Многоступенчатый перепад прямоугольного сечения колодезного типа

При глубоких вершинах оврагов головные сооружения устраивают в виде перепадов (рис. 6). В практике наибольшее распространение получили перепады, в поперечном разрезе напоминающие лестницу. Они называются ступенчатыми.

Различают одноступенчатые (рассмотрен выше) и многоступенчатые перепады. Перепады устраивают в основном прямоугольного или трапециидального сечения.

При высоте вершинного перепада 3-5 м применяют одноступенчатые перепады, при большей высоте – многоступенчатые. Для успокоения падающей на каждую ступень воды в конце ее устраивают водосливную стенку, которая гасит избыточную энергию потока.

В большинстве случаев перепады сооружают из монолитного или сборного железобетона реже из дерева, плетня, камня и других местных материалов.

В каждом перепаде можно выделить следующие элементы: входную часть (вход), стенку падения, водобойную часть (водобой), выходную часть (выход).

Входная часть может быть различной конструкции. Высота и длина ступеней должны быть подобраны так, чтобы конец перепада не врезался в глубокую выемку, где обычно вскрываются грунтовые воды.

Количество, высоту и длину ступеней подбирают (с последующим расчетом), чтобы перепад наиболее просто, без больших выемок и большого объема земляных работ вписывался в профиль земляной поверхности. Зная разность отметок начала (_ÑН₁) и (_Ñ Н₂) окончания перепада, делят на высоту ступени перепада (Р). Высоту ступени перепада чаще всего принимают равной 1 м. Длина ступени определяется отношением горизонтального проложения длины склона на количество ступеней.

Устройство перепадов на насыпном грунте недопустимо, так как при паводке это может привести к разрушению сооружения.

 

                                                             канал                 лоток

 

Рис. 6 Схема многоступенчатого перепада прямоугольного сечения колодезного типа:

Q- расчетный расход;

а – глубина воды в водоподводящем канале, м;

h – глубина воды в лотке при равномерном движении, м;

b – ширина канала или лотка по дну, м;

V₀ – скорость воды в канале или лотке, м/с;

i ₀ – продольный уклон дна канала;

 - коэффициент кинетической энергии потока;

m₁ = 0,42 – коэффициент расхода водослива в формуле

 

Данные для расчета:

Строительный материал – бетон;

Q = 1,9 м³/с

_ÑН₁ - _Ñ Н₂ = 5,9 м – разность высот верхнего и нижнего бьефа;

Р – 1,0 м – высота ступени;

i = 0,025

n = 0,014

Расчет первой ступени

 

1. Определяется наивыгоднейшая ширина входного отверстия по дну лотка перепада по формуле Ю.Н. Даденкова

.

2. Определяем необходимую площадь живого сечения перепада с учетом допустимых скоростей движения воды (прил. 3)

,

где V_доп = 4,2 м/с

3. Определяем необходимую глубину воды в лотке:

.

4. Производим проверку h_o на пропуск заданного расхода Q = 1,9 м³/с

х = в + 2 h_o  = 1 + 2 ∙ 0,36 = 1,72 м

n = 0,014 без учета аэрации

С = 55,75 (с учетом n и R)

Полученный расход 1,45 м³/с меньше заданного 1,9 м³/с. Однако расхождение меньше 5 % (3,4 %), поэтому окончательно принимаем ширину лотка в = 1 м глубину воды h_o = 0,36 м.

5. Определяем критическую глубину на пороге первой ступени

.

6. Определяем первую сопряженную глубину (h^I_c) в сжатом сечении после перепада по методу проф. Ю.Н. Даденкова. При этом принимаем во внимание:

так как h_к = (0,74) > h_o (0,36), то глубина воды над перепадом h_р = h_o = 0,36 м (если h_к < h_o, то h_р = 0,7 ∙ h_к);

,

где Z – вспомогательная величина:

.

7. Определяем вторую сопряженную глубину

8. Определение высоты водобойной стенки (С) после перепада производим в следующем порядке:

 Полный напор над водобойной стенкой

,

                                  _

где μ – 1,86 из μ = m √2g при m = 0,42.

Скоростной напор перед водобойной стенкой:

.

Напор над водобойной стенкой без скоростного напора:

Н = Н_о – Н _v = 1,02 – 0,03 = 0,99 м.

Высота водобойной стенки:

С = σ ∙ h_c^II – H = 1,05 ∙ 1,5 – 0,99 = 0,685 м ≈ 0,7 м.

Длина первой ступени перепада определяется по формуле

L_ст1 = L_пад1 + L_пр1 = 1,98 + 4= 6м,

где L_пад1 – дальность падения струи:

Длина подпертого прыжка:

L _пр1 = 3 ∙ h_c ^II = 3 ∙ 1,5 =4,5.

Длину колодца принимаем 6 м.

 

Расчет второй ступени

 

Данные для расчета:

Глубина воды над водобойной стенкой h_p = Н = 0,99 м

Площадь живого сечения ω = в ∙ h_p = 1 ∙ 0,99 = 0,99 м²

Скорость протекания воды над стенкой

Высота падения Р₁ = Р + С = 1 + 0,6 = 1,6 м

1. Определяем скорость течения воды в сжатом сечении на второй ступени после падения:

 

,

где V_c – скорость воды в сжатом сечении;

   V - скорость протекания воды над стенкой;

   Р₂ – высота падения воды;

   h_р - глубина воды над стенкой

 

Площадь сжатого сечения воды на второй ступени:

.

Глубина воды в сжатом сечении второй ступени:

.

2. Определяем вторую сопряженную глубину при прыжке с глубиной

h_c^I = 0,24 м.

3. Определение высоты второй водобойной стенки (С₂) производим в следующем порядке:

Полный напор над водобойной стенкой:

Н_о = 1,02 м (вычислен ранее).

Скоростной напор перед водобойной стенкой (С₂):

.

Напор над стенкой (С₂) без скоростного напора:

Н₂ = Н_о - Н _v = 1,02 - 0,08 = 0,94 м

Высота водобойной стенки:

С₂ = σh_c^II – H ₂ = 1,05 ∙1,56 – 0,94 = 0,69 м.

Отсюда следует, что глубина воды перед второй водобойной стенкой составит:

С₂ + Н₂ = 0,69 + 0,94 = 1,63 м,

а высота падения на первой водобойной стенке

Р₁ = Р + С = 1 + 0,7 = 1,7 м

т.е. С₂ + Н₂ < Р + С = 1,63 м < 1,7 м,

Следовательно, первая водобойная станка работает как незатопленный водослив и расчет ее окончательный.

                       Определение длины второй ступени перепада:

L _ст2 = L _пад2 + L _пр2 = 1,25+4,68 = 5,93 ≈ 6 м;

 

.

L _пр2 = 3∙ h_c^II = 3 ∙1,56 = 4,68

 

Из конструктивных соображений длина ступени принимается равной L_ст2 = 6,0 м.

 

Аналогично рассчитываются все последующие ступени. Однако, в виду незначительного дальнейшего изменения гидравлических элементов потока, высоты стенки и длины ступени, все последующие стенки принимаем высотой 0,7 м и длину ступени 6,0 м.