10788
.pdf90
ВВЕДЕНИЕ
Водопровод населенного пункта, показанный на рис. 1, имеет такую структуру, элементы которой обеспечивают прием воды из природных источников, ее очистку до кондиции питьевой воды и доставку воды потребителю. При этом, ввиду несовпадения режимов подачи и потребления воды, водопровод включает в свой состав элементы, предназначенные для согласования функциональных особенностей его отдельных подсистем.
Водопровод населенного пункта является гидравлической системой взаимосвязанных инженерных сооружений, определяющие конструктивно-
технологические параметры которых могут быть установлены лишь в результате гидравлических расчетов при их обязательном включении в комплексное проектное решение.
91
1. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
ПЛОСКОГО ЩИТА-РЕГУЛЯТОРА
Щитовой затвор предназначен для избирательного отбора потока речной воды, направляемого к береговому приемнику, а также для полного перекрывания входа в ковш для проведения его профилактической очистки от накопленных осадков. В последнем случае возможно полное опорожнение ковша, и щит испытывает максимальные силовые нагрузки, определяющие его конструктивные параметры. Эта контрольная ситуация представлена на рис. 2.
Необходимо подготовить частное детальное решение по размещению равнозагруженных ригелей в каркасе жесткости щита.
Решение задачи аналитическим методом основано на использовании следующих расчетных зависимостей:
|
|
P g hc , |
|
|
|
(1.1) |
|||||
где |
P – суммарная сила давления на щит-регулятор, Н; |
|
|||||||||
|
– плотность жидкости, 1000 кг/м3; |
|
|
|
|
||||||
|
g |
– ускорение свободного падения, |
g 9,8м/с2; |
|
|||||||
|
hc |
– пьезометрическая высота центра тяжести плоской фигуры, м; |
|
||||||||
|
– площадь плоской фигуры, м2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Преобразовав зависимость (1.1): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P g |
H |
|
B H , |
(1.2) |
|||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
H – высота щита-регулятора, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B – ширина щита-регулятора, м. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Учитывая, что общее количество ригелей n = 3 шт., и все они должны |
||||||||||
быть равнозагружены, сила давления на каждый из них будет равна: |
|
||||||||||
|
|
P P P |
|
P |
|
P |
, |
(1.3) |
|||
|
|
|
n |
|
|||||||
|
|
1 2 |
3 |
|
|
3 |
|
|
|||
где |
P1, P2 , P3 – силы давления на первый, второй и третий |
ригели |
|||||||||
|
соответственно, Н. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
92
Рисунок 2 – Конструктивная схема щита-регулятора
93
Равным силам P1, P2 , P3 соответствуют равные площади фрагментов общей эпюры давления 1 , 2 , 3 :
1 |
2 3 , |
|
|
(1.4) |
||
Используя данное условие, силу давления на первый ригель можно |
||||||
рассчитать как: |
|
|
|
|
|
|
P B |
1 |
|
h g h b, |
(1.5) |
||
2 |
|
|||||
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|
где 1 – площадь первого фрагмента общей эпюры давления, кПа·м; h1 – глубина залегания первой части щита, м.
Из формулы (1.5) следует, что глубина залегания первой части щита равна:
h |
2 P1 |
, |
(1.6) |
|
g B |
||||
1 |
|
|
Аналогичным образом выражается глубина залегания второй части щита
h :
|
|
|
2 (P1 P2) |
|
|
|
|||
|
h |
|
|
, |
|
(1.7) |
|||
|
g B |
|
|||||||
Тогда высота второй h2 |
и третьей h3 |
части щита |
определяться |
||||||
следующим образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h2 |
h h1 , |
|
|
|
(1.8) |
|||
|
h3 H h , |
|
|
|
(1.9) |
||||
Глубина залегания центра тяжести каждой из эпюр определяется по |
|||||||||
формуле: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
|
h |
|
IC |
, |
|
|
(1.10) |
|
|
|
|
|
||||||
D |
|
C |
h |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
hD – расстояние до центра давления, м; |
|
|
|
|
|||||
IC – момент инерции плоской фигуры |
относительно |
центральной |
|||||||
горизонтальной оси, м4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Момент инерции плоской прямоугольной фигуры равен:
94
IC B12h3 ,
Центр давления для каждого фрагмента общей эпюры давления:
|
|
|
|
IC1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
B h3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
h1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
h h |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
D |
C |
|
h |
2 |
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
C1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
h B |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
IC2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B h |
3 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
h h |
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
12 |
|
, |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
D |
C |
|
|
hC2 2 |
|
|
1 |
2 |
|
h |
h2 |
h B |
||||||||||||
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
(1.11)
(1.12)
(1.13)
|
|
|
IC3 |
|
|
|
|
|
|
|
B h |
3 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
h3 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|||
h |
h |
|
|
h h |
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
, |
(1.14) |
|||
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
D3 |
C3 |
|
1 2 |
2 |
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
C3 |
3 |
|
|
|
h |
h |
|
3 |
|
|
h B |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
2 |
|
|
|
3 |
|
|
Подставив числовые значения и проведя последовательные вычисления,
получим:
P 1000 9,8 62 6 2,5 441 103 441кН;
P P |
P |
441 103 |
147 103 147 кН. |
||
3 |
|||||
1 |
2 |
3 |
|
||
|
|
|
|
h |
2 147 103 |
3,46 м; |
|
1000 9,8 2,5 |
|||
1 |
|
|
|
|
2 (147 147) 103 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4,9 м; |
|
|||||||||||
1000 9,8 2,5 |
|
|||||||||||||||||||||
h2 |
4,9 3,46 1,44 м; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
h3 |
6,0 4,9 1,1 м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
3,46 |
|
|
|
|
|
2,5 3,463 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
hD |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
2,31 м; |
|
|||||
|
2 |
3,46 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
1 |
|
|
3,46 2,5 |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
1,44 |
|
|
|
|
|
2,5 1,443 |
|
||||||||||
hD2 |
3,46 |
|
|
|
|
|
|
12 |
|
|
4,22 м; |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
2 |
|
3,46 |
1,44 |
1,44 2,5 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
95
|
|
1,1 |
|
|
|
2,5 1,13 |
|
|
|||||
hD3 |
3,46 1,44 |
|
|
|
12 |
|
|
|
|
5,47 м. |
|||
|
2 |
|
|
3,46 1,44 |
1,1 |
|
1,1 2,5 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Расчетная схема представлена на рис. 3а.
Графоаналитический метод решения данной задачи заключается в следующем: учитывая подобие базовой треугольной эпюры по различным вариантам таких же треугольных фрагментов эпюр, можно записать, что площади подобных фигур относятся как квадраты их сходственных сторон:
ЭП H2 ,
iЭП hi2
где ЭП – площадь суммарной эпюры давления, кПа·м;
iЭП – площадь i-го фрагмента эпюры давления, кПа·м; hi – высота i-ой эпюры, м.
ЭП n fi ,
(1.15)
(1.16)
где n – общее число ригелей;
fi – равновеликая всем остальным фрагментам часть суммарной эпюры давления.
iЭП ni fi , |
(1.17) |
где ni = 1, 2, 3 – число равновеликих фрагментов эпюры |
давления, |
задействованных в получении частичного подобного треугольника.
Подставив (1.13) и (1.14) в зависимость (1.12):
n H2 , ni hi2
из этого следует формула для вычисления высоты глубины залегания i-ой части щита:
hi H nni ,
(1.18)
i-ой эпюры или
(1.19)
96
Рисунок 3 – Расчетная схема плоского щитового затвора
97
С учетом того, что щит расположен вертикально центр давления может быть найден следующим образом:
h |
|
2 |
|
hi3 |
hi31 |
, |
(1.20) |
|
3 |
h2 |
h2 |
||||||
Di |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
i |
i 1 |
|
|
где hi – отметка нижней грани i-ой части щита, м; hi 1 – отметка верхней грани i-ой части щита, м.
hD1 23 h1,
h |
|
2 |
|
h3 |
h3 |
, |
|
|
2 |
1 |
|||||
3 |
h2 |
h2 |
|||||
D2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
1 |
|
(1.21)
(1.22)
h |
|
2 |
|
h33 |
h23 |
, |
(1.23) |
|
3 |
h2 |
h2 |
||||||
D3 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
3 |
2 |
|
|
В вышеуказанные зависимости подставляются известные числовые значения:
h 6 |
1 |
3,46 м; |
|
||
1 |
3 |
|
|
h 6 |
|
|
2 |
4,90 м; |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
h3 H 6 м; |
|
|
|||||||||||||
h |
|
|
2 |
3,46 2,31 м; |
|
||||||||||
|
3 |
|
|||||||||||||
D1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
h |
|
|
|
2 |
|
|
4,93 3,463 |
4,22 м; |
|
||||||
|
3 |
4,92 |
3,462 |
|
|||||||||||
D |
2 |
|
|
|
|
||||||||||
h |
|
|
2 |
|
|
6,03 4,903 |
|
5,47 м. |
|
||||||
|
3 |
|
6,02 |
4,902 |
|
||||||||||
D3 |
|
|
|
|
|
||||||||||
Площадь эпюры давления – функция от глубины залегания ригеля: |
|
||||||||||||||
|
|
|
f (h) |
1 |
g h2 , |
(1.24) |
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||
|
iЭП |
|
|
|
|
|
|
i |
2 |
|
|
i |
|
Используя зависимость (1.24), строится интегральная кривая, координаты точек которой заносятся в табл. 1. На рис. 3б представлен график зависимости
iЭП f (hi) .
98
Таблица 1 – Зависимость площади эпюры от глубины залегания ригеля
hi , м |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
5,5 |
6,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iЭП , |
1,2 |
4,9 |
11,0 |
19,6 |
30,6 |
44,1 |
60,0 |
78,4 |
99,2 |
122,5 |
148,2 |
176,4 |
|
кПа·м |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С помощью интегральной кривой можно определить высотное положение нижних границ равновеликих фрагментов эпюр и плоских треугольных площадок, на которые они опираются, а также можно установить высотное положение точек D (центра давления).
Для этого отрезок, параллельный оси абсцисс, делится на n равных отрезков. От полученных концов отрезков проводятся вертикальные линии до пересечения с интегральной кривой. Горизонтальный перенос от полученных точек дает возможность определить границы равновеликих фрагментов эпюр.
Каждый из n отрезков делится пополам. Вертикальные линии,
проведенные из середины отрезков, доводятся до пересечения с интегральной кривой. Горизонтальный перенос от полученных точек позволяет определить положение используемых ригелей, что дает возможность измерить hDi .
99
2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПРЕДПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ РЕЗЕРВУАРОВ ЧИСТОЙ ВОДЫ
2.1. Описание проблемной ситуации
Резервуары чистой воды (РЧВ) – это емкостные сооружения,
предназначенные для поддержания процессов накопления и отдачи, а также хранения питьевой воды. Фактическая вместимость РЧВ складывается из аварийного и противопожарного объемов воды и некоторой регулирующей вместимости, в границах которой происходят интенсивные изменения текущего объема, сопровождающиеся колебанием уровня воды в резервуаре, а значит и широкодиапазонным изменением объема воздушной прослойки над свободной поверхностью воды.
Для обеспечения целостности РЧВ и сохранения качества питьевой воды воздухообмен РЧВ с атмосферой организуется через специальную фильтровентиляционную камеру.
Резервуары состоят из ограждающих и несущих элементов, выполняемых из сборного железобетона, а также ряда конструкций, необходимых для их обслуживания и поддержания заданного технологического процесса.
Конструктивная схема РЧВ с элементами реализации отмеченных функциональных факторов представлена на рис. 4.
Можно сформулировать следующую параметрическую характеристику
РЧВ:
Wрег Wфакт ;
Wвоздmin 0,2 B L;
W max W |
рег |
W min ; |
(2.1) |
возд |
возд |
|
Hmax H 0,2 м;
Hmin Hmax (1 )