Гидравлический расчет запруд

Запруды на судоходных реках возводятся во второстепенных рукавах и предназначены, в основном, для перераспределения расхода воды в пользу судоходного рукава.

В большинстве случаев они являются сооружениями меженного действия. Наиболее заметным влияние запруд на гидравлику потока и условия транспорта наносов на улучшаемом участке становится в конце спада половодья и в меженный период времени. Увеличение расхода воды в судоходном рукаве приводит к размыву расположенных в нем гребней перекатов и углублению судового хода.

Основные размеры запруд, в частности их высота и длина крепления дна ниже сооружений, обычно определяются для случая их работы в меженный период времени. Поэтому за расчетный принимается среднемеженный уровень воды, и, соответствующий ему расход воды на затруднительном участке.

Бытовое распределение расходов воды между рукавами.

Исследование влияния дноуглубительных работ на гидравлику разветвленного участка реки показывает, что разработка прорези в одном из рукавов приводит к изменению гидравлико–морфометрических характеристик потока и русла на участке разветвления. Характер этих изменений на разветвлении проявляется более сложным образом в отличие от однорукавного русла.

Для оценки влияния инженерных мероприятий на гидравлику разветвленного участка реки необходимо иметь сведения о распределении расхода воды по рукавам в бытовом и проектном состояниях русла, а также рассчитать влияние дноуглубительных работ на положение уровней воды на затруднительном участке реки.

В большинстве практических случаев, исключая спрямление речных извилин, в расчетах пренебрегают ролью местных сопротивлений в узлах разделения и слияния потоков и пользуются сокращенной (без инерционных членов) формулой уравнения движения

, (3.14)

где: К_ср = (К_i+К_i+1)/2 – среднее значение модуля расхода (где i – порядковый номер граничного сечения, считая сверху вниз по течению реки).

В зависимости от состава исходных данных можно выделить три основных случая расчета:

– наполнение русла известно;

– наполнение русла неизвестно;

– отсутствуют сведения о гидравлических сопротивлениях (коэффициентах шероховатости) в рукавах.

В первом случае обычно задан план русла в изобатах и превышение расчетного уровня воды над проектным. Чаще всего это превышение принимается одним и тем же для всего участка реки. Кроме этого, известны коэффициенты гидравлического сопротивления русла в рукавах при расчетном уровне воды. К этому случаю относятся также расчеты проектного состояния русла, если влияние проектируемых мероприятий на уровенный режим несущественно и его можно не учитывать.

Во втором случае расчетов наполнение русла неизвестно, а также неизвестны сопротивления в рукавах при искомом распределении расходов воды. Такие задачи возникают на разветвлениях речных русел, когда влияние проектируемых мероприятий на гидравлику потока на разветвлении является существенным и снижением уровней воды в расчетах уже нельзя пренебрегать. Однако, для выполнения вычислений в этом случае, должно быть известно наполнение русла и гидравлические сопротивления в рукавах при трех других, отличных от расчетного, уровнях воды.

В третьем случае, в отличие от первых двух, исходная информация по затруднительному участку не содержит сведений о бытовых уклонах свободной поверхности и гидравлических сопротивлениях русла в рукавах. Поэтому расчеты распределения расхода воды по рукавам в этом случае приобретают ориентировочный характер и являются приближенными.

В зависимости от морфологии разветвленного участка реки различают двухузловые и многоузловые разветвления.

При известном наполнении русла расчет двухузлового разветвления, независимо от числа рукавов, выполняется за один прием. Во всех остальных случаях, то есть для двухузлового разветвления при неизвестном наполнении русла и для многоузлового разветвления, расчет распределения расхода по рукавам ведется методом последовательных приближений. При этом задача о распределении расходов воды по рукавам решается совместно с определением отметок свободной поверхности в узлах разветвления.

В том случае, когда отсутствуют сведения об уклонах свободной поверхности и расходах воды в рукавах в бытовом состоянии русла, значения гидравлических сопротивлений, а, следовательно, и модули сопротивлений рукавов неизвестны. Поэтому при выполнении расчетов приходится задаваться значениями коэффициентов шероховатости по табличным данным, либо по одной из имеющихся формул коэффициента Шези.

Проектное распределение расходов воды между рукавами.

Первоначально анализируется вопрос о необходимости возведения запруды на участке. Для этого вычисляется величина проектного расхода воды Q_с.п в судоходном рукаве, необходимого для обеспечения размыва перекатов. Проектный расход находится по формуле

, (3.15)

где: w_прк – площадь поперечного сечения на гребне переката;

V_р – расчетная скорость течения, необходимая для размыва дна в судоходном рукаве, которая находится по формуле (3.11).

Далее, полученное значение проектного расхода воды Q_с.п сравнивается с бытовым расходом Q_с.б в судоходном рукаве. При этом возможны три случая:

– Q_с.п£Q_с.б£Q – запруда не нужна;

– Q_с.б£Q_с.п£Q – нужна запруда меженного действия;

– Q_с.б£Q_с.п³Q – нужна запруда весеннего действия.

Наиболее часто на практике встречается второй случай, когда имеется необходимость возведения запруды меженного действия. Такая запруда обычно работает в затопленном состоянии как водослив, через который происходит перелив воды из верхнего бьефа в нижний.

Определение отметки гребня запруды.

Определение высоты запруды начинается с расчета отметок свободной поверхности в рукавах при бытовом и проектном расходах воды. Расчеты обычно выполняются графически по способу Н.Н. Павловского, применение которого дается в соответствующих практических рекомендациях и руководствах.

В результате вычислений находятся отметки уровней воды в верхнем, расположенном выше сооружения, и нижнем бьефах запруды. Отсюда определяется напор на гребне запруды и отметка ее гребня. Расчетная схема к определению напора воды на запруде показана на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Схема к определению напора воды на запруде

При переливе воды через запруду может наблюдаться три стадии движения потока: короткий лоток с горизонтальным дном при малых толщинах переливающегося через запруду слоя воды; водослив с широким порогом; водослив практического профиля.

Обычно, при пропуске меженного расхода воды, запруды работают в потоке в качестве незатопленных или затопленных водосливов с широким порогом. В этом случае величина напора на запруде оказывается меньше половины ширины запруды по гребню (Н/b_г£0.5).

С повышением отметок уровня воды растет вероятность работы запруды в затопленном состоянии в качестве водослива практического профиля. Значение напора при этом становится больше полуширины гребня запруды ((Н/b_г³0.5)), а глубина на гребне превышает критическое значение h_кр, определяемое по формуле

, (3.16)

где: q – удельный расход воды на гребне запруды.

Расход воды, переливающийся через запруду, оценивается по формуле водослива

, (3.17)

где: s_п – коэффициент подтопления, зависящий от напора воды и положения уровня воды в нижнем бьефе;

т_р – коэффициент расхода, зависящий от ширины гребня и конструкции запруды;

b – ширина водослива (длина запруды);

H₀ = H+u₀²/2g – полный напор воды на запруде с учетом скорости течения u₀ на подходе к сооружению.

Расчет величины напора воды на запруде ведется подбором. При этом значения коэффициента подтопления и коэффициента расхода устанавливаются по специальным графикам, полученным на основе экспериментальных исследований.

Отметка гребня запруды находится отсюда как разница между отметкой уровня воды в верхнем бьефе и величиной напора на гребне запруды Z_гр = Z_в.б – Н. Далее, вычитая из полученной отметки гребня отметку дна в створе сооружения, получаем высоту запруды P_з = Z_гр – Z_д.

Определение длины крепления нижнего бьефа.

Длина крепления нижнего бьефа запруды зависит от режима сопряжения бьефов. В зависимости от соотношения гидравлических параметров потока, размеров и формы поперечного сечения глухой непроницаемой запруды, возможны два режима сопряжения верхнего и нижнего бьефов: поверхностный и донный (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Режимы сопряжения бьефов запруды:

а – поверхностный; б – донный

При поверхностном режиме транзитная струя, сходящая с гребня запруды, плавно расширяется по глубине потока в нижнем бьефе. За низовым откосом запруды образуется большая водоворотная область с обратной скоростью течения у дна. Длина водоворотной зоны имеет порядок L_в=6P_з. Придонная скорость течения в границах водоворотной области составляет примерно u_д=(1/4¸1/3)u_г.

В случае донного режима сопряжения транзитная струя проходит вдоль низового откоса запруды, и, постепенно расширяясь по глубине потока, следует в нижний бьеф. В этом случае придонные скорости течения в районе низового откоса оказываются сопоставимыми со скоростью течения на гребне запруды u_д»u_г. Над транзитным потоком образуется водоворотная область с обратной поверхностной скоростью течения.

Режим сопряжения определяют четыре основных фактора:

– поперечный профиль запруды (заложение низового откоса т_н);

– удельный расход воды q на гребне запруды;

– величина подтопления h_п;

– фаза гидрологического цикла подъем или спад уровней воды.

Длина крепления нижнего бьефа у низких, затопленных запруд с поверхностным режимом сопряжения, принимается равной l_кр=3Р_з. Если запруды высокие, с преобладанием донного режима, то в этом случае длина крепления принимается равной l_кр=10Р_з. В промежуточных случаях, когда встречаются и тот и другой режимы сопряжения, длина крепления нижнего бьефа устанавливается равной l_кр=(5¸6)Р_з.

Расчет сквозной запруды.

Расчет сквозной свайной запруды в методическом плане аналогичен расчету глухого непроницаемого сооружения. Некоторые различия в вычислениях заключаются в следующем.

Основными параметрами сквозной свайной запруды являются высота сооружения и коэффициент ее застройки. От этих значений зависит, какое сопротивление потоку оказывает сквозная запруда и, следовательно, перепад на ней уровней воды DZ. Величина коэффициента сопротивления преграды z вычисляется по формуле

, (3.18)

где: u₀ – скорость течения на подходе к сооружению, м/с.

На основе экспериментальных данных было получено выражение, связывающее параметры сквозного свайного сооружения с коэффициентом сопротивления в виде

. (3.19)

Область возможного применения данной зависимости находится в пределах от z>0.2 и р>0.25, что позволяет рассчитывать и сплошные и сквозные запруды.

Аналогично, как и у полузапруд, отметка гребня запруды устанавливается исходя из условий пропуска весеннего ледохода. Отсюда находится отношение h_c/h, характеризующее степень затопления запруды. Затем по формуле (3.18) находится коэффициент сопротивления свайного сооружения z и по формуле (3.19) коэффициент его застройки.

В том случае, если сквозная свайная запруда не может обеспечить требуемое перераспределение расхода воды по рукавам, необходимо рассмотреть возможность возведения сплошной, либо двух и более сквозных запруд. Выбор окончательного варианта определяется технико–экономическим расчетом.