Определение отметки гребня запруды

При пропуске меженного расхода воды запруды обычно работают в потоке в качестве незатопленных или затопленных водосливов с широким порогом. С повышением уровня и увеличением расхода воды вероятной становится работа запруды в качестве затопленных водос­ливов с широким порогом и практического профиля.

Вид водослива (рис. 11.19 [1]), в стадии которого работает запруда, зависит от отношения напора Н к ширине гребня запруды b_г.

Отношения (Н / b_г) ≤ 0.5 соответствуют случаям работы запруды в потоке в стадии водослива с широким порогом, а отношения (Н / b_г) > 0.5 - случаю работы запруды в качестве водослива практического профиля. Условия, при которых водосливы оказывают­ся затопленными, имеют вид: 1) для водослива с широким порогом (h_п / H) ≥ 0.8 (где h_п - высота подтопления); 2) для водос­лива практического профиля - h_п > 0 и отношение (ΔZ_з / Р_н)< 0,7 (где Р_н - высота запруды над дном ниж­него бьефа).

Отметка гребня запруды Z_г находится как разница отметки верхнего бьефа Z_вб и напора Н на запруде

(17)
Значение напора на запруде Н вычисляются по формуле водослива:

(18)

где σ_п - коэффициент подтопления;

m_р - коэффициент расхода;

b - ширина водослива по длине запруды;

V₀ - скорость течения на подходе потока к створу запруды.

Коэффициент подтопления σ_п, зависящий от напора и положения уровня в нижнем бьефе запруды, находится по графику σ_п = f(h_п/H), который представлен рис.12. Значение коэффициента расхода m_р, зависящие от ширины гребня и конструк­ции запруды, для водослива практического профиля (при H/b_г > 0,5) отделяются по графину m_р = f(Н/b_г) с учетом заложения низового откоса запруды m_н. График m_р = f (Н/b_г) представлен на рис.13. В случае работы запруды в качест­ве водослива с широким порогом (при H/b_г ≤ 0,5) значение коэффициента расхода принимается постоянным m_р = 0,34.

Для вычисления скорости подхода V₀ заданный расход должен быть поделен на площадь ω_вб живого сечения верхнего бьефа:

(19)

Рис. 12. График зависимости коэффициента σ_п = f(h_п/H): 1 – при водосливе практического профиля; 2 – при водосливе с широким порогом

Рис. 13. График зависимости коэффициента m_р = f(H/b_г): 1 – при вертикальном и одиночном заложении низового откоса; 2 – при двойном заложении низового откоса

Ширина водослива при определении напора на запруде по формуле (18) принимается равной b = (0,7÷0,8)B, где В - ширина несудоходного ру­кава в створе запруды при уровне верхнего бьефа (этим соотноше­нием учитывается, что при меженных уровнях прикорневые части зап­руды обсушены).

Для определения величины В на расчетном профиле сечения в створе запруды наносится линия, соответствующая уровню верхнего бьефа (рис.11). Для этого от линии расчетного среднемеженного уровня H_ср.м необходимо отложить разницу между отметкой верх­него бьефа и отметкой свободной поверхности при бытовом состоянии в условной системе высот в створе запруды . Значение берется из табл. 5 для сечения в створе запруды. Схема, поясняющая определение ширины В представлена на рис.11.

Расчет напора на запруде Н по формуле (18) приходится выполнять подбором, так как до выполнения расчета неизвестен тип водослива, опреде­ляющий величину коэффициента расхода m_р, а также не решен вопрос о затопленности водослива, а, соответственно, неизвестен и коэффициент подтопления σ_п.

Расчет в этом случае сводится к следующему:

1. Задаются формой водослива, т.е. шириной по гребню b_г и заложением верхового m_в и низового откосов m_н. В курсо­вом проекте предполагается возведение запруды из каменной наброски с устройством расстилочного тюфяка в основании. Запруда из каменной наброски в поперечном профиле имеет форму трапеции с ши­риной по гребню 1.5÷4.0 м и откосами: верховым (напорным) от 1:1 до 1:1.5; низовым (сливным) от 1:1.5 до 1:2. В курсовом проекте ширина по гребню принимается равной b_г =2.0 м, а зало­жение верхового и низового откосов, соответственно, m_в=1 и m_н=2.

2. Определяют ширину несудоходного рукава в створе запруды В при уровне верхнего бьефа и вычисляют ширину водослива по длине запруды b. Для этого на отдельном листе миллиметровки в крупном масштабе вычерчивается поперечный профиль сечения в створе запруды и показывается все уровни воды (см. рис.11).

3. Вычисляют скорость течения V₀ на подходе к запруде по формуле (19). Для этого предварительно определяют площадь живого сечения верхнего бьефа ω_вб.

4. Подбор величины напора на запруде Н по формуле (18) начинают с предположения, что запруда работает как незатопленный водослив с широким порогом. В этом случае σ_п = 1.0 и m_р = 0.34. Подставляют эти значения в формулу (18) и вычисляют значение напора Н. Затем выполняют проверки затопленности водослива и типа водосли­ва. Если в результате подсчета по формуле окажется, что Н ≤ 0,5b_г (отвечает случаю работы запруды в качестве водослива с широким порогом) и при этом отношение (h_п / Н) ≤ 0.8 (соответствует водосливу с широким порогом в незатопленном состоянии), то найденное значение напора Н является окончательным. Высоту подтопления h_п вычисляют по зависимости h_п = (Н - ΔZ_з).

Если указанные условия не соблюдаются, то необходимо зада­ваться новыми значениями напора Н для определения коэффициен­тов σ_п и m_р и расчет по формуле (18) повторять до тех пор, пока значение Н, которым задавались, совпадет с таковым, полученным по формуле (18).

В этом случае задачу подбора величины напора можно упростить, если решить ее графически. Для этого надо задаться 3-4 значениями полного напора Н₀ (с учетом скорости подхода), подсчитать отвечающие им значения h_п = (Н₀ - ΔZ_з), (h_п/Н₀) и найти по графику значения коэффициента подтопления σ_п. Для водослива практического профиля (Н > 0.5b_г) находят кроме того и зависящие от величины Н₀ значения коэффициента расхода по графику m_р = f (Н/b_г). Напомним, что для водослива с широким порогом m_р = 0.34 является постоянным.

Далее вычисляют значения расходов воды Q по формуле водослива:

(20)

и найденные 3-4 значения расхода воды Q наносятся на график в зависимости от заданных значений Н₀, и по полученным точкам проводится кривая Q = f(H₀). Искомая величина полного напора Н₀ снимается с кривой по заданному проектному расходу в несудоходном рукаве Q_нсп. Так как расчет дает величину напора с учетом скорости подхода (полный напор), то для получения напора Н необходимо воспользоваться соотношением

(21)

Расчеты расхода Q удобно свести в табл. 8.

Таблица 8