Устройство и гидравлический расчет водоспуска

В садово-парковых объектах водоспуски предназначены для полного опорожнения пруда с целью очистки его ложа от наносов и мусора и производства соответствующих ремонтных работ, необходимых для поддержания противофильтрационных свойств ложа пруда, устойчивости верхового откоса плотины и других сооружения гидроузла.

Для полного опорожнения пруда отметка порога водоспуска должна соответствовать наинизшей отметке пруда, у нас она будет ровняться – 4,5 м.

Типы и конструкции водоспусков, применяемые в гидроузлах с плотинами из грунтовых материалов, определяются в основном топографическими и геологическими условиями, а также сбрасываемым расходом.

По расположению в узле сооружений подобно водоспуски делят на два типа: а) водоспуски береговые вне тела плотины; б) водоспуски в теле грунтовой плотины.

К первым относятся открытые береговые водоспуски, которые применяются весьма редко и только на гидроузлах малых напоров. Береговые открытые водоспуски, также как и водосбросы, в садово-парковых объектах устраивать нецелесообразно из-за экономии территории.

К водоспускам в теле грунтовой плотины относятся трубчатые водоспуски. Применяют их обычно в гидроузлах с плотинами небольшой и средней высоты. Водопропускные трубы водоспусков представляют собой железобетонные галереи или стальные трубопроводы, прокладываемые в этих галереях. Укладка стальных труб непосредственно в грунте основания или в теле плотин допускается лишь в редких случаях и только в небольших сооружениях.

Трубчатые водоспуски снабжают, как правило, двумя затворами – ремонтным и рабочим. Располагают их обычно в начале водоспуска.

Металлические трубы в теле плотины укладывают на специально подготовленный фундамент или бетонные опоры и лишь в малоответственных сооружениях – непосредственно на уплотненный грунт с последующим весьма тщательным уплотнением засыпки вокруг труб. Снаружи трубы покрывают антикоррозионными покрытиями.

Выходную часть трубчатых водоспусков на нескальных грунтах часто устраивают в виде водобойного колодца и переходного участка от галереи к трапецеидальному каналу или бетонному лотку.

При гидравлическом расчете в первую очередь определяется максимальный расчетный расход водоспуска по формуле:

Q_нач = 2 W / T,

где Q_нач – расход воды (в м³/с) через водоспуск при начальном напоре Н (при ФПУ), м; W – объем пруда, м³; T – время опустошения пруда, с.

В нашем примере объем пруда при НПУ составляет 115482 м³. Считаем, что пруд должен опорожняться за 20 сут. (1728,0 тыс. с).

Q = 2 ∙ 115482 / 1728000 = 0,134 м³/с.

Поскольку на нашем объекте водоспуск совмещается с водосбросом, в качестве расчетного расхода водоспуска принимается больший из них, а именно Q_р = 0,47 м³/с, в соответствии с разделом 2.13.

Расход водоспуска с постоянным по длине трубы диаметром при истечении в атмосферу вычисляется по формуле

Q = μ , (2.24)

где Q – расход водоспуска, м³/с;

D – диаметр трубы, м;

Н – напор при НПУ над центром тяжести трубы, м;

μ – коэффициент расхода водоспуска.

В нашем случае относительная отметка НПУ равна 8,5 м, а найнизшая отметка ложа пруда – 4,5 м. Отсюда напор Н будет равен 4,0 м (8,5 м–4,5 м).

Коэффициент расхода μ определяется по формуле:

μ = , (2.25)

где Σζ – сумма коэффициентов всех местных сопротивлений;

λ – коэффициент сопротивления по длине (λ = 0,025);

ℓ – длина трубы, м (равна ширине плотины в основании и в нашем примере составляет 36,5 м);

D – диаметр трубы, м.

При расчетах можно принимать следующие значения коэффициентов местных сопротивлений ζ: 1) входное отверстие (плавный вход) ζ_вх = 0,05; 2) затвор водоспуска при неизвестной конструкции ζ_з = 0,20. Следовательно, сумма коэффициентов местных сопротивлений водоспуска при двух затворах будет равна:

Σζ = ζ_вх + 2 · ζ_з = 0,05 + 2 · 0,20 = 0,45.

При известном расчетном расходе Q_р, напоре Н и длине водоспускной трубы ℓ задача по определению диаметра водоспуска D решается графическим способом, суть которого состоит в следующем.

Для ряда произвольно выбранных значений диаметра D (0,1; 0,2; 0,3 м и т.д., включая 0,6 м) по формуле (2.25) вычисляем для каждого диаметра коэффициент расхода водоспуска μ, а по формуле (2.24) – расходы. Например, для D = 0,1 м

μ_0,1 = = = 0,31;

μ_0,2 = = = 0,41;

μ_0,3 = = = 0,47;

μ_0,4 = = = 0,52;

μ_0,5= = = 0,55;

μ_0,6 = = = 0,58.

Далее производим расчет напора для данных диаметров:

Q_0,1 = μ_0,1 = 0,31 = 0,021 м²/с;

Q_0,2 = μ_0,2 = 0,41 = 0,228 м²/с;

Q_0,3 = μ_0,3 = 0,47 = 0,294 м²/с;

Q_0,4 = μ_0,4 = 0,52 = 0,579 м²/с;

Q_0,5 = μ_0,5 = 0,55 = 0,956 м²/с;

Q_0,6 = μ_0,6 = 0,58 = 1,45 м²/с;

По вычисленным значениям расхода и выбранным значениям диаметра строится график (рис. 2.7).

Искомый диаметр водоспуска составит 0,33м. Учитывая стандарты труб, принимаю диаметр водоспуска 350 мм. [2, с .43].