Гидравлический расчет каналов в земляном русле.

Основная задача гидравлического расчета – определение устойчивой формы и параметров живого сечения потока с требуемым расходом. Поперечные сечения каналов принимают, как правило, трапецеидальной формы. Допускают применением сечений полигональной, параболической или прямоугольной формы в зависимости от геологических условий и способа производства работ.

На рисунке 7.3 даны продольный и поперечный продина земляного русла канала. С его помощью можно ознакомится с основными гидравлическими элементами канала.

 

Рис 7.3 Основная гидравлические элементы каналов.

 

Линия Д, А, F, C, G, B, E пересечения канала с плоскостью его поперечного сечения называется поперечным периметрам канала часть этой линии А, F, C, G, B, находящаяся под водой, называется смоченным периметрам и обычно обозначается буквой .

Площадь А, F, C, G, B, занятой водой, называется живым сечением канала и обозначается буквой .

Отношение называется средним гидравлическим радиусом сечения.

Вертикальное превышение в точки под точкой этого же профиля называется падением канала на длине , равно й расстоянию между точкой и , измеренному по свободной поверхности. Падение на единицу длины, т.е. уклон канала составляет . Обычно угол так мал, что синус его можно считать равным величине самого угла. Тогда можно измерять по дну канала по горизонтали и по свободной поверхности.

При равномерном движении турбулентных потоков в открытых руслах пользуются основной формулой Шези:

где, - средняя скорость течения воды, м/с;

С – скоростной коэффициент, называемым коэффициентом Шези;

- гидравлический радиус, м;

- гидравлический уклон.

Из формулы Шези получаем:

1) значение гидравлического уклона:

2) значение потерь напора по длине:

3) величину расхода воды:

4) модуль расхода:

Коэффициент Шези С определяем по формуле Н.Н.Павловского

где, - коэффициент шероховатости почвы.

Вообще при гидравлических расчетах каналов трапециидального сечения наиболее часто встречаются следующие типы задач:

- определение пропускной способности канала, то есть расхода воды , если известны размеры канала, продольный уклон и коэффициент шероховатости;

- определение ширины по дну или глубина воды, если известны все остальные размеры канала, расход и коэффициент шероховатости и уклон;

- определение размеров поперечного сечения канала, если ширина по дну и глубина не ограничены условиями когда известны , , и .

В нашем случае гидравлический расчет производим, когда назначена пропускная способность канала 228 м³/с, надо добиться глубины наполнения м, при условий сформировавшеюся уклона русла , величины заложения откосов м с шероховатостью , а м. Это первый тип задач.

Определяем площадь живого сечения:

м²

Находим размер смоченного периметра:

м

Устанавливаем значение гидравлического радиуса:

м

Вычисляем скорость патока в русле:

м³/с

Получаем величину расхода канала при этих данных русла:

м³/с

Значит наш расчетный расход 228 м³/с пройдет по этому руслу и обеспечит командование под подвешенной площадью.

Мы все же решим основную задачу при гидравлическом расчете каналов, когда даны расход, уклон и заложение откосов, а надо установить ширину по дну и наполнение русла.

Все производимые вычисления для удобства рекомендуется сводить а таблицу 7.3 следующей формы:

 

Таблица 7.3 Табличная форма расчета каналов

в,м	h,м	, м2	, м	, м			С	, м/с	,м3/с
				1,71 3,30 4,55	1,31 1,82 2,13	0,008 0,008 0,008	44,6 45,1 51,8	0,47 0,66 0,88	22,56

 

Из рисунке 7.4 видно, что при пропуске 228 м³/с глубина в русле составит 5,7 м. Так что мы по расчету канала с графика зависимости между и получаем эту величину равной заданной глубине (рис).

Из рисунке 7.5 видно для пропуска по руслу 228 м³/с достаточно ширины по дну 36 м. Так мы с помощью графика зависимости между и установили, что для наших параметров канала и пропуска 228 м³/с необходима ширина русла по дну 36 м.

 

Рис7.4 Зависимость Рис 7.5 Зависимость

 

Все виды гидротехнических сооружении плотины водозаборные узлы, каналы с их подпорно-регулирующими сооружениями служат для своевременной доставке и в необходимом объеме потребной воды. Они в течение длительного времени удерживают, пропускают через себя огромные массы воды. Большая часть из них работает сезонно, а некоторые круглогодично. То есть они подвернсены действиями разрушительных ветров, самого патока, дождей, снега, сейсмических сил и.т.д.

Помимо внешних сил на гидросооружения воздействуют фильтрационные силы на грунты оснований, что чревато разрушениями. Они очень опасны, так как их воздействие визуально не видно, а проявляются они в виде сдвигов и обрушений креплений, устоев и плит водобоя и т.д.

Поэтому в качестве примеров приводим случаи подсчета разрушительных сил фильтрации на флютбет и основание земляной плотины, а также оценку устойчивости откоса земляной плотины это самые типичные случаи расчетов.

 

 

Расчет флютбета.

 

Флютбет сооружают с целью безопасного пропуска поверхностного потока воды из верхнего бьефа в нижний и гашения напора фильтрационного потока. Он состоит из следующих частей. Понур – водонепроницаемости покрытие дна в верхнем бьефе удлиняет пути фильтрации и предупреждает размыв грунта. Водобой – водонепроницаемости плита – воспринимает динамическое давление поверхностного потока и защищает русло от размыва. Рисберма – водопроницаемый участок флютбета частично гасит кинетическую энергию поверхностного потока.

Гидромеханическое решение движения воды в грунте основания под плотинами даны Н.Н.Павловским на основании следующих предпосылок:

1) движение грунтовых вод подчиняются закону Дарси, по которому , где - скорость движения; - коэффициент фильтрации; - пьезаметрический уклон;

2) движение воды происходит в однородном грунте;

3) движение воды рассматривается в плоскости, нормальной к оси сооружения и как установившееся.

Построение гидродинамической сетки графическим методом основано не том что сетка должна состоять из криволинейных квадратов.

Для этого принимают что линия подземного контура (рис 7.6) является первой линией тока, а линия водонепроницаемого подстилающего слоя – последний.

Рис 7.6 Схема флютбета.

 

Расстояние между первой и последней линиями таков делят на целое число лент и проводят плавную кривую «ав», огибающую подземное очертание элементов флютбета и проходящую под водобоем примерно на глубины проницаемого слоя. Также проводят линии «cd» и «ed». Полосу между подземным контурам и линией «ed» делят на криволинейные квадраты – получилось 10 штук. Построение криволинейных квадратов можно начинать с середины водобоя (точки «m»), проводя вертикальную линию с небольшим наклоном в сторону нижнего бьефа. Таким образом будет получено десять поясов давления с линиями равных давлений.

Форма квадратов сетки проверяется путем измерения средних линий криволинейных квадратов. Эти линии должны быть равными между собой. Полученная сетка является первым приближением. Она может быть уточнена исправлением построенной сетки.

В построенной гидродинамической сетки теряется одна и та же доля напора , где - число поясов равных напоров. Так, при м, м.

Пользуясь гидродинамической сеткой, можно подсчитать изменение фильтрационного напора по подземному контуру (таблица 7.4) где для данной точки.

 

Таблица 7.4 Значение величин фильтрационного напора

№ точек
Число поясов		1,0	2,5	3,5	4,25
, м		3,6	3,0	2,6	2,3	0,4

 

На основании полученных значении (таблица 7.4) строится эпюра фильтрационного давления подземный контур флютбета (рис 7.7).

 

Рис 7.7 Графическое построение эпюры фильтрационного давления на сетку

а) гидродинамическая сетка движения воды; б) эпюра фильтрационного давления;

 

Средняя скорость течения в любой точке будет равна:

где, - сторона квадрата стенки;

- коэффициент фильтрации;

- средний градиент падения напора;

Удельный расход q на фильтрацию под флютбетом равен (на один погонный метр флютбета):

,

где, - число лент (три);

- число поясов (десять);

, л/сут

Толщину флютбета находил из формулы:

где, - расчетный напор, т.е. расстояние в метрах от пьезаметрической линии до верхней поверхности незатопленного флютбета.

- коэффициент запаса, 1,1;

- объемный вес бетона, т/м³;