрат, и в процессе эксплуатации необходимо учитывать возможные случаи разрушения его креплений. Наиболее целесообразным является то, чтобы энергия потока, сбрасываемого с водосливной плотины, гасилась в результате увеличения глубины воды непосредственно за плотиной. Гашение энергии при увеличении глубины происходит за счет турбулентного перемешивания и работы сил трения потока, сбрасываемого с плотины, и потока, находящегося в отводящем русле.
В результате увеличения глубины жидкости в нижнем бьефе форма сопряжения бьефов будет в виде затопленного прыжка. Для получения в нижнем бьефе сопряжения в виде затопленного прыжка устраиваются гасители, т.е. устройства (сооружения) для гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе.
Существуют следующие типы гасителей:
• водобойный колодец;
• водобойная стенка;
• водобойный колодец со стенкой;
• специальные гасители - ряд бетонных выступов или различные препятствия.
Водобойный колодец
Глубина нижнего бьефа увеличивается за счет понижения дна отводящего русла непосредственно в нижнем бьефе на величину ак. Такое устройство называется водобойным колодцем (рис. 9.24).
Рис. 9.24. Водобойный колодец
Необходимое заглубление колодца ак должно удовлетворять следующим условиям:
, (9.61)
где hн — глубина потока в нижнем бьефе, в отводящем русле;
∆z — перепад уровней воды на водобойном уступе; — расчетная глубина сопряжения со сжатой глубиной hс.
При определении глубины вводится коэффициент запаса σ, который увеличивает сопряженную глубину ,
=σ
Величина запаса принимается σ= 1,05 .
Перепад ∆z возникает в результате выхода потока из водобойного колодца в отводящее русло нижнего бьефа. Перепад ∆z находится из условия, что течение жидкости через выходящую часть водобойного колодца подобно движению через затопленный водослив с широким потоком:
∆z= (9.62)
где φ — коэффициент скорости, φ=0,9 0,95; Vкол — средняя скорость в колодце на подходе потока к его уступу.
Vкол= (9.63)
Пренебрегая скоростью Vкол, перепад по А. Угинчусу
∆z= (9.64)
Коэффициент скорости φ близок к единице.
Глубина колодца
. (9.65)
В некотором случае, считая ∆z малой величиной, ею можно пренебречь при вычислении глубины колодца:
. (9.66)
При определении глубины колодца вычисляется hс с использованием уравнения (9.51), а затем спряженная с hс фиктивная глубина .
После нахождения ак целесообразно повторить расчет с целью уточнения, что , полученная с учетом глубины колодца ак , соответствует условию
Длина колодца lк должна соответствовать условию, что гидравлический прыжок должен находиться в пределах его длины:
. (9.67)
где lп—длина гидравлического прыжка; β— коэффициент пропорциональности.
Если уступ водобойного колодца находится в зоне гидравлического прыжка, то он будет создавать подпор прыжка. Гидравлический прыжок в таком случае называется подпертым прыжком. По рекомендации М.Чертоусова для подпертого прыжка принимается β= 0,7 0,8. Для неподпертого прыжка β=1.
Длина прыжка lп определяется по формулам, приведенным в гл. 8.
В случае водослива с широким порогом или перепада (см. рис. 9.29) учитывается дальность отлета струи l1, от грани стенки до сжатого сечения hс.
Формула, учитывающая траекторию падения струи с высоты стенки С,
. (9.68)
где Vст — скорость в сечении ребра стенки; hст — глубина воды в сечении ребра стенки.
В некоторых случаях принимается, что Vст = Vкр , hст = hкр (Vкр, hкр — критические скорость и глубина).
Дальность отлета струи может быть вычислена также по формуле
, (9.69)
где ; Н — глубина потока на пороге водослива с широким порогом; Vo — средняя скорость на подходе к водосливу.
Длина водобойного колодца
lк = l1 + (0,7 ÷ 0,8) lп . (9.70)
Водобойная стенка
Водобойная стенка представляет собой водослив высотой ас прямоугольной или трапецеидальной формы (рис. 9.25). Расчет водобойной стенки заключается в нахождении ее высоты а и расстояния от сооружения до стенки. При устройстве водосливной стенки дно нижнего бьефа остается неизменным. В этом случае не требуется производить работы по выемке грунта в нижнем бьефе и увеличивать высоту водосливной плотины, как это нужно для устройства водобойного колодца.
Рис. 9.25. Водобойная стенка
В результате установки водобойной стенки увеличивается глубина за плотиной, а при переливе воды через стенку возникает напор над стенкой Hс. Глубина потока перед стенкой будет равна ее высоте aс и Нс.
Глубина перед стенкой должна удовлетворять условию: форма сопряжения бьефов должна быть в виде затопленного прыжка:
(9.71)
Расчетная сопряженная с глубиной в сжатом сечении hc
.
Полагая, что водобойная стенка незатопленная, напор Hс определяется по формуле расхода для водослива. Полный напор на стенке
, (9.72)
где m — коэффициент расхода стенки, зависящий от формы стенки.
Можно принять m= 0,4 0,43.
Статический напор на стенке
, (9.73)
где Vос — средняя скорость перед стенкой:
.
Высота стенки
. (9.74)
Высота стенки определяется последовательным вычислением величин hc, , Hc .
После нахождения высоты стенки проверяется форма сопряжения, которая будет иметь место непосредственно за стенкой. Если сопряжение бьефов за стенкой будет происходить в виде отогнанного прыжка, то за ней устраивается другая водобойная стенка. Высота следующей стенки будет несколько меньше первой. В некоторых случаях, может быть, необходимо иметь третью стенку.
Гидравлический расчет водобойных стенок заканчивается, когда в водобойном русле гидравлический прыжок будет затоплен.
Расстояние lc от сооружения (от сжатого сечения) до водобойной стенки определяется аналогично длине водобойного колодца.
Водобойный колодец со стенкой (комбинированный колодец)
Комбинированный колодец (рис. 9.26) применяется в случаях, когда глубина колодца или высота водобойной стенки существенно большие. Для их устройства требуются значительные капитальные затраты.
Рис. 9.26. Комбинированный колодец
При расчете комбинированного колодца должно удовлетворяться условие
. (9.75)
Вначале находится высота водобойной стенки ас. Высота определяется исходя из того, что сопряжение потока за стенкой будет иметь форму затопленного прыжка, и согласно (9.51)
. (9.76)
где hсс — глубина в сжатом сечении за стенкой; φс — коэффициент скорости, принимается φс = 0,85 0,95; Нсо — полный напор перед стенкой; — сопряженная глубина с глубиной в отводящем русле прямоугольного сечения hH, вычисляется по формуле
= ,
,
где Vос — средняя скорость перед стенкой.
Из (9.75) находим глубину колодца:
. (9.77)
Вычисляя сжатую глубину hс в колодце и сопряженную с ней , методом подбора уточняется рассчитанная ранее глубина колодца aк.
Длина комбинированного колодца при условии его затопления
lк = (0,7 ÷ 0,8) lп ,
где lп — длина гидравлического прыжка.
Пример 9.7
В канале прямоугольного сечения шириной b = 3 м имеется водослив практического профиля криволинейной формы. Определить характер сопряжения потока расходом 10 м3/с
с нижним бьефом и размеры водобойного колодца. Глубина воды в нижнем бьефе hн = 1,8 м (см. рис. 9.24). Высота в нижнем бьефе плотины Сн = 3,0 м, в верхнем бьефе Св = 3,5 м.
Полный напор на подходе к водосливной плотине
.
Напор на водосливной плотине
Принимаем коэффициент расхода m0 = 0,45.
.
Скорость на подходе к водосливу
Сжатая глубина определяется из уравнения (9.51), принимая φ = 0,95:
.
Методом подбора получаем hc = 0,395 м,
.
Критическая глубина
Фиктивная сопряженная глубина
.
Сопряжение струи с нижним бьефом будет осуществляться в виде отогнанного прыжка.
Перепад на колодце по (9.64) при φ = 1:
.
Глубина колодца, принимая σ =1,1, составит
.
Длина прыжка по формуле Сафранеца
.
По формуле М. Чертоусова
.
Длина колодца
lк = 0,75 lп = 0,75 · 10,6 = 8,0 м.
Размеры колодца: ак = 0,45 м; lк = 8,0 м.
Пример 9.8
Согласно исходным данным примера 9.7 определить размеры водобойной стенки. Коэффициент расхода стенки m = 0,41 (см. рис. 9.25)
Полный напор на водобойной стенке по (9.71)
.
Скорость перед водобойной стенкой при σ = 1,1
Напор на стенке при α=1
Высота водобойной стенки
.
Проверяем сопряжение потока за стенкой. Полный напор перед стенкой
Тос = ac + Hco = 1,02 + 1,5 = 2,52 м
Примем коэффициент скорости φ= 0,95.
Сжатую глубину за стенкой находим по зависимости
.
Подбором находим hсс = 0,58 м.
Фиктивная сопряженная глубина составит
.
За водобойной стенкой сопряжение потока будет в виде затопленного прыжка. Дополнительной стенки не нужно устанавливать.
Расстояние до стенки будет такое же, как и для водобойного колодца, lс = 8,0 м.
Размеры стенки: ас = 1,02 м; lс = 8,0 м.
ПЕРЕПАДЫ
Перепадом называют сооружение, устанавливаемое в русле, имеющее существенно большой уклон дна и обеспечивающее сопряжение участков потока жидкости по ступеням (уступам). Ступень представляет собой, как правило, вертикальную стенку падения и горизонтальный участок русла. В зависимости от числа ступеней перепады делятся на одноступенчатые (рис. 9.27 и 9.28) и многоступенчатые (см. рис. 9.32).
В системах водоотведения при сопряжении двух потоков жидкости в случае резкого изменения рельефа местности устраивают перепадные колодцы. В таких колодцах сопрягается поток в подводящей трубе с потоком в отводящем коллекторе, расположенном на отметке ниже уровня подводящей трубы.
Рис. 9.28. Одноступенчатый перепад с уступом
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 1053;