Устройство и гидравлический расчет водосброса

Водосбросы, являющиеся водопропускными сооружениями, предназначены для пропуска из водохранилища (пруда) в нижний бьеф паводковых расходов при заданных расчетных уровнях воды в верхнем бьефе (пруду).

По расположению в узле сооружений водосбросы подразделяют в основном на две группы: а) водосбросы береговые (вне тела плотины); б) водосбросы в теле плотины.

По конструктивному оформлению водосбросы имеют много разновидностей: береговые открытые, траншейные, шахтные, туннельные, трубчатые, сифонные и др.

В нашем парке следует предусмотреть устройство трубчатого водосброса башенного типа, который представлен на рисунке 2.6.

1 – плотина; 2 – входная воронка водосброса; 3 – переходный участок; 4 – колено; 5 – водоспуск, совмещенный с водосбросом

Рисунок 2.6 – Водопропускные сооружения

Трубчатые водосбросы устраивают в теле грунтовых плотин в основном небольшой высоты и значительно реже в плотинах высотой до 60–80 м. В состав трубчатого водосброса входят: а) головная часть в виде башни; б) донная труба, укладываемая на грунт основания; в) выходной оголовок с устройствами для гашения энергии потока в виде водобойного колодца, трамплина или гасителя другого типа.

Параметры водосброса устанавливаются гидравлическим расчетом. Сначала определяется расчетный расход воды (Q_р) с водосборной площади (водосбора) пруда по модулю стока и величине водосбора.

На территории Беларуси наиболее объемным стоком является весенний. При значительной водосборной площади и малой емкости пруда вода, поступающая в пруд в период снеготаяния, может превысить ФПУ и при переливе воды через гребень плотины произойдет ее разрушение. Поэтому водосброс рассчитывается на максимальный весенний сток 1%-й обеспеченности.

Для определения модуля стока конкретного водосбора (водосбора пруда) вычисляется коэффициент редукции по формуле:

К= , (2.13)

где F – площадь водосбора, км².

Площадь водосбора пруда – это территория, с которой в пруд стекает вода поверхностным и подземным стоком. Она отграничивается от остальной территории водораздельной линией (водоразделом). Водораздельная линия проводится на плане парка путем соединения точек с наибольшими отметками. С западной стороны пруда водораздельная линия проходит по гребню плотины. С северной и южной сторон она будет соответствовать наивысшим отметкам возвышенностей, окаймляющих долину (пруд) соответственно с севера и юга, а с восточной – границей парка. После проведения водораздельной линии площадь водосбора пруда определяется геометрическим способом. В ходе вычислений мы определили площадь водосбора – 0,21 м². F = 0,21 км².

По формуле 2.13 определяем коэффициент редукции:

К= = = 5,17.

F – площадь конкретного водосбора, км².

В нашем случае площадь водосбора пруда, которую определяем по плану парка, составляет 0,21 км². При 1 %-ной обеспеченности для водосборной площади в 150 км² модуль максимального весеннего стока q равен 0,435. Для нашего объекта модуль максимального весеннего стока q` составит:

q` = q × K = 0,435 × 5,17 = 2,25 м³/с · км²

Расход воды с водосбора определяется по формуле:

Q = q` × F = 2,25 × 0,21 = 0,47 м³/с ,

q – модуль максимального весеннего стока, м³/с · км²;

Q – расход воды с водосбора, м³/с; m_p – коэффициент расхода водослива; g – ускорение свободного падения (9,81 м/с²); H₀ – полный напор.

Скорость течения воды определяется по формуле:

υ = Q / ω = 0,47 / 0,785 = 0,6 м/с,

где Q – расход воды с водосбора, м³/с; υ – скорость течения воды, м/с; ω – площадь сечения воронки водосбора, м².

Площадь сечения находим по формуле:

ω = 2πRH = 2 × 3,14 × 0,5 × 0,25 = 0,785 м²,

где R – радиус воронки, принятый условно за 0,5 м, Н – напор, равный половине сливной призмы, т. е. 0,25 м.

Полный напор будет равен:

Н₀ = Н + υ²/2g = 0,25 + 0,6²/19,62 = 0,27 м.

При определении радиуса воронки водосброса необходимо учитывать условие неподтопляемости R > 2,2H₀. Таким образом, радиус должен быть не менее 2,2 × 0,27 = 0,594 м.

Для определения радиуса воронки водосброса необходимо еще найти коэффициент расхода, который вычисляется по формуле:

m = 0,94 [0,49 – 0,068(H₀/R)^1/2] = 0,94 [0,49 – 0,068(0,27/0,594)^1/2] = 0,42.

Теперь у нас есть все данные для вычисления радиуса воронки, который определяется по формуле:

R = Q / (2πm H₀^3/2) = 0,47 / (2× 3,14 × 0,42 × 0,27 ^3/2) = 0,29 м.

Данное значение радиуса входной воронки проверяется на неподтопляемость. Согласно условию неподтопляемости радиус воронки должен быть больше общего напора на кромке воронки, увеличенному в 2,2 раза, т.е. R > 2,2Н₀; в нашем случае при Н₀ = 0,27 м R = 0,59 м. Поскольку данное значение радиуса больше значения, вычисленного по формуле (2.16) (0,27 м), принимаем большее из них, т.е. R = 0,59 м.

Схема водосбора представлена на рисунке 2.6.

Рис. 2.6

Высоту вертикальной трубы примем от основания плотины (относительная отметка 4,5) до НПУ (отметка 8,5). Таким образом, высота трубы будет равна 4,0 м.

Скорость потока воды в вертикальной трубе водослива определяем следующим образом:

υ = 0,93 ,

где y – расстояние по вертикали, м.

Скорости воды на разных высотах в вертикальной трубе водосбора будут равны:

υ_0,5 =0,93 = 2,9 м/с

υ₁ = 0,93 = 4,1 м/с

υ₂ = 0,93 = 5,8 м/с

υ₃ = 0,93 = 7,1 м/с

υ₄ = 0,93 = 8,2 м/с.

Диаметры вертикальной трубы, которые высчитываются по формуле d = , на разных высотах составят:

d_0,5 = = 0,45 м

d₁ = = 0,38 м

d₂ = = 0,32 м

d₃ = = 0,29 м

d₄ = = 0,27 м.

Средний диаметр вертикальной трубы водосбора составит 0,34 м. Радиус поворота оси колена (сочленение с горизонтальной трубой) принимается в пределах (2 – 5)d.

Для устойчивости и удобства обслуживания вокруг вертикальной трубы водосброса устраивается башня. От башни до гребня плотины строится мост.