Проектирование каналов

В состав открытого берегового водосброса входят подводящий, сбросной (соединительный) и отводящий каналы, поперечное сечение которых обычно принимается трапецеидальным.

Проектирование этих каналов выполняется на основе гидравлических расчетов. Такими расчетами устанавливаются размеры поперечного сечения каждого из каналов (глубина наполнения h_к, коэффициенты заложения откосов т_к, ширина канала по дну В_к).

Глубины воды в подводящем h_к.п., сбросном (соединительном) h_к.с. и отводящем h_к.о. каналах были определены предварительными расчетами параметров водосбросных сооружений.

Коэффициенты заложения откосов каналов т_к выбирается по условиям устойчивости в зависимости от физико-механических характеристик грунта, в котором устроен канал, а также в зависимости от принятого типа крепления откосов. На предварительных этапах проектирования значения коэффициентов заложения т_к неукрепленных откосов каналов рекомендуется принимать в зависимости от высоты откоса Н_к: при Н_к ≤ 3 м принимается т_к = 1.5; при Н_к > 3 м принимается т_к = 2.0. В случае крепления откосов канала бетонными или железобетонными плитами: при Н_к ≤ 3 м принимается т_к = 1.25; при Н_к > 3 м принимается т_к = 1.75. При высоте откосов Н_к > 5 м их устойчивость должна быть проверена расчетами.

Ширина канала по дну В_к принимается из условия, чтобы скорость течения воды в канале V_к не превышала предельной по условию размыва ложа V_п.

Предельная скорость по условию размыва ложа канала определяется по методике Ц.Е. Мирцхулавы [12] в зависимости от глубины воды в канале h_к и типа грунтов, в которых проходит канал.

В случае, если канал проходит в несвязных грунтах (песок, гравий, галька и др.) значение предельной неразмывающей скорости течения воды в канале может быть найдено по формуле

, (3.9)

где d - расчетный диаметр частиц несвязного грунта (в курсовом проекте следует принять d = 2 мм); r_s - плотность частиц грунта; r_w – плотность воды; k_c - коэффициент безопасности, значение которого на предварительных этапах проектирования может быть принято равным k_c = 2; т_М – коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии (в курсовом проекте в запас принимается т_М = 1); п_М – коэффициент, учитывающий влияние пульсации скорости в придонной области потока и определяемый по формуле

; (3.10)

n - кинематическая вязкость воды, значение которой принимается в зависимости от температуры (в курсовом проекте значение n следует принять при температуре воды 10⁰ С равным n = 1.31 · 10^-6 м²/с); с_уп - нормативное значение усталостной прочности несвязного грунта, равное

. (3. 11)

В случае, если канал проходит в связных грунтах (супеси, суглинки) значение предельной неразмывающей скорости течения воды в канале может быть найдено по формуле

, (3.12)

где значения r_s, r_w, т_М, п_М, k_c определяются так же, как и в формуле (3.9); d - расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта (при отсутствии данных специальных исследований принимается d = 4 мм); с_уп - нормативное значение усталостной прочности связного грунта, равное

с_уп = 0.035 · с_п; (3. 13)

с_п – нормативное значение сцепления грунта, равное

с_п = k_c · с; (3.14)

с – расчетное значение сцепления грунта (в курсовом проекте значение с задано).

Ниже в примерах 3.2 – 3.4 приведена последовательность гидравлических расчетов подводящего, сбросного (соединительного) и отводящего каналов.

После выполнения гидравлических расчетов и определения геометрических размеров выполняется их проектирование и вписывание в местность.

При проектировании каналов необходимо учитывать следующие особенности.

Подводящий канал обычно устраивается с горизонтальным дном. Иногда для улучшения гидравлических условий подхода к сбросному дно шлюзу дно подводящего канала проектируется с обратным уклоном i = – 0.001. Канал следует проектировать расширяющимся вверх по течению, что улучшает гидравлические условия его работы.

Сбросной (соединительный) канал проектируется постоянного по длине поперечного сечения с горизонтальным дном. При этом ввиду небольшой длины канала изменением глубины воды в нем пренебрегают.

При проектировании каналов предусматриваются бермы шириной от 2 м до 3 м. Отметка бермы вдоль канала принимается выше максимальной отметки воды в канале на 0.5 – 0.6 м. При вписывании каналов в местность необходимо учитывать криволинейность осей подводящего и сбросного (соединительного) каналов. Радиус закругления оси канала принимается равным R ≥ 5 · b_y, где b_y – ширина канала по урезу воды.

На рисунках 3.4, 3.5 показаны примеры вписывания подводящего и сбросного (соединительного) каналов.

Рис. 3.4. Схема подводящего канала

Рис. 3.5. Схема сбросного (соединительного) канала

Пример 3.2.Гидравлический расчет подводящего канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с.

2. Глубина воды в канале, равная напору на пороге сбросного шлюза,
h_к.п. = 2.5 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта – супесь

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 4 мм.

3.4. Расчетное значение удельного сцепления связного грунта
с = 11.5 кПа.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

.

2. Находится нормативное значение усталостной прочности связного грунта кПа

, кПа

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала .

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя полученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в подводящем канале м/с

м/с.

Пример 3.3. Гидравлический расчет сбросного (соединительного) канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с

2. Глубина воды в канале h_к.с. = 2.604 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта - супесь

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 4 мм.

3.4. Расчетное значение удельного сцепления связного грунта
с = 11.5 кПа.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

2. Находится нормативное значение усталостной прочности связного грунта , кПа

кПа

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя подученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в сбросном канале , м/с

м/с.

Пример 3.4.Гидравлический расчет отводящего канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с.

2. Глубина воды в канале, равная глубине воды в реке, h_к.о. = 2.9 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта - песок

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 2 мм.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

2. Находится нормативное значение усталостной прочности несвязного грунта, которая учитывает наличие сил сцепления (зацепления) между частицами , кПа

Па

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала .

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя подученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в отводящем канале , м/с

м/с.