Расчет траншейного водосброса
Траншейный водосброс состоит из водослива с широким порогом или водослива практического профиля, на гребне которого установлены затворы, водосбросной траншеи и отводящего канала (рис. 2).
Рис. 2. Траншейный водосброс: 1- водослив с широким порогом; 2 – водосбросная траншея; 3 – отводящая или соединительный канал;
4 – плотина.
При отсутствии затворов верх водосливного порога устраивают на отметке нормального подпорного уровня воды в водохранилище, при наличии их – ниже этой отметки на 4 – 6 м. Водосливной порог располагают вдоль берега водохранилища нормально к плотине, на расстоянии не ближе 20 – 40 м от нее. Напор на пороге при отсутствии затворов обычно принимается 0,75 – 1 м.
Через траншейные водосбросы, которые устанавливаются как в скальных, так и в нескальных грунтах, можно пропускать большие расходы воды (больше 100 м3/с). Гидравлический расчет траншейного водосброса сводится к определению длины водосливного порога L и построению кривой свободной поверхности воды по приближенному методу, предложенному Е.А. Замариным. Расчет следует производить при пропуске расходов через траншею Q и 0,5Q или 0,25Q.
Длина водосливного порога определяется по формулам неподтопленного или подтопленного водослива с широким порогом. Если уровень воды за порогом не влияет на расход и характер перелива воды через порог, то водослив рассчитывается как неподтопленный; если же уровень воды за порогом влияет на расход и характер перелива воды через порог, то водослив рассчитывается как подтопленный. Какой будет водослив – подтопленный или не подтопленный – определяют по формуле:
(24)
где hп – превышение уровня воды нижнего бьефа над порогом водоспуска, м; – коэффициент подтопления (критерий подтопления), принимаемый в пределах – скорость подхода воды перед водоспуском, м/с.
При неподтопленном водосливе длина водосливного порога:
(25)
где Q – паводковый расход, сбрасываемый через траншею, м3/с;
m ≈ 0,36 – коэффициент расхода; H – напор на пороге водослива, м.
При подтопленном водосливе длина водосливного порога:
(26)
где φ – коэффициент скорости; h – глубина воды на пороге водослива в конце входного участка (глубина подтопления), м; Z – разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива, м.
Глубина воды на пороге водослива h в конце входного участка в первом приближении может быть принята равной напору на пороге водослива H минус разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива Z. Более точно глубина воды на пороге водослива может быть определена с учетом перепада восстановления кинетической энергии.
Наполнения и средние уклоны в отдельных створах траншеи определяют, задаваясь шириной траншеи по дну, живым сечением и средней скоростью течения воды.
Пример 1. Рассчитать водосборную траншею прямоугольного поперечного сечения в скальном грунте: Q = 140 м3/с, H = 1 м. Отметка водосливного порога – 20 м (рис. 3).
Порядок расчета. По табл. 13 принимаем допускаемую скорость υ = 6 м/c, по табл. 15 коэффициент шероховатости для траншеи n = 0,02; m0 = 0,36.
Таблица 13
Допустимые неразмывающие средние скорости потока υ для скальных грунтов (осадочных и изверженных пород)
Временное сопротивление грунта сжатию в состоянии полного водонасыщения Rc, МПа | υ, м/с, при средней глубине потока h, м | |||
0,5 | ||||
9,1 | 11,1 | 14,4 | 15,8 | |
6,4 | 7,84 | 10,2 | 11,2 | |
4,6 | 5,6 | 7,2 | 8,0 | |
4,1 | 5,0 | 6,4 | 7,0 | |
3,1 | 3,7 | 4,9 | 5,3 | |
2,2 | 2,8 | 3,7 | 4,0 | |
2,5 | 1,7 | 2,1 | 2,8 | 3,1 |
Рис. 3. Расчетная схема водосборной траншеи:
1 – водосливной порог; 2 – торцевая часть водосборной траншеи;
3 – водосбросная траншея.
По формуле (25) определяем длину водосливного порога:
Принимаем ее равной 85 м вдоль траншеи и 3 м в ее торце. Разбиваем траншею на 5 створов и находим необходимые величины, значения которых приведены в табл. 14.
Таблица 14
Определение величин при расчете водосборной траншеи
№ раствора | x | Qx | υ | B | h | i | Iср | hω |
1,94 | 0,0083 | 0,009 | 0,22 | |||||
100,4 | 8,6 | 1,94 | 0,010 | 0,010 | 0,20 | |||
68,6 | 1,90 | 0,011 | 0,014 | 0,28 | ||||
36,7 | 1,53 | 0,017 | 0,014 | 0,14 | ||||
20,7 | 4,5 | 1,53 | 0,011 | 0,012 | 0,12 | |||
4,8 | 0,53 | 0,013 |
Таблица 15
Коэффициент шероховатости n открытых русел
Род стенки | n | l/n |
Весьма тщательно остроганные доски, хорошо пригнанные | 0,009 | 111,1 |
Строганные доски. Штукатурка из чистого цемента | 0,01 | 100,0 |
Цементная штукатурка (1/3 песка). Чистые (новые) гончарные, чугунные и стальные трубы, хорошо уложенные и соединенные | 0,011 | 90,9 |
Не строганные доски, хорошо пригнанные. Водопроводные трубы в нормальных условиях, без заметной инкрустации; весьма чистые водосточные трубы, весьма хорошая бетонировка | 0,012 | 83,3 |
Тесовая кладка, весьма хорошая кирпичная кладка. Водосточные трубы в нормальных условиях; несколько загрязненные водопроводные трубы. Не строганные доски, не вполне тщательно пригнанные | 0,013 | 76,9 |
Загрязненные трубы (водопроводные и водосточные). Средняя кирпичная кладка. Бетонировка каналов в средних условиях. | 0,014 | 71,4 |
Грубая кирпичная кладка; каменная кладка (не тесовая) с чистой отделкой поверхностей при ровном постелистом камне. Чрезвычайно загрязненные водостоки. Брезент по деревянным рейкам. | 0,015 | 66,7 |
Обыкновенная бутовая кладка в удовлетворительном состоянии. Старая (расстроенная) кирпичная кладка. Сравнительно грубая бетонировка. Гладкая, весьма хорошо разработанная скала | 0,017 | 58,8 |
Каналы, покрытые толстым, устойчивым илистым слоем; каналы в плотном лессе и в плотном мелком гравии, затянутые сплошной илистой пленкой (однако в безукоризненном состоянии) | 0,018 | 55,6 |
Очень грубая кладка; сухая кладка из крупных камней; булыжная мостовая. Каналы, чисто высеченные в скале. Каналы в лессе, плотном гравии, плотной земле, затянутые илистой пленкой (в нормальном состоянии) | 0,02 | 50,0 |
Мостовая из крупного рваного камня, с резко выступающими углами. Каналы в скале при посредственной обработке поверхности; каналы в плотной глине. Каналы в лессе, гравии, земле, затянутые не сплошной (местами прерываемой) илистой пленкой. Большие земляные каналы, находящиеся в условиях содержания и ремонта выше средних. | 0,0225 | 44,4 |
Большие земляные каналы в средних условиях содержания и ремонта и малые – в хороших. Реки и ручьи в благоприятных условиях (со свободным течением, без засорения и значительных водорослей) | 0,025 | 40,0 |
Земляные каналы: большие – в условиях ниже среднего, малые – в средних | 0,0275 | 36,4 |
Каналы и реки в сравнительно плоских условиях (местами с водорослями и булыжником или заметно заросшей травой, с местными обвалами откосов) | 0,03 | 33,3 |
Каналы и реки, находящиеся в весьма плохих условиях, с неправильным профилем, значительно засоренные камнями, водорослями и т.д. | 0,035 | 28,6 |
Тоже, в исключительно плохих условиях (обломки скалы и крупные камни по руслу, густые корни, значительные промоины, заросли камыша) | 0,04 | 25,0 |
В табл. 14. расстояние x считаем от торца траншеи до соответствующих створов (рис. 3) при свободном истечении через водослив. Расход через соответствующий створ, м3/с, определяем по формуле:
, (27)
В створах 1 – 2 принимаем скорости 3 – 4,5 м/с, а ширину траншеи – 3 м, в створах 3 – 6 – скорость 6 м/с, а ширину траншеи, линейно изменяющуюся, – от 4 до 12 м.
Средние глубины воды в каждом створе: где b – ширина траншеи в створах, м; υ - скорость течения в створах, м/с. Уклон уровня воды в каждом створе вычисляем по формуле предварительно определив гидравлический радиус и коэффициент Шези С по табл. 16.
Таблица 16
Коэффициент Шези С
R, м | Значение С при п | |||||||||||||||||
0,011 | 0,012 | 0,013 | 0,014 | 0,017 | 0,02 | 0,0225 | 0,025 | 0,0275 | 0,03 | 0,035 | 0,04 | |||||||
0,10 | 67,2 | 60,3 | 54,3 | 49,3 | 38,1 | 30,6 | 26,0 | 22,4 | 19,6 | 17,3 | 13,8 | 11,2 | ||||||
0,12 | 68,8 | 61,9 | 55,8 | 50,8 | 39,5 | 32,6 | 27,2 | 23,5 | 20,6 | 18,3 | 14,7 | 12,1 | ||||||
0,14 | 70,3 | 63,3 | 57,2 | 52,2 | 40,7 | 33,0 | 28,2 | 24,5 | 21,6 | 19,1 | 15,4 | 12,8 | ||||||
0,16 | 71,5 | 64,5 | 58,4 | 53,3 | 41,8 | 34,0 | 29,2 | 25,4 | 22,4 | 19,9 | 16,1 | 13,4 | ||||||
0,18 | 72,6 | 65,6 | 59,5 | 54,3 | 42,7 | 34,8 | 30,0 | 26,2 | 23,2 | 20,6 | 16,8 | 14,0 | ||||||
0,20 | 73,7 | 66,6 | 60,4 | 55,3 | 43,6 | 35,7 | 30,8 | 26,9 | 23,8 | 21,3 | 17,4 | 14,5 | ||||||
0,22 | 74,6 | 67,5 | 61,3 | 56,2 | 44,4 | 36,4 | 31,5 | 27,6 | 24,5 | 21,9 | 17,9 | 15,0 | ||||||
0,24 | 75,5 | 68,3 | 62,1 | 57,0 | 45,2 | 37,1 | 32,2 | 28,3 | 25,1 | 22,5 | 18,5 | 15,5 | ||||||
0,26 | 76,3 | 69,1 | 62,9 | 57,7 | 45,9 | 37,8 | 32,8 | 28,8 | 25,7 | 23,0 | 18,9 | 16,0 | ||||||
0,28 | 77,0 | 69,8 | 63,6 | 58,4 | 46,5 | 38,4 | 33,4 | 29,4 | 26,2 | 23,5 | 19,4 | 16,4 | ||||||
0,30 | 77,7 | 70,5 | 64,3 | 59,1 | 47,2 | 39,0 | 33,9 | 29,9 | 26,7 | 24,0 | 19,9 | 16,8 | ||||||
0,32 | 78,3 | 71,1 | 65,0 | 59,7 | 47,8 | 39,5 | 34,4 | 30,3 | 27,1 | 24,4 | 20,3 | 17,2 | ||||||
0,34 | 79,0 | 71,8 | 65,7 | 60,3 | 48,3 | 40,0 | 34,9 | 30,8 | 27,6 | 24,9 | 20,7 | 17,6 | ||||||
0,36 | 79,6 | 72,4 | 66,1 | 60,9 | 48,8 | 40,5 | 35,4 | 31,3 | 28,0 | 25,3 | 21,1 | 17,9 | ||||||
0,38 | 80,1 | 72,9 | 66,7 | 61,4 | 49,3 | 41,0 | 35,9 | 31,7 | 28,4 | 25,6 | 21,4 | 18,3 | ||||||
0,40 | 80,7 | 73,4 | 67,1 | 61,9 | 49,8 | 41,5 | 36,3 | 32,2 | 28,8 | 26,0 | 21,8 | 18,6 | ||||||
0,42 | 81,3 | 73,9 | 67,7 | 62,4 | 50,2 | 41,9 | 36,7 | 32,6 | 29,2 | 26,4 | 22,1 | 18,9 | ||||||
0,44 | 81,8 | 74,4 | 68,2 | 62,9 | 50,7 | 42,3 | 37,1 | 32,9 | 29,6 | 26,7 | 22,4 | 19,2 | ||||||
0,46 | 82,3 | 74,8 | 68,6 | 63,3 | 51,1 | 42,7 | 37,5 | 33,3 | 29,9 | 27,1 | 22,8 | 19,5 | ||||||
0,48 | 82,7 | 75,3 | 69,1 | 63,7 | 51,5 | 43,1 | 37,8 | 33,6 | 30,2 | 27,4 | 23,1 | 19,8 | ||||||
0,50 | 83,1 | 75,7 | 69,5 | 64,1 | 51,9 | 43,5 | 38,2 | 34,0 | 30,4 | 27,8 | 23.4 | 20,1 | ||||||
0,55 | 84,1 | 76,7 | 70,4 | 65,2 | 52,8 | 44,4 | 39,0 | 34,8 | 31,4 | 28,5 | 24,0 | 20,7 | ||||||
0,60 | 85,0 | 77,7 | 71,4 | 66,0 | 53,7 | 45,2 | 39,8 | 35,5 | 32,1 | 29,2 | 24,7 | 21,3 | ||||||
0,65 | 86,0 | 78,7 | 72,2 | 66,9 | 54,5 | 45,9 | 40,6 | 36,2 | 32,8 | 29,8 | 25,3 | 21,9 | ||||||
0,70 | 86,8 | 79,4 | 73,0 | 67,6 | 55,2 | 46,6 | 41,2 | 36,9 | 33,4 | 30,4 | 22,4 | |||||||
0,75 | 87,5 | 80,2 | 73,8 | 68,4 | 55,9 | 47,3 | 41,8 | 37,5 | 34,0 | 31,0 | 26,4 | 22,9 | ||||||
0,80 | 88,3 | 80,8 | 74,5 | 69,0 | 56,5 | 47,9 | 42,4 | 38,0 | 34,5 | 31,5 | 26,8 | 23,4 | ||||||
0,85 | 89,0 | 81,6 | 75,1 | 69,7 | 57,2 | 48,4 | 43,0 | 38,6 | 35,0 | 32,0 | 27,3 | 23,8 | ||||||
0,90 | 89,4 | 82,1 | 75,5 | 69,9 | 57,5 | 48,8 | 43,2 | 38,9 | 35,5 | 32,3 | 27,6 | 24,1 | ||||||
0,95 | 90,3 | 82,8 | 76,5 | 70,9 | 58,3 | 49,5 | 43,9 | 39,5 | 35,9 | 32,9 | 28,2 | 24,6 | ||||||
1,00 | 90,9 | 83,3 | 76,9 | 71,4 | 58,8 | 50,0 | 44,4 | 40,0 | 36,4 | 33,3 | 28,6 | 25,0 | ||||||
1,10 | 92,0 | 84,4 | 78,0 | 72,5 | 59,8 | 50,9 | 45,3 | 40,9 | 37,3 | 34,1 | 29,3 | 25,7 | ||||||
1,20 | 93,1 | 85,4 | 79,0 | 73,4 | 60,7 | 51,8 | 46,1 | 41,6 | 38,0 | 34,8 | 30,0 | 26,3 | ||||||
1,30 | 94,0 | 86,3 | 79.9 | 74,3 | 61,5 | 52,5 | 46,9 | 42,3 | 38,7 | 35,5 | 30,6 | 26,9 | ||||||
1,40 | 94,8 | 87,1 | 80,7 | 75,1 | 62,2 | 53,2 | 47,5 | 43,0 | 39,3 | 36,1 | 31,1 | 27,5 | ||||||
1,50 | 95,7 | 88,0 | 81,5 | 75,9 | 62,9 | 53,9 | 48,2 | 43,6 | 39,8 | 36,7 | 31,7 | 28,0 | ||||||
1,60 | 96,5 | 88,7 | 82,2 | 76,5 | 63,6 | 54,5 | 48,7 | 44,1 | 4П,4 | 37,2 | 32,2 | 28,5 | ||||||
1,70 | 97,3 | 89,5 | 82,9 | 77,2 | 64,3 | 55,1 | 49,3 | 44,7 | 41,0 | 37,7 | 32,7 | 28,9 | ||||||
1,80 | 98,0 | 90,1 | 83,5 | 77,8 | 64,8 | 49,8 | 45.1 | 41,4 | 38.1 | 33,0 | 29,3 | |||||||
1,90 | 98,6 | 90,8 | 84,2 | 78.4 | 65,4 | 56,1 | 50,3 | 45,6 | 41,8 | 33,4 | 29,7 | |||||||
2,00 | 99,3 | 91,4 | 84,8 | 79,0 | 65,9 | 56,6 | 50,8 | 46,0 | 42,3 | 38,9 | 33,8 | 30,0 | ||||||
2,20 | 100,4 | 92,4 | 85,9 | 80,0 | 66,8 | 57,4 | 51,6 | 46,8 | 43,0 | 39,6 | 34,4 | 30,7 | ||||||
2,40 | 101,5 | 93,5 | 86,9 | 81,0 | 67,7 | 58,3 | 52,3 | 47,5 | 43,7 | 40,3 | 35,1 | 31,2 | ||||||
2,60 | 102,5 | 94,5 | 88,1 | 81,9 | 68.4 | 59,0 | 53.0 | 48,2 | 44,2 | 40,9 | 35,6 | 31,7 | ||||||
2,80 | 103,5 | 95,3 | 88,7 | 82,6 | 69,1 | 59,7 | 53,6 | 48,7 | 44,8 | 41,4 | 36.1 | 32.2 | ||||||
3,00 | 104,4 | 96,2 | 89,4 | 83,4 | 69,8 | 60,3 | 54,2 | 49,3 | 45,3 | 41,9 | 36,6 | 32.5 | ||||||
3,20 | 105,2 | 96,9 | 90,1 | 84,1 | 70,4 | 60,8 | 54,6 | 49,7 | 45,7 | 42,3 | 36,9 | 32.9 | ||||||
3,40 | 106,0 | 97,6 | 90,8 | 84,8 | 71,0 | 61,3 | 55,1 | 50,1 | 46.1 | 42,6 | 37,2 | 33,2 | ||||||
3,60 | 106,7 | 98,3 | 91,5 | 85,4 | 71,5 | 61,7 | 55,5 | 50,5 | 46,4 | 43,0 | 37,5 | 33,5 | ||||||
3,80 | 107,4 | 99,0 | 92,0 | 85,9 | 72,0 | 62,1 | 55,8 | 50,8 | 46,8 | 43,3 | 37,8 | 33,7 | ||||||
4,00 | 108,1 | 99,6 | 92,7 | 86.5 | 72,5 | 62.5 | 56,2 | 51,2 | 47,1 | 43,6 | 38,1 | 33,9 | ||||||
4,20 | 108,7 | 100,1 | 93,2 | 86,9 | 72,8 | 62,9 | 56,5 | 51,4 | 47,3 | 43,8 | 38,3 | 34,1 | ||||||
4,40 | 109,2 | 100,6 | 93,6 | 87,4 | 73,2 | 63,2 | 56.8 | 51,6 | 47,5 | 44,0 | 38,4 | 34,3 | ||||||
4,60 | 109,8 | 101,0 | 94,2 | 87.8 | 73.5 | 63,6 | 57,0 | 51,8 | 47,8 | 44,2 | 38,6 | 34,4 | ||||||
4,80 | 110,4 | 101,5 | 94,6 | 88,3 | 73,9 | 63,9 | 57,3 | 52.1 | 48,0 | 44,4 | 38,7 | 34,5 | ||||||
5,00 | 111,0 | 102,0 | 95,0 | 88.7 | 74,2 | 64,1 | 57,6 | 52,4 | 48,2 | 44,6 | 38,9 | 34,6 | ||||||
Полученные значения записываем в табл. 17. Средний уклон между створами iср определяем как среднее арифметическое. Потери напора между створами:
hw = liср, где l - расстояние между створами, м.
Принимаем отметку дна траншеи в первом створе, т.е. в начале траншеи, на отметке водосливного порога – 20 м. Начальная отметка воды в траншее:
20 + h1 = 20 + 0,53 = 20,53 м,
где h1 – глубина воды в первом створе, м.
Перед водосливным порогом отметка уровня воды (УВ):
20 + H = 20 + 1 = 21 м,
т.е. подтопления водослива не будет (рис. 4.9), так согласно формуле (24)
h1 = 0,53м < 0,8H = 0,8 · 1 = 0,8 м.
Во втором створе УВ будет меньше на величину потерь, т.е.:
20,53 – 0,12 = 20,41 м.
Отметка для траншеи во втором створе равна отметке уровня воды минус глубина воды во втором створе, т.е.:
20,41 – 1,53 = 18,88 м.
Выполнив вычисления для 3 – 6 створов, сведем результаты в табл. 17
Таблица 17
Результаты расчетов
№ створа | Отметка, м | |
уровня воды | дна траншее | |
21,00 | 20,00 | |
20,41 | 18,88 | |
20,27 | 18,74 | |
19,99 | 18,09 | |
19,79 | 17,85 | |
19,57 | 17,63 |
Траншея плавно соединяется с соединительным каналом.
Таблица 18
Варианты исходных данных к заданию №10
№п/п | Q, м/с | Н, м | Отметка водосливного порога, м |
0,3 | |||
0,5 | |||
0,8 | |||
0,48 | |||
1,25 | |||
0,65 | |||
0,9 | |||
0,7 | |||
1,6 | |||
0,53 | |||
0,7 | |||
0,6 | |||
0,46 | |||
1,0 | |||
1,3 |
Библиографический список
1. Федеральный закон от 21.07.1997 №117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» (ред от 28.12.2013) // Российская газета. – 2013
2. Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения. В 2 т. Т. 1. / Л.Н. Рассказов, В.Г. Орехов, Н.А. Анискин. – М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2008. – 576 с.
3. Кириенко И.И. Гидротехнические сооружения. Проектирование и расчет. / И.И. Кириенко, Ю.А. Химерик. – К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. – 253 с.
4. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. – М.: Госстрой СССР, 1985. – 31 с.
5. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. Ч.1. Глухие плотины / Р.Р. Чугаев. – М.: Агропромиздат, 1985. – 317 с.
6. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения. Ч.2. Водосливные плотины / Р.Р. Чугаев. – М.: Агропромиздат, 1985. – 317 с.
7. Сайфуллин О.Р. Эксплуатация систем водоснабжения и водоотведения / О.В. Сайфуллин. – М., 2011. – 55 с.
8. Журба М.Г. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений / М.Г. Журба, Л.И. Соколов, Ж.М. Говорова. – М.: АСВ, 2008.
9. Жмаков Г.Н. Эксплуатация оборудования и систем водоснабжения и водоотведения / Г.Н. Жмаков. – М.: Инфа-М, 2007. – 237 с.
10. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
11. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения – М.: Стройиздат, 1986.
12. РД 153-34.2-21.545-2003. Правила проведения наблюдений за работой бетонных плотин. – С-Пб., 2003. – 14 с.
13. Яковлев С.В. Канализация / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, А.И. Жуков. – М.: Стройиздат, 1975. – 632 с.
14. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.В. Воронов. – М.: Стройиздат, 1979. – 320 с.
15. Яковлев С.В. Биологические процессы в очистке сточных вод / С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина. – М.: Стройиздат, 1980. – 200 с.
16. Чудновский С.М. Эксплуатация и мониторинг систем и сооружений / С.М. Чудновский, О.И. Лихачева. – Вологда: ВоГУ, 2016. – 147 с.
Учебное издание
Свергузова Светлана Васильевна
Лупандина Наталья Сергеевна
Эксплуатация и мониторинг
систем и сооружений
Методические указания к выполнению расчетно-графического задания