Водослив характеризуется шириной отверстия b, шириной порога s, высотой водосливной стенки со стороны верхнего рв и нижнего рн бьефов (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 Истечение жидкости через водослив

Рисунок 5.2 Виды водосливов: а – с тонкой стенкой; б – с широким порогом; в – практического профиля.

В настоящее время водосливы характеризуются по следующим признакам.

1. По очертанию и размерам водосливной стенки:

• водослив с тонкой стенкой (рисунок 5.2, а), для которого характерно, что ширина его S не влияет на форму переливающейся струи S0.67Н;

• водослив с широким порогом (рисунок 5.2, б), с горизонтальной поверхностью порога при (2…3)НS(8…10)Н;

• водослив практического профиля криволинейного или полигонального очертания (рисунок 5.2, в), при 0.67НS(2…3)Н.

2. По форме очертания: прямоугольные, треугольные, трапециидальные, криволинейные и др.

3. По очертанию водосливной стенки в плане: прямолинейные, полигональные, криволинейные, замкнутые.

4. По расположению водослива по отношению к направлению потока: водосливы прямые, косые и боковые.

5. По условиям подхода потока к водосливу: водосливы без бокового сжатия потока, когда ширина прямоугольного водослива равна ширине подводящего канала, и водосливы с боковым сжатием, когда ширина водослива меньше ширины канала (рисунок 5.3, а).

6. По стеснению потока водосливом вертикальной плоскости: водосливы с порогом и без порога.

7. По влиянию нижнего бьефа на истечение через водослив: водосливы неподтопленные, когда уровень нижнего бьефа не влияет на его расход; водослив подтопленный, когда уровень нижнего бьефа влияет на расход жидкости, проходящей через него (рисунок 5.3, б).

a) б)

Рисунок 5.3 Водослив со сжатым сечением (а), истечение жидкости через подтопленный водослив (б)

5.2 Гидравлический расчет водослива с тонкой стенкой

Для определения расхода жидкости при истечении через водослив с тонкой стенкой, воспользуемся схемой на рисунке 5.4.

z

z

dz

b

Рисунок 5.4

Рассматривая выделенную на глубине z полоску как малое отверстие в тонкой стенке площадью , можно записать расход протекающей через нее жидкости

.

Интегрируя это выражение получим полный расход через водослив.

Обозначим , тогда

, (5.1)

где m – коэффициент расхода водослива, m=0.41.

Коэффициент расхода водослива с тонкой стенкой с учетом скорости подхода жидкости к водосливу может быть определен по формуле

,

где Р – высота стенки водослива;

Н – напор на водосливе.

При увеличении толщины стенки водослива коэффициент расхода m₀ уменьшается.

Предельная толщина S стенки водослива (ширина порога водослива), при которой еще можно применять формулу водослива с тонкой стенкой, составляет 0.5Н.

Водослив с тонкой стенкой будет подтопленным (рисунок 5.3, а), если h_нP (где h_н – глубина воды в нижнем бьефе).

Расход через подтопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется по формуле

, (5.3)

где _п – коэффициент подтопления, определяемый по формуле Базена

, (5.4)

5.3 Определение расхода через водослив с широким порогом

Решение этой задачи основывается на постулате Беланже, в соответствии с которымвысота слоя жидкости над порогом водослива устанавливается так, что расход через водослив максимален.

Рисунок 5.5

Напишем уравнение Бернулли для сечения 1-1 взятом перед водосливом и сечения 2-2 на водосливе. За плоскость сравнения принимаем плоскость 0-0, совпадающую с порогом водослива.

Пренебрегая сопротивлениями движению потока, получим

. (5.5)

В уравнении Бернулли для схемы представленной на рисунке 5.5:

Р₁=Р_а, Р₂=Р_а, ₁=₀, ₂=, , принимаем₁=₂.

Подставляя приведенные данные в уравнение (5.5), получим

. (5.6)

В этой формуле:

₀– скорость, с которой жидкость подходит у порогу водослива;

 – скорость на пороге водослива;

Р_а – атмосферное давление.

Обозначим (Н₀ – напор с учетом скорости подхода жидкости к водосливу), тогда уравнение (5.6) будет иметь вид

,

откуда скорость течения на пороге водослива в сечении 2-2

.

Обозначим

- коэффициент скорости,

тогда

, (5.7)

а расход жидкости

.

Для прямоугольного сечения водослива

 = b h

и

. (5.8)

Но =z₀ – полный перепад с учетом скорости, с которой жидкость подходит к порогу водослива. Поэтому

. (5.9)

Приведем формулу (5.8) к общему виду для всех водосливов, для чего разделим и умножим правую часть ее на , тогда получим

,

или

,

где

.

Обозначим (m - коэффициент расхода водослива).

Тогда окончательно получим расходную зависимость для определения расхода через незатопленный водослив с широким порогом

. (5.10)

Если скорость, с которой жидкость подходит к порогу водослива ₀0.5 м/сек, то ее можно не учитывать и расчетная формула примет вид

. (5.11)

Формулы (5.10) и (5.11) служат для определения расхода при истечении жидкости через незатопленный водослив. Этими же формулами можно пользоваться и при гидравлическом расчете подмостовых отверстий, когда водоток необходимо пропустить под железную или шоссейную дорогу.

Контрольные вопросы

1. Для чего предназначены водосливы? 2. Основная классификация водосливов. 3. Назовите основные характеристики работы водосливов. 4. От чего зависят основные характеристики водосливов? 5. Чем отличается водослив с тонкой стенкой от водослива с широким порогом? 6. Как влияет нижний бьеф на перелив потока через водослив? 7. Какие параметры влияют на расход жидкости через водослив?