Тема 6. Планы безотрывных течений

6.1. Основные определения

Построить план течений –означает получить план линий тока и урезов воды на данном участке русла потока и при заданном расходе воды. Линии тока в общем случае имеют криволинейную форму.

Часть потока между линиями тока называют транзитной струей или просто струей. Частные расходы воды потока между линиями тока, т.е. расходы воды транзитных струй Q предполагаются одинаковыми, постоянными и неизменными вдоль потока.

Если построить перпендикулярно линиям тока криволинейные поперечники, то можно получить ортогональную решетку потока (рис. 16).

Рис. 16. Схема ортогональной решетки потока

Криволинейные прямоугольники между смежными линиями тока и ортогональными поперечниками образуют клетки ортогональной решетки. Длина такой клетки l, ширина – b (рис. 16).

Поскольку поток занимает некоторый объем, правильнее будет говорить не о линиях тока, а о поверхностях тока, которые принимаются вертикальными. Пересечение этих поверхностей с водной поверхностью потока и дает линии тока.

В этой теме рассматриваются лишь случаи безотрывных течений, когда поток не отрывается от берегов и не образуются водовороты.

6.2. Построение плана течений при наличии данных изменений скоростей течения

Для построения плана течений необходимо иметь данные об измеренных расходах воды Q и скоростях течения (на разных вертикалях) на нескольких створах, последовательно расположенных на данном участке русла.

Если разделить расход воды Q на m транзитных струй, получим m–1 линий тока. Расход каждой струи будет равен

. (6.1)

Если на участке русла впадает приток или наоборот происходит деление потока или отделение отвода, то удобнее всего делить на m струй суммарный поток соответственно ниже впадения притока или выше места деления потока или отвода.

Для построения плана течений необходимо для каждого створа построить эпюры распределения по ширине русла удельных расходов воды q, равных произведению средних на вертикалях скоростей течения u_ср.в на глубины h:

q=u_ср.вh. (6.2)

На основе графика q=f(b), где b – поперечная координата, строится интегральный график , где верхний предел интегрирования b – текущее расстояние от берега. Величина (здесь В – ширина русла) должна дать расход воды Q.

Расход воды Q делят на m транзитных струй по формуле (6.1) (напомним, что эти расходы должны быть одинаковыми). С графика снимают расстояния от урезов, соответствующие линиям тока (рис. 17). Так поступают для каждого створа. Затем соединяют линии тока на всех створах и получают план течений.

Рис. 17. Схема деления потока на транзитные струи с расходом Q=Q/m

Распределение по ширине русла: 1 – средних скоростей на вертикалях (u_ср.в), 2 – удельного расхода воды (q=u_ср.вh), 3 – функции .

В случае впадения притока или отвода потока поступают также. При этом расходы струй вычисляют по створу, где проходит суммарный расход воды, т.е. выше притока и ниже отвода (рис. 18).

Рис. 18. План течений потока на участках впадения притока (а) и отвода (б)

1 –4 – гидростворы. В случае (а) основной створ – 4, в случае (б) – 1.