Особенность расчета запруды при заданной отметке ее гребня

В некоторых случаях отметки гребней запруд могут быть заданными из условия пропуска льда весной, а также по другим причинам. Тогда задача расчета запруды сводится к нахождению распределения расчетного расхода воды по рукавам с учетом работы сооружения, для оценки возможных переформирований русла на перекатах судоходного рукава и для установления длины крепления дна в нижнем бьефе запруды.

Последовательность расчетов может быть следующей.

1. Определяют расчетный уровень воды и соответствующий расчетный расход.

2. Разбивают затруднительный участок на расчетные участки с однозначным изменением гидравлических элементов потока (рис. 10.30).

Рис. 10.30. План участка разветвления русла с разбивкой на расчетные участки

3. Вычерчивают поперечные профили русла в граничных сечениях расчетных участков и подсчитывают гидравлические элементы потока: w, В, h=w/В, и . В последних формулах , K_c=(K_i+K_i+1)/2.

4. Подсчитывают бытовое распределение расхода воды по рукавам:

.

5. Вычисляют падения уровня на каждом расчетном участке в судоходном и несудоходном рукавах и определяют отметки свободной поверхности воды в каждом граничном сечении.

6. Задаются двумя другими значениями уровня воды во всех поперечных сечениях расчетных участков, подсчитывают дополнительные значения величин w, В, h, К и F и строят графики зависимости F=f(Z_c) для судоходного и несудоходного рукавов (рис. 10.31).

Рис. 10.31. Графики зависимости F=f(Z_c):

а – для судоходного рукава; б – для несудоходного рукава;

® – первое значение расхода; ─ ® ─ ─ – второе значение расхода

7. Задаются минимум двумя проектными расходами воды в каждом рукаве так, чтобы их значения в судоходном рукаве были больше таковых в бытовом состоянии Q_с.п>Q_с.б наоборот, расходы в несудоходном рукаве соответственно меньше бытового Q_нс.п>Q_нс.б.

Каждый раз определяют величины и и по способу Н.Н. Павловского графически находят падения уровня на расчетных участках.

В результате построения, поднимаясь от заданной отметки уровня Z_н нижнего сечения под углом j_с, получают отметки уровня верхнего сечения участка, идя по судоходному рукаву. Построения по несудоходному рукаву также начинают от отметки уровня Z_н нижнего сечения и, поднимаясь под углом j_нс, получают отметку Z_н.б нижнего бьефа запруды.

После этого, зная отметку гребня запруды, можно определить значение подтопления h_n=Z_н.б–Z_г и по приближенной формуле водослива подсчитать напор воды на запруде

.

Затем находят отметку верхнего бьефа запруды Z_в.б=Z_г+Н, которая является исходной для дальнейшего построения по способу Н.Н. Павловского для получения отметки уровня верхнего сечения участка, идя по несудоходному рукаву с углом j_нс. Таким образом, в конечном итоге получают сопряженные значения отметок уровня в верхнем сечении участка и расходов воды в рукавах.

8. Строят совмещенный график зависимости полученных отметок Z_в верхнего сечения участка и расходов воды в рукавах. При этом из условия Q_с.п=Q_нс.п=0 получается еще одно дополнительное значение отметки уровня верхнего сечения Z_в=Z_н (рис. 10.32).

Рис. 10.32. График Q_с=f(Z_в), Q_нс=f(Z_в)

Пользуясь кривыми Q_с.п=f(Z_в) и Q_нс.п=f(Z_в), по заданному полному расходу воды Q графически определяют истинное проектное значение отметки Z_в уровня воды в верхнем сечении и распределение расходов по рукавам Q_с.п и Q_нс.п (см. рис. 10.32).

Используя проектные значения расходов, находят истинные падения уровней на расчетных участках и строят окончательные кривые свободной поверхности по рукавам (рис. 10.33), которые позволяют определить повышение уровня воды в любом сечении судоходного рукава с учетом работы запруды с заданной отметкой гребня.

Рис. 10.33. Кривые свободной поверхности:

а – судоходном; б – несудоходном (сплошные линии – окончательные кривые

свободной поверхности; штриховые линии – промежуточные кривые)

9. Для оценки результатов работы запруды подсчитывают средние скорости течения на перекатах судоходного рукава

, (10.33)

где: w_прк – площадь поперечного сечения на гребне переката с учетом проектного положения кривой свободной поверхности.

Переходя от средней скорости u_c в живом сечении переката к средней скорости на судовом ходу по соотношению u_cx=u_с/0.8, сравнивают полученное значение скорости u_с.x с размывающей скоростью, подсчитанной по формуле В.Н. Гончарова u_paзм=1.3u_нр, a u_нр=3.0(j_нT)^0.2(d_c+0.0014)^0,3.

Если окажется, что u_c.х³u_разм, то условия для размыва гребней перекатов обеспечены в результате работы запруды с заданной отметкой.

Когда u_c.х<u_разм, размыв может быть недостаточным для углубления дна перекатов судоходного рукава. В последнем случае нужно дополнительно строить полузапруды на перекатах судоходного рукава, чтобы обеспечить перераспределение расхода воды в сторону судового хода, создавая там размывающие скорости течения. Если полузапруды строить нельзя, то можно запроектировать вторую запруду с такой же заданной или более низкой отметкой гребня, и расчет повторить.

10. Подсчитывают значения подтопления h_n и удельного расхода воды q в несудоходном рукаве, отнесенные к высоте запруды, равной 1 м, по формулам:

и .

По графикам (см. рис. 10.21) устанавливают режим сопряжения потока с нижним бьефом, чтобы назначить соответствующую длину крепления дна ниже запруды: для поверхностного режима l_кр=(5¸6)Р₃; для донного режима l_кр=10Р₃ (Р_з – высота запруды).