СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ И ГАШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

Общие сведения

Рис. 1 - Сопряжение бьефов в форме отогнанного прыжка

В верхнем бьефе поток имеет большую потенциальную энергию. Полная удельная потенциальная энергия в верхнем бье­фе равна (относительно плоскости сравнения О - О):

Е = Р_ВБ + Н₀

Зна­чительная часть потенциальной энергии потока в нижнем бьефе пере­ходит в кинетическую, поэтому скорости в нижнем бьефе за сооруже­нием резко увеличиваются, чем обусловлено сооружение мощных креп­лений дна потока.

Поэтому основная задача сопряжения бьефов состо­ит в том, чтобы преобразовать избыточную кинетическую энергию в по­тенциальную. Это достигается различными способами в зависимости от форм сопряжения бьефов.

Формы и критерии сопряжения бьефов

В зависимости от типа гид­ротехнического сооружения, создающего подпор, различают следующие основные виды истечений:

- через водослив (плотину);

- из-под зат­вора;

- через донные отверстия.

В зависимости от распределения скоростей в потоке по вертикали различают две группы сопряжения бьефов:

- сопряжение, при котором в нижнем бьефе за сооружением наблюдаются наибольшие скорости у дна, называемое донным режимом сопряжения;

- сопряжение, при ко­тором в нижнем бьефе за сооружением наблюдаются наибольшие ско­рости у поверхности потока, называемое поверхностным режимом сопряжения (при наличии в нижнем бьефе сооружения вертикального уступа).

Последующее изложение будет относиться к донному режиму сопряжения.

Формы сопряжения бьефов зависят от того, в каком естественном (бытовом) состоянии находится поток - спокойном или бурном.

В дальнейшем будем рассматривать случаи, когда поток в отводящем русле находится в спокойном состоянии.

Критерием формы со­пряжения является соотношение между глубиной потока в нижнем бьефе и второй сопряженной глубиной гидравлического прыжка h″_c.

В нижнем бьефе могут быть различные виды сопряжения в зависи­мости от типа гидравлического прыжка за сооружением:

1. В форме отогнанного прыжка

В этом случае h″_c > h_н

где h_н - глубина в нижнем бьефе в естественном состоянии.

Проиллюстрируем эту форму сопряжения на примере перелива жидкости через криволи­нейный водослив (плотину) практического профиля (рис. 1).

Непо­средственно за водосливом образуется сжатое сечение С - С с глуби­ной h_с < h_НБ.

Между этим сечением и сечением с глубиной h₁ (первая сопряженная глубина прыжка) имеем кривую подпора.

Длина L пред­ставляет собой длину отгона прыжка.

Рассчитанная вторая сопряжен­ная глубина прыжка в этом случае больше глубины h_НБ.

Рис. 1 - Сопряжение бьефов в форме отогнанного прыжка

Возможен и другой способ определения формы сопряжения бьефов.

Принимаем, что h_НБ = h″_c

Затем вычисляем h′ по уравнению прыжка и сравниваем с глубиной h_с.

Если h′ > h_с - прыжок отогнанный.

Если h′ < h_с - пры­жок затопленный.

2. В форме затопленного прыжка.

В этом случае h″_c < h_НБ

3. Критическая форма сопряжения.

В этом случае h″_c = h_НБ

Данная форма сопряжения яв­ляется промежуточной (граничной) между первой и второй формами сопряжения.

Типы сопрягающих сооружений

Сопрягающие сооружения пред­назначены для гашения энергии потока, поэтому их можно назвать га­сителями энергии.

К ним относятся:

- водобойный колодец;

- водобойная стенка;

- комбинированный водобойный колодец;

- специальные гасите­ли энергии (препятствия, деформирующие поток, способствующие дис­сипации энергии).

К сопрягающим сооружениям относят и сооружения, обеспечиваю­щие сопряжение потоков при резком изменении отметок поверхности земли.

Такими наиболее типичными сооружениями являются:

- перепа­ды;

- быстротоки;

- консольные перепады.

Классическими типами сопря­гающих сооружений считают водобойные колодцы, перепады и быстро­токи.

Гидравлический расчет водобойных колодцев

Водонепроницаемое покрытие дна в верхнем бьефе, которое при­мыкает к телу водоподпорного сооружения и служит для удлинения пу­тей фильтрации и крепления дна, называют понуром. Массивную пли­ту, воспринимающую основное динамическое воздействие потока воды, сбрасываемого из верхнего бьефа в нижний и защищающую русло во­дотока и грунта основания сооружения от размыва, называют водо­боем.

Укрепленный участок русла водотока, расположенный за во­добоем, представляет собой рисберму.

Водобойный колодец - это углубление в водобое, ус­траиваемое с целью гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе.

При h″_c > h_НБ переход бурного потока в спокойное состояние про­исходит в нижнем бьефе в виде отогнанного гидравлического прыжка (см. рис.1), что, как правило, недопустимо или требует усиление водобоя.

Гашение энергии потока достигается путем перевода отогнан­ного прыжка в затопленный.

На рис.2 показан перелив воды через криволинейный безвакуумный водослив и движение воды в нижнем бьефе в предположении, что водобойный колодец выполнил свою функ­цию.

Рис. 2 - Сопряжение бьефов в виде затопленного гидравлического прыжка при наличии водобойного колодца

Требуется рассчитать глубину d_кол и длину L_кол водобойного колодца.

В данном случае колодец образован понижением отметки водо­боя на длине L_кол. При этом образуется вертикальный водобойный ус­туп высотой d_кол.

Будем рассматривать плоскую задачу: ширина потока в нижнем бьефе прямоугольная и одинаковая по длине потока.

Расход воды, ши­рина потока в верхнем бьефе и длина водослива по его гребню извест­ны.

Рекомендуется следующая методика гидравлического расчета водо­бойного колодца: