Методика расчета водозаборных траншей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК. 532. 542/. 543

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВОДОЗАБОРНЫХ ТРАНШЕЙ В. И. Елфимов

Кафедра гидравлики и гидротехнических сооружений Российская университет дружбы народов Россия, 117923 Москва, ул. Орджоникидзе, 3.

В статье рассматривается вопрос пропуска расходов через траншейный водослив. Данная схема часто используется при пропуске катастрофических расходов через водосбросы гидротехнических сооружений. Гидравли-чсский расчет траншейного водосброса состоит в определении габаритных размеров траншеи, кинематику потока и размеров элементов сопрягающих сооружений. В данной работе предлагается методика расчета кривой свободной поверхности потока в траншеи.

Расход, входящий через боковую поверхность траншеи длиной Ь, нарушает продольное движение потока в самой траншее, т.е. возникают дополнительные потери энергии, которые не дают возможность применять уравнения Бернулли. Для определения профиля свободной поверхности может применяться теорема количества движения. Согласно этой теоремы проекция приращения количества движения секундной массы жидкости на какое-либо направление равна сумме проекций на то же направление всех сил, действующих на систему. Предположим, что в траншее движение потока установившееся и однонаправленное, где распределение давления подчиняется гидростатическому закону и движение потока является равномерным. Для написания уравнения изменения количества движения необходимо учесть следующие силы: силы давления; инерционные силы в начале и конце траншеи; силы веса воды между выделенными сечениями, силу трения и силу, возникающую от бокового притока жидкости.

А = А (х, к) площадь живого сечения траншеи. Ар - его центр тяжести; 0=6 (х) расход и g - ускорение свободного падения, тогда изменение количества движения после несложных преобразований будет иметь вид:

б2

5=/»Л + —. (1)

Проекция сил на продольную ось (¡Б/с1х равна сумме внешних сил, которые состоят из: веса жидкости ^ А <1 х; сил трения - Уф А й х; сил давления на стенки непризматического

русла

\dxj

к_ 6? я: и бокового расхода dQ>0, входящего под углом ф к продольной оси

dQ

траншеи и COS (р----, где U-скорость бокового расхода (рис. 1), тогда

g

g

Дифференцируя уравнение (1) по х и приравнивая к уравнению (2) деленному на ск, получим:

„Л+2Щ_^{ )А + исо^д

gA gA £

представляя Ир = К (распределение давления по гидростатике).

А+ ЙА

Ь + сИ)

а) •-— <1* —ч б)

Рис. 1. Основные силы, действующие на выделенный объем жидкости в канале с боковым забором: а) продольный разрез, б) план

Живое сечение потока зависит от глубины потока и А = А (х, К), где А' = (д А/д х) + (д А/д И)И , уравнение (3) может быть записано

А'=-

УЦсо$(р-2У g

2 Л

1

(4)

/гг2 = [О2 /% А3] (дА/дк) есть число Фруда и не имеет решения при /т = 1.

Распределение местных потерь напора Нь вызванных боковым притоком (), определяется уравнением:

( исоз^

1-

V

(5)

Для траншей с гребнем параллельным оси канала и с углом входа в траншею <р = 90°, градиент потерь напора будет равен:

V2 й

%А % <2

<0.

(6)

Увеличение расхода на dQ под углом 90° к оси вызывает большие потери напора, и на практике необходимо искать угол входа в траншею с минимальными потерями. Используя формулу, полученную Манингом - Стриклером, для потерь напора от трения

Г К2ЯФ’

(7)

где К - коэффициент шероховатости, Я - гидравлический радиус, можно отметить, что Н1

Q

и ^ зависят (в основном) от средней скорости в траншее V —

А

Для призматических траншей просматривается необходимость уменьшить скорость в начале траншеи. Для непризматических траншей, расходящихся по направлению движения потока, необходимо скорости потока брать больше (из-за экономических соображений). Далее будем считать, что призматические траншеи более предпочтительные с точки зрения гидравлики (рис. 2).

Сравнивая длину всего водослива с водозаборной траншеей, где происходит боковой забор воды, она незначительна, поэтому потери напора вызванные трением можно осреднить

Jfcp. = [Jj (х = 0)+Jf{x = L)\ /2 и для траншеи с одним уклоном Js = const. Тогда разница уклонов Js. — Jf ср =J = const и не зависят от х.

Боковой расход, входящий в траншею, достаточно равномерно распределен по ее длине. На верховом участке траншеи он равен Q (х) = q х, q =Q' >0 и является боковым расходом на единицу длины, и для обычного случая основное уравнение свободной поверхности упрощается и равно:

J ■

2 QQ'

gA2

где Q = qx 0 <x<L;

\-Fr Q = qL=Qu x>L.

(8)

ЕП

Ть

Т

дн.

а) Ь)

Рис. 2. Сравнивающий а) непризматическую и Ь) призматическую траншею для одинаковых гидравлических условий: А к есть разница уровней на входе в траншею для двух случаев при одинаковых условиях входа в канал

Можно доказать что, с учетом предшествующей гипотезы уравнение (8) эквивалентно системе:

О2 S = hA + ^-Р gA S =J А.

(9)

Для траншей, где уклон дна положительный > 0, можно различить два случая. Первый, соответствует уклону дна почти горизонтальному, 0 < < 0.01, для которого У и 0, и Я'

» 0 по уравнению (9). Для второго случая >0,01, который У « , и будет рассмотрен в

следующих работах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hager W. Н. Open channel hydraulics of flows with increasing discharge. J. Hydraulic Re-

search, 1983, Vol. 21.

2. Hager W. H. Trapezoidal side-channel spillways. Canadian Journal of Civil Engineering, 1989,

Vol. 12.

3. Henderson F. M. Open channels flow. MacMillan, New York. 1996.

4. Hsu W. H. Open channels with non-uniforms discharge. Trans. ASCE. 1995, Vol. 103.

5. Sassoli F. Canali collectori laterali aforte pendeza. Eenergia Elettrica, 1991, Vol. 18.

LE DIVERSOIR A ADDUCTION LATERALE

V. I. Elfimov

£a faculté d’ingénieurs L’Université de С amitié des peupEes La rue d’Ordjonikidzé. 3, Moscou, 117923, Russi

Dans cet article on traite du canal â adduction laterale. Cette structure se trouve souvent en combinaison avec le diversoir d'un évacuateur de crue en fonctionne comme auge collectant leau diversante. Le debit entrant latéralement dans l'auge de longenr L perturbe l'ecoulement dans l'auge elle-même. On présente une methode du calcul le profil de la surface d'eau par application du theôrème de la quantité de mouvement.

Елфимов Валерий Иванович родился в 1945 г. Кандидат технических наук, доцент. Выпускник 1973 г. Окончил инженерный факультет по кафедре «Гидравлика и гидротехнические сооружения», специальность «Строительство». В 1982 г. защитил кандидатскую диссертацию. С 1984 г. по настоящее время -доцент кафедры «Гидравлика и гидротехнические сооружения». Автор более 30 публикаций.

Elfimov V. est né en 1945. Candidat es sciences techniqurs, maître de conférence. Il a terminé t’université de l'amitié des peuples à 1973 dans ta spécialité “Bâtiment" selon ta qualification de l'ingenieur du betiment. En 1975 a commencé à fravailler dans la même université en quantité l’assistant de ta chaire “Hydrotiqne et aménagements hydrotiques"En 1984 est dévenu te maitre de conférence de la même chaire. Il est t'auteur plus que 30 articles scintifiques.