3.3.1. Кинематика потока при размываемых выходных руслах

Кинематика потока в нижних бьефах водопропускных сооружений, при коротких укреплениях в значительной степени определяется взаимодействием потока с размываемым руслом.

При этом возможны два вида растекания потока: свободное и несвободное.

Вид растекания определяют по отношению нормальной глубины в нижнем бьефе к так называемой предельной глубине - , при которой наступает затопление гидравлического прыжка в створе наибольшего растекания потока:

- при - свободное растекание;

- при - несвободное растекание и сбойные

течения.

Отношение предельной глубины к критической отводящего русла определяется по табл.3.6 как функция степени расширения русла ( - ширина лога по поверхности потока при нормальной глубине ) и числа Фруда на выходе из сооружения - .

84

Таблица 3.6

	при , равном
	1	2	4	6	8	10	12	14
1,3	1,2	1,55	1,9	2,1	2,2	2,1	2,2	1,8
1,5	1,3	1,6	2,0	2,2	2,3	2,3	2,1	1,8
1,75	1,4	1,75	2,15	2,3	2,4	2,35	2,15	1,8
2,0	1,55	1,9	2,3	2,5	2,55	2,45	2,2	1,8
2,5	1,7	2,05	2,55	2,7	2,65	2,55	2,35	1,8
3,0	1,9	2,25	2,75	2,85	2,8	2,65	2,3	1,8
4,0	2,15	2,55	3,05	3,25	3,2	2,9	2,45	1,8
5,0	2,35	2,75	3,2	3,9	3,85	3,1	2,55	1,8

При свободном растекании (наиболее частый случай) в выходных руслах с предохранительным откосом без гасителей энергии (см. рис.3.11 типы 3 и 4) поток, попадая с укрепления на размываемую часть русла, образует пространственный гидравлический прыжок 1 (рис.3.12). Транзитная часть 2 потока проходит под вальцом прыжка вдоль предохранительного откоса; с обеих сторон ее образуются мощные водоворотные зоны 3. Этот режим протекания называют донным, а сопряжение бьефов - по схеме донного режима. При этом наибольшие скорости наблюдаются вблизи дна и при отсутствии надлежащего укрепления получается глубокий размыв.

Рис.3.12. Кинематика потока в Рис.3.13 Кинематика потока в

нижнем бьефе при свободном нижнем бьефе при свободном

растекании и донном режиме растекании и поверхностном

режиме 85

При условиях, зависящих от глубины потока на сходе с укрепления, его кинетичности (числа Фруда), крутизны предохранительного откоса, размеров и глубины воронки размыва, а при наличии гасителя и от его типа, донный режим сменяется поверхностным (рис.3.13). В этом случае на предохранительном откосе за сходом с укрепления образуется донный валец 1 с донными струями, идущими к сооружению, и транзитным потоком 2, проходящим над ним. В эпюре скоростей транзитного потока наибольшие скорости расположены вблизи поверхности. Донные течения, направленные к сооружению, интенсивно замывают яму, пока ее максимальная глубина не уменьшится до определенной величины, зависящей, в свою очередь, от характеристик подходного потока. После этого вновь возникает донный режим и явление повторяется. Поэтому в выходных руслах с предохранительным откосом без гасителей глубина размыва в зависимости от режима пульсирует, увеличиваясь при донном режиме. Расчет рекомендуется вести на донный режим - наиболее опасный по размыву.

При применении в конце укрепления вертикального уступа или гасителя в виде ребра обеспечивается устойчивый поверхностный режим. В этих случаях допускается рассчитывать размыв на поверхностный режим сопряжения бьефов.

Воронка размыва формируется транзитным потоком и водоворотными зонами 3 и имеет в плане форму эллипса, размеры полуосей которого зависят от максимальной глубины размыва и типа укрепления.

При подтоплении нижнего бьефа какими-либо сооружениями, гидравлический прыжок надвигается на сооружение. При этом нижний бьеф гасит энергию водоворотных зон, играющих большую роль в размыве за сооружениями.

Рис.3.14 Влияние степени подтопления нижнего бьефа.

86

(а - свободное растекание б - несвободное растекание в - сбойные течения )

Чем больше степень подтопления нижнего бьефа, тем больше стеснение потока и слабее водоворотные зоны (рис.3.14а и б).

При сбойном течении происходит увеличение удельного расхода потока на части ширины русла. Однако в условиях дорожных водопропускных сооружений блуждание сбойной струи приводит к уменьшению расчетных глубин размыва, соответствующих данной продолжительности дождевого паводка.

При подтопленном нижнем бьефе воронка размыва суживается и удлиняется.

При очень малой ширине лога и не размываемых берегах «лист» растекания формируется целиком на укреплении, и на сходе с него возникает устойчивый поверхностный режим (рис.3.15а). При большей ширине лога возможен донный режим, но с водоворотными зонами меньшей ширины (рис.3.15б). Лишь при возможен донный режим, соответствующий условиям свободного растекания (рис.3.15в).

Рис.3.15. Влияние ширины лога на условия растекания

потока

Для расчета нижнего бьефа предварительно определяют скорости потока для выбора типа укрепления и ширину растекания потока для назначения размеров укрепления.

87

Для размываемых выходных русел при длине укреплений максимальные скорости можно определить из следующих приближенных зависимостей:

- при свободном растекании

- при несвободном

Размеры укрепления в плане определяют по ширине растекания и форме воронки размыва в плане.

Ширину растекания в размываемых выходных руслах при числах Фруда на выходе из сооружения от 2...3 (соответствует условиям работы равнинных сооружений) определяют по формуле

(3.29)

где x - расстояние от конца оголовка до рассматриваемого створа;

- ширина оголовка в его конце.

. (3.30)

Здесь К - коэффициент, характеризующий отношение малой полуоси эллипса воронки размыва к большой, который находят по графику, приведенному на рис.3.;

- максимальная глубина размыва на данное время (см. § 4 настоящей главы);

- эталонный расход. (3.31)

Форма и размеры воронки размыва в плане определяют ширину укрепления в низовой его части.

При свободном растекании очертание воронки в плане представляет собой эллипс с малой полуосью, направленной по оси потока.

При несвободном растекании эллипс деформируется вплоть до того, что оси меняются местами, и эллипс вытягивается вдоль потока.

88

Рис. 3.16. График для определения коэффициента

формы размыва