Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Открытые водосбросы канала являются плотинами водосбросов , которые используют принципы потока открытого канала для передачи заскладированной воды для того , чтобы не допустить разрушение плотины . Они могут функционировать как основные водосливы, аварийные водосбросы или и то, и другое. Они могут располагаться как на самой плотине, так и на естественном уклоне в непосредственной близости от плотины.

Типы водосбросов [ править ]

Желоб водосброса

Желоб [ править ]

Водосбросы желобов несут сверхкритический поток через крутой склон открытого канала. Водосброс с желобом состоит из четырех основных компонентов: [1] Элементами водосброса являются вход, участок вертикальной кривой (кривая), канал с крутым уклоном и выходное отверстие.

Чтобы избежать гидравлического скачка , уклон водосброса должен быть достаточно крутым, чтобы поток оставался сверхкритическим.

Правильные водосливы помогают контролировать наводнения, предотвращают эрозию на концах террас, выходов и водных путей, уменьшают сток через берега дренажных канав и просты в строительстве.

Однако они могут быть построены только на участках с естественным дренажом и умеренными колебаниями температуры и имеют более короткий срок службы, чем другие водосбросы.

Ступенчатые водосбросы [ править ]

Ступенчатые водосбросы используются для рассеивания энергии по желобу канала. Ступеньки водосброса значительно уменьшают кинетическую энергию потока и, следовательно, уменьшают скорость потока. Ступенчатые водосбросы из уплотненного бетона (RCC) становятся все более популярными из-за их использования при восстановлении старых плотин для защиты от наводнений. [2]

Ступенчатый водосброс

Рекомендации по проектированию этих водосбросов ограничены. Однако исследования пытаются помочь инженерам. Двумя основными конструктивными элементами являются начальная точка (где сначала происходит увеличение объема потока - увеличенная глубина потока) и возникающее рассеяние энергии. [2]

Ступенчатые водосбросы полезны для борьбы с наводнениями, повышения уровня растворенного кислорода (DO) ниже по течению от плотины, помогают очистным сооружениям для переноса газов воздух-вода и удаления летучих органических соединений (ЛОС), а также сокращают длину водосброса или устраняют необходимость в остановке. бассейн. [3]

Тем не менее, существует несколько руководящих принципов проектирования, и ступенчатые водосбросы были успешными только для небольших сбросов единиц, где высота ступеньки может влиять на поток. [3]

Водосбросы бокового канала [ править ]

Водосбросы бокового канала обычно используются для сброса паводков перпендикулярно общему направлению потока путем размещения регулирующего водослива параллельно верхней части сливного канала. [4]

Он обеспечивает низкие скорости потока на входе и минимизирует эрозию.

Однако это может вызвать внезапное повышение уровня резервуара, если канал затоплен.

Скорость потока [ править ]

У разных агентств разные методы и формулы для количественной оценки потоков и пропускной способности желобов. Служба охраны природных ресурсов (NRCS) выпустила справочники по проектированию плотин. В Национальном инженерном справочнике, раздел 14, желоба водосброса (NEH14), [5] уравнения потока даны для прямых входных патрубков и боксов.

NEH14 обеспечивает следующее соотношение напора и напора для прямых входов желобов водосброса, которое задается уравнением потока для водослива:

Q = 3,1 Вт [H + v a 2 / 2g] 3/2 = 3,1H e 3/2

Где:

  • Q = расход на входе (фут 3 / с)
  • W = ширина желоба или входа (футы)
  • H = глубина потока над гребнем (или дном) входа (футы)
  • H e = удельный энергетический напор относительно гребня входа или напор над гребнем входа (футы)
  • v a = средняя скорость приближения, при которой измеряется глубина H (фут / с)
  • g = 32,16 фут / с 2
Прямой вход

Прямой вход [ править ]

Если расход на единицу ширины определяется как q = Q / W, то уравнение можно записать как: [5]

q = Q / W = 3,1 [H + v a 2 / 2g] 3/2 = 3,1H e 3/2

Коэффициент 3,1 варьируется для разных входных условий. Значение коэффициента немного выше, если канал транспортировки имеет большую ширину, чем вход. Значение 3.1 основано на предположении, что H e и v a измеряются в месте, которое демонстрирует докритические условия потока.

NEH14 также обеспечивает следующие отношения для входных отверстий бокового канала:

Q mi = 3.1Lh 3/2

Где:

  • Q mi = пропускная способность без надводного борта (фут 3 / с)
(В данном случае надводный борт - это расстояние по вертикали от поверхности воды до гребня плотины, когда поверхность воды находится на более низкой отметке.)
  • L = длина гребня водосброса (футы)
  • H = высота боковин над гребнем водосброса (футы)
Вход в боковой канал

Вход бокового канала [ править ]

США Бюро мелиорации (USBR) также использует формулу плотины для количественного определения потока над парашютом водосброса. Уравнение потока USBR: [5] [6]

Q = CLH 3/2

Где:

  • Q = расход (фут 3 / с)
  • L = длина (или ширина) гребня водосброса (футы)
  • H = перепад высот между водной поверхностью водохранилища и гребнем водосброса
  • C = коэффициент расхода, который изменяется следующим образом:
Для H = 1 футС = 3,2
23,4
33,6
43,7
53.8

Пример : для гребня водосброса длиной / шириной 25 футов Q будет изменяться в зависимости от H следующим образом:

Расход в зависимости от высоты поверхности воды для формул NRCS и USBR

Для расчетов NRCS средняя скорость приближения принималась равной нулю. Для вычислений USBR предполагалось, что линейная интерполяция может использоваться для получения C из H. Для заданной глубины на гребне водосброса потоки, рассчитанные с использованием метода USBR, выше, чем по методу NRCS, из-за более высоких коэффициентов расхода. . C увеличивается с H при использовании метода USBR, тогда как C предполагается постоянным по отношению к H при использовании метода NRCS.

Режимы потока [ править ]

Желоба водосброса

Поступающий в водосброс поток докритический. Наклон желоба увеличивает скорость потока. Обычно в желобе поддерживается сверхкритический поток.

Ступенчатый водосброс

Поток через ступенчатый водосброс классифицируется как водослив или скиммер. Покровные режимы течения встречаются при небольших расходах и пологих склонах. Если расход увеличивается или наклон канала увеличивается, может возникнуть режим скимминга (Shahheydari et al. 2015). В потоке защитного покрытия есть воздушные карманы на каждом этапе, в то время как в потоке скимминга их нет. Начало потока скимминга можно определить как:

(d c ) = 1,057 * ч - 0,465 * ч 2 / л

Где:

  • h = высота ступени (м)
  • l = длина шага (м)
(d c ) начало = критическая глубина начала скиммингового потока (м)
Изображение покровного покрова и сливного потока

Покровный поток - для режима покровного потока происходит частично или полностью развитый гидравлический скачок в результате струй, создаваемых между каждым шагом. < Рассеивание энергии [7] [8]

Не закрытый водосброс:
Закрытый водосброс:

Где:

  • H dam = верхняя часть гребня плотины выше нижнего выступа (м)
  • H 0 = высота свободной поверхности над гребнем водосброса (м)
  • H max = общий напор (м)
  • d c = критическая глубина потока
  • H = потеря напора (м)

Режим скимминга потока В режиме скимминга вода течет когерентным потоком вниз по ступеньке. Вода скользит по верхней части каждой ступеньки, стекая по желобу. Между каждым шагом образуются рециркулирующие вихри, которые позволяют воде течь над вершиной вихрей и скользить по каждой ступени. [7]

Рассеяние энергии [7]

Не закрытый водосброс:
Закрытый водосброс:

Где:

  • H dam = верхняя часть гребня плотины выше нижнего выступа (м)
  • H 0 = высота свободной поверхности над гребнем водосброса (м)
  • H max = максимальный напор (м)
  • d c = критическая глубина потока (м)
  • H = потеря напора (м)
  • f = коэффициент трения
  • α = наклон канала [рад]

Кавитация [ править ]

Кавитация - это образование пустоты, такой как пузырь, внутри жидкости. Жидкость переходит из жидкого состояния в парообразное из-за изменения местного давления, в то время как температура остается постоянной. В случае водосброса плотины это может быть вызвано турбулентностью или вихрями в текущей воде.

Кавитация возникает в теле потока с заданной распределенной шероховатостью. Однако точное место, где это произойдет, предсказать невозможно. В случае водосброса с желобом кавитация возникает при скоростях от 12 до 15 м / с. [9]

Кавитация на водосбросе может привести к серьезным повреждениям. Это особенно верно, когда скорости превышают 25 м / с. Следовательно, при таких скоростях необходима защита. Кавитацию можно предотвратить, уменьшив скорость потока или увеличив граничное давление. [10]

Рассеяние энергии [ править ]

Каждая плотина нуждается в некоторой форме рассеивания энергии в ее нагнетательной структуре, чтобы предотвратить эрозию и размыв на нижней стороне плотины, поскольку эти явления могут привести к разрушению плотины. Погружные бассейны (также называемые успокаивающими бассейнами) и ударные камеры - два примера рассеивателей энергии, используемых на плотинах.

Многие плотины USBR используют блоки рассеивания энергии для водосбросов желобов (также называемые перегородками). Эти блоки помогают вызвать гидравлический скачок для установления докритических условий потока на нижней стороне плотины. [11]

Ступеньки на ступенчатых водосбросах можно использовать для рассеивания энергии. Однако они, как правило, эффективны только при рассеивании энергии при малых потоках (т. Е. При скимминге). [7]

См. Также [ править ]

  • Плотина
  • Проблема сброса в озеро
  • Водосброс
  • Ступенчатый водосброс

Ссылки [ править ]

  1. ^ Beauchamp, KH "Структуры" . Инженерное полевое руководство . Министерство сельского хозяйства США - Служба охраны почв.
  2. ^ а б Хант, SL; Кадавы, KC (2010). «Рассеяние энергии на плоских ступенчатых водосбросах: Часть 2. Ниже по течению от начальной точки» . Американское общество сельскохозяйственных и биологических инженеров. С. 111–118. ISSN 2151-0032 . 
  3. ^ a b Фризелл, К. Х. "Гидравлика ступенчатых водосбросов для RCC плотин и восстановления плотин. PAP-596" (PDF) . Министерство внутренних дел США - Бюро мелиорации.
  4. ^ Хагер, WH ; Фистер, М. (2011). «Историческое развитие бокового водосброса в гидротехнике» (PDF) . Брисбен, Австралия.
  5. ^ a b c Министерство сельского хозяйства США - Служба охраны почв (1985). Инженерный справочник, раздел 14, водосбросные желоба (NEH14). http://directives.sc.egov.usda.gov/viewerFS.aspx?id=3885
  6. ^ Блер, Гонконг; Рон, Т.Дж. (1987). «Проектирование малых плотин (3-е издание)» (PDF) . Министерство внутренних дел США - Бюро мелиорации. Архивировано из оригинального (PDF) 22 февраля 2014 года.
  7. ^ a b c d Шансон, Хуберт (1994). «Сравнение диссипации энергии между режимами течения со швом и скиммингом на ступенчатых желобах» (PDF) . Журнал гидравлических исследований . 32 (2): 213–218. DOI : 10.1080 / 00221686.1994.10750036 .
  8. ^ Шатила, Жан G; Джурди, Бассам Р. (2004). «Ступенчатый водосброс как рассеиватель энергии» . Канадский журнал водных ресурсов . 29 (3): 147–158. DOI : 10,4296 / cwrj147 .
  9. ^ Шансон, Х. Дизайн устройств аэрации водосброса для предотвращения кавитационного повреждения желобов и водосбросов. http://staff.civil.uq.edu.au/h.chanson/aer_dev.html
  10. ^ ^ Келлс, Дж. А. Смит, CD (1991). Канадский журнал гражданского строительства, 1991, 18: 358-377, 10.1139 / l91-047
  11. ^ Peterka, AJ (1984 (Восьмое печать)). Гидравлическое проектирование успокоительных бассейнов и рассеивателей энергии (Инженерная монография № 25). Министерство внутренних дел США - Бюро мелиорации. http://www.usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/EM/EM25.pdf

11. Шаххейдари, Х., Нодошан, Э.Дж., Барати, Р., и Могхадам, Массачусетс (2015). Коэффициент расхода и рассеяние энергии через ступенчатый водосброс в режиме обезвоживания. KSCE Journal of Civil Engineering, 19 (4), 1174-1182.