Гидравлический расчет полузапруд

При проектировании полузапруд на судоходных реках необходимо знать следующие их размеры: длину, высоту, продольный уклон гребня, угол наклона сооружений к направлению течения, расстояние между полузапрудами, заложение откосов, длину крепления и некоторые другие элементы. Обычно расчетом определяются длина сооружения, его высота и расстояние между полузапрудами. Остальные параметры устанавливаются с использованием имеющихся практических рекомендаций.

В основу методики расчета полузапруд положены данные лабораторных исследований, выполненных в ЛИВТе. Главным результатом этих исследований следует считать получение экспериментального графика К_сл=f(m,К_св) при различных расстояниях между полузапрудами.

Основным показателем, характеризующим работу затопленных полузапруд по перераспределению расхода воды по ширине русла (рис. 3.8), является отношение расхода воды в пределах выправительной трассы при наличии полузапруд Q_св к величине расхода воды в бытовом состоянии Q_св.б в виде К_св=(Q_св/Q_св.б)≥1.

Рис. 3.8. Расчетный поперечный профиль русла и

интегральная кривая расхода в створе полузапруды

Степень затопления полузапруды характеризуется параметром К_сл=w_сл/w_п. Он представляет собой отношение площади переливающегося через гребень слоя воды w_сл к части площади поперечного сечения потока, занимаемой полузапрудой w_п.

Степень стеснения потока полузапрудой m=w_п/w_г определяется отношением части площади поперечного сечения, занимаемого полузапрудой w_п, к полной площади поперечного сечения потока при уровне воды, совпадающем с отметкой гребня сооружения w_г.

При определении элементов сплошной полузапруды принята следующая последовательность вычислений.

Предварительно находится значение руслоформирующего расхода воды Q_р и соответствующего ему расчетного уровня воды Z_p, ширина и радиус кривизны трассы. Затем на плане затруднительного участка наносится положение выправительной трассы и предварительное расположение полузапруд. Таким образом, определяется длина сооружений.

В створе каждой полузапруды строится интегральная кривая распределения расхода воды при расчетном уровне и определяется расход воды Q_св.б, проходящий в границах выправительной трассы в бытовом состоянии, а также площадь этой части поперечного сечения w_св.

Потребный расход воды в пределах выправительной трассы Q_св, необходимый для обеспечения размыва дна на судовом ходу, находится как Q_св=w_св×V_р. Здесь V_р – расчетная скорость в пределах выправительной трассы. Выражение для расчетной скорости имеет вид

, (3.11)

где: V_разм = 1.3×V_нр – размывающая скорость течения воды;

V_нр – неразмывающая (по В.Н. Гончарову) скорость течения;

К_зап = 1.2 1.4 – коэффициент запаса, учитывающий возможность образования самоотмостки дна.

Расчеты каждой полузапруды выполняются для трех значений отметки гребня сооружения, назначаемых в пределах от проектного до расчетного уровней воды. По результатам вычислений на одном графике (рис. 3.9) строятся кривые зависимостей К_сл=f₁(Z_г), m=f₂(Z_г) и К_сл=f₃(m).

Рис. 3.9. Графическое определение отметки гребня полузапруды

По этому графику определяются искомые значения К_сл, m и расчетная отметка гребня полузапруды Z_гр. Далее, с учетом особенностей перекатного участка, полученные значения отметок гребней полузапруд уточняются в целом для всей системы сооружений.

Порядок расчета сквозной свайной полузапруды.

Характер работы в потоке сквозной свайной полузапруды отличается от работы глухого сооружения тем, что в этом случае часть расхода воды пропускается в пределах ее застроенной части.

Жирновой Е.А. были проведены экспериментальные исследования в гидравлическом лотке и разработаны расчетные рекомендации. Методика расчета сквозных сооружений заключается в следующем.

Первоначально, исходя из условий пропуска весеннего ледохода, определяется допустимая отметка гребня свайного сооружения и его высота. Отсюда находится отношение h_c/h, характеризующее степень затопления полузапруды.

Если h_c≤h, то сооружение будет затопленным при расчетном уровне воды. И, соответственно, при h_c³h, дальнейшие расчеты выполняются для случая незатопленной полузапруды. Далее вычисляется коэффициент стеснения русла полузапрудой, и находятся значения расходов воды Q_св.б и Q_св в границах выправительной трассы.

Основной показатель работы сквозной полузапруды по перераспределению расхода воды по ширине русла К_св в данном случае вычисляется по формуле

, (3.12)

где: p = d / (d + s) – коэффициент застройки свайной полузапруды (d – диаметр свай, s – расстояние в свету между ними);

а = 1.0 – 13.3×(1 – m) / 3.13^(hc/h) – эмпирический показатель.

Расчетная зависимость (3.12) считается справедливой для начального момента работы полузапруды в потоке. Границы ее применимости, в пределах которых получаются надежные результаты, составляют:

– степень стеснения потока ;

– коэффициент застройки сооружения ;

– ограничений по высоте сооружения нет.

В том случае, если при максимальном значении коэффициента застройки полузапруды р=0.8, не удается получить необходимую степень перераспределения расхода воды в пользу выправительной трассы К_св, то следует запроектировать глухое непроницаемое сооружение и определить его высоту по вышеописанной методике.

Расчет расстояния между полузапрудами.

При проектировании расположения полузапруд на перекатном участке расстояние между ними принимается равным критическому

, (3.13)

где: m – коэффициент, зависящий от степени стеснения потока полузапрудами. Определяется на основе теории турбулентных струй И.М. Коновалова.

l_п – длина проекции полузапруды на плоскость живого сечения.

Положительные результаты выправления русла достигаются при расположении полузапруд на прямолинейных участках на расстоянии, имеющем порядок S=(2¸3)×l_п. На вогнутом берегу расстояние между сооружениями следует уменьшать до S=(1¸2)×l_п; на выпуклом, наоборот, его допускается увеличивать до S=(3¸4)×l_п. В этих случаях кривая растекания транзитного потока не заходит в межполузапрудные пространства, а лишь касается голов нижерасположенных сооружений.

Имеются также и другие расчетные рекомендации для определения расстояния между полузапрудами.