Кафедра «Гидравлика»
Курсоваяработа
«Гидравлическийрасчет узла гидротехнических сооружений»
Минск2009
Содержание
Содержание… 2
Задание… 3
1. Расчет магистральногоканала… 5
1.1 Определениеразмеров поперечного сечения… 5
1.2 Расчет каналагидравлически наивыгоднейшего сечения… 9
1.3 Определениенормальных глубин для заданных расходов Qmin, Q, Qmax ипостроение кривой Q=f(h)… 9
1.4 Определение типа ипостроение кривой свободной поверхности… 11
2. Расчет сбросногоканала… 14
3. Расчет водозаборногорегулятора… 16
4. Расчетмногоступенчатого перепада… 18
4.1 Расчет входной части(щелевой водослив)… 18
4.2 Расчет ступеней… 20
Литература… 23
Задание
Магистральный каналподает воду на орошение и обводнение подкомандной ему территории. Отмагистрального канала отходит сбросной канал, в головной части которогоустраивается регулятор. На сбросном канале предусматривается сооружениемногоступенчатого перепада.
Требуется выполнитьгидравлические расчеты следующих гидротехнических сооружений.
1. Расчетмагистрального канала
— Определениеразмеров канала из условия его неразмываемости (Qmax=1,8Q) и незаиляемости (Qmin=0,75Q).
— Определениенормальных глубин для заданных расходов Qmax, Qmin,Qн и построение кривой Q=f(h).
— Определениетипа и построение кривой свободной поверхности.
2. Расчетсбросного канала
Определение размеровтрапециидального сбросного канала при заданном β=b/h
3. Расчетводозаборного регулятора
Определение рабочейширины регулятора при глубинах равномерного движения в магистральном и сбросномканалах при пропуске максимального расхода.
4. Расчетмногоступенчатого перепада
— Расчетвходной части
— Расчетступеней
— Расчетвыходной части1. Магистральный канал
Расход Qн м3/с 7
Уклон дна канала i 0,0004 Грунты Плотный лесс Условия содержания Среднее Глубина воды в конце канала
1,2h0 2. Сбросной канал Q
Qmax
β=b/h 4
Уклон дна канала i 0,0006 3. Водозаборный регулятор Сопряжение при входе по типу Конусов Ширина одного пролета, м. 3,0÷5,0 4. Перепад Разность отметок дна верхнего и нижнего бьефов 6 Число ступеней 3
/>
Схема гидротехническихсооружений
1. Расчет магистрального канала
Равномерное движениежидкости, т.е. движение, при котором средние скорости v, площади живых сечений ωи глубины hпо длине потока остаются неизменными, наблюдается в искусственныхпризматических руслах (каналах), имеющих большую протяженность.
Основная расчетнаяформула для равномерного движения жидкости – формула Шези:
/>
C – коэффициент Шези: />
n – коэффициентшероховатости. Для плотного лесса n = 0,02
Наиболее распространеннойформой сечения канала является трапецеидальная./>
B
/>/>/>m =1,5
/>/>/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> />
1.1
m Определение размеров поперечногосечения
Определение размеровпоперечного сечения сводится к определению ширины по дну и глубины наполненияпо заданным параметрам (расход Q, уклон i, коэффициенты шероховатости n и заложения откосов m). При расчетахиспользуется рациональное соотношение β между шириной канала по дну иглубиной наполнения.
/>
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=1,25 м b=3,38h=4,23 м.
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=1,72 м ω=1,5h2+4,23h=11,68м2.
/>
Изменяем уклон дна, дляэтого в начале канала сделаем одноступенчатый перепад.
/>
i=0,00015
/> />
/>
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=1,5 м b=3,38h=5,1 м.
/> />
/> />
/>/>
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=2,06 м ω=1,5h2+5,1h=16,81м2.
/>
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=1,29 м ω=1,5h2+5,1h=9,04 м2 R=0,93 м.
/>
1.2 Расчетканала гидравлически наивыгоднейшего сечения
Гидравлическинаивыгоднейшее сечение – такое, у которого при заданных ω, i расходQ оказываетсямаксимальным.
/>
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=3,01 м b=0,61h=1,84 м.1.3 Определение нормальныхглубин для заданных расходов Qmin, Q, Qmax и построениекривой Q=f(h)
/>
i=0,00015
/> />
/>
/>
Вычисления удобно свестив таблицу:
м3/с h, м
Q, м3/с 0,5 1,0037 1 3,3392 1,5 6,9297 2 11,847 2,5 18,188 3 26,059 3,5 35,566 4 46,814 4,5 59,907 5 74,946
По графику можноопределить нормальные глубины для заданных расходов.
/>/> />1.4 Определение типа ипостроение кривой свободной поверхности
При проведениигидравлических расчетов неравномерного движения, например, при расчете кривыхсвободной поверхности, сопряжении бьефов, необходимо знать критическую глубину hкр. Критическая глубинасоответствует минимуму удельной энергии сечения и в общем случае определяетсяиз уравнения:
/>
α ≈1
/> />
Решив это уравнениенайдем:
/>
Критический уклон найдемпо формуле:
/> /> –обычный канал.
Тип кривой аI, кривая подпора.
Построение кривойсвободной поверхности:
/>
2 />
/>– относительные глубины />– средняя кинетичностьпотока
φ(η) – определяетсяв зависимости от гидравлического показателя русла X и относительной глубины.
Определение/>:
h1=1,5 м h2=2,06 м С1=50,4C2=52,3 B1=9,57 м B2=11,25 м χ1=10,5 м χ2=12,5 м
/>/>/>
/>
Гидравлический показательрусла:
/>
Задаемся: h1=1,79 м h2=1,2 h0=1,8 м, тогда />, φ(η1)=0,312φ(η2)=0,301
/>
Вычисления удобно свестив таблицу:
№
h1
h2
η1
η2
X
/>
φ(η1)
φ(η2)
l 1,8 1,8 1,2 1,2 3,7 0,037 0,301 0,301 1 1,79 1,8 1,193 1,2 3,7 0,037 0,312 0,301 172,6 2 1,78 1,8 1,187 1,2 3,7 0,037 0,315 0,301 268,2 3 1,77 1,8 1,18 1,2 3,7 0,037 0,323 0,301 411,9 4 1,76 1,8 1,173 1,2 3,7 0,037 0,331 0,301 555,6 5 1,75 1,8 1,167 1,2 3,7 0,037 0,339 0,301 699,3 6 1,73 1,8 1,153 1,2 3,7 0,037 0,357 0,301 1006 7 1,7 1,8 1,133 1,2 3,7 0,037 0,389 0,301 1514 8 1,67 1,8 1,113 1,2 3,7 0,037 0,427 0,301 2080 9 1,65 1,8 1,1 1,2 3,7 0,037 0,456 0,301 2493 10 1,6 1,8 1,067 1,2 3,7 0,037 0,553 0,301 3760 11 1,55 1,8 1,033 1,2 3,7 0,037 0,732 0,301 5817 12 1,507 1,8 1,005 1,2 3,7 0,037 1,231 0,301 10909
2. Расчет сбросного канала
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=1,37 м b=4h=5,48 м ω=5,5h2=10,32 м2.
/>
Так как скорость в каналебольше размывающей, то необходимо сделать «одежду» для канала, т.е. выполнитьукрепление дна и откосов. В качестве «одежды» примем гравийно-галечную обсыпку.При этом коэффициент шероховатости n=0,02 т.е. остается таким же как и до обсыпки,следовательно, скорость течения и глубина воды в канале не изменятся.
/> />
/> />
/> />
/>
Решив это уравнениенайдем:
h=0,84 м ω=1,5h2+5,48h=5,66м2 R=0,67 м.
/>
3. Расчет водозаборного регулятора
В качестве водозаборногорегулятора используется водослив с широким порогом. Сопряжение водослива сшироким порогом осуществляется по типу конусов. Высота водослива со стороныверхнего бьефа P назначается конструктивно в пределах P=0,25÷1 м, атолщина δ=(3÷5) H.
Коэффициент расхода m определяется взависимости от вида сопряжения водослива с подводящим каналом и отношения P/H.
Расчет водослива сшироким порогом заключается в определении его ширины, при которой передсооружением сохраняется нормальная глубина.
Основное расчетноеуравнение:
/>
hмаг. канала=2,06 м hсбр. канала=1,37 м
bмаг. канала=5,1 м bсбр. канала=5,48 м
Вмаг. канала=11,28 мbсбр. канала=9,59 м
/> />
/>– при прямоугольномочертании быков и береговых устоев.
Задаемся P=0,4 м,тогда Н= hмаг. канала-Р=2,06–0,4=1,66 м.
/> />
/>
Проверка подтопления:
/> />
Водослив считаетсяподтопленным если />, следовательноводослив не подтоплен />
I приближение:
/>
/>
/>
II приближение:
/>
Окончательно принимаем:Р=0,4 м., b=4,4 м., δ=3Н≈5 м.
4. Расчет многоступенчатого перепада4.1 Расчет входной части(щелевой водослив)
Если входная частьпроектируется как щелевой водослив, то для предельных значений расходов Qmax и Qmin можно так подобратьразмеры водослива, что бы равномерное движение в подводящем канале сохранялосьбы при различных расходах в интервале Qmax и Qmin./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Необходимо определитьсреднюю ширину щели по низу «bср» при пропуске Q1 и Q2 через щель. Эти расходыопределяют при нормальных глубинах:
h01=h0max-0,25 (h0max-h0min)=1,37–0,25 (1,37–0,84)=1,24 м
h02=h0min+0,25(h0max-h0min)=0,84+0,25 (1,37–0,84)=0,97 м
/> />
/>
/>
/> />
/>
Для щелевых водосливовкоэффициент расхода m≈0,48, коэффициент сжатия σс=0,95
/> />
Окончательная ширина щелипо низу определяется по формуле:
/>
Коэффициент заложенияоткосов щели:/> δ=(0,5÷2) Н=2 м.
4.2 Расчет ступеней
Число ступеней – 3,ширина перепада b=5,5 м, удельный расход q=Q/b=12,6/5,5=2,3 м2/с.
Первая ступень.
Высота стенки падения Р1=2 м.
Высота водобойной стенки:/>
Геометрический напорперед водобойной стенкой:
/> />
Полный напор передводобойной стенкой: />
Критическая глубина: />
Глубина в сжатом сечении:/>
Вторая сопряженнаяглубина:
/>
/> /> />
/>
Длина колодца: />
Длина прыжка: />
Полный напор на щелевомводосливе:/>
Дальность полета струи: />
/>
/>
Вторая ступень.
Высота стенки падения Р2=2 м.
Высота водобойной стенки:/>
Геометрический напорперед водобойной стенкой:
/> />
Полный напор передводобойной стенкой: />
Критическая глубина: />
Глубина в сжатом сечении:/>
Вторая сопряженнаяглубина:
/>
/> /> />
/>
Длина колодца: />
Длина прыжка: />
Дальность полета струи: />
/>
/>
Третья ступень.
Высота стенки падения Р3=2,5 м.
Бытовая глубина: hб=hсброного канала
Глубина колодца: />
Величина перепада:/> /> />
Критическая глубина: />
Глубина в сжатом сечении:/>
Вторая сопряженнаяглубина:
/>
/> /> />
/>
Длина колодца: />
Длина прыжка: />
Дальность полета струи: />
/>
/>
Литература
1. Справочникпо гидравлическим расчетам. Под ред. П.Г. Киселева. М.; Энергия, 1972.
2. Примерыгидравлических расчетов. Под ред. А.И. Богомолова. М.; Транспорт, 1977.
3. ЧугаевР.Р. Гидравлика. Л.; Энергоиздат, 1982.
4. Методическиеуказания к курсовой работе «Гидравлический расчет узла гидротехническихсооружений» по курсу «Гидравлика» для студентов дневного обучения специальности1203 – «Гидротехническое строительство речных сооружений и ГЭС». И.П. Вопнярский,Н.Е. Бонч-Осмоловская. Минск 1984.