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	I ср	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