11.9. Гидравлические расчеты нижнего бьефа малых искусственных сооружений

Растекающийся в укрепленном отводящем русле бурный поток ограничен с боков косыми гидравлическими прыжками и водоворотными зонами. Косые гидравлические прыжки возникают в сечении полного растекания, где происходит набегание крайних струек растекающегося потока на боковые стенки отводящего русла. Продольный разрез потока показан на рис. 11.18.

Рис. 11.18. Схема протекания потока по укреплению

При затоплении сечения полного растекания бытовым потоком происходит прорыв водных масс в водоворотные зоны и в отводящем русле возникает опасное сбойное течение. Для предотвращения этого переходный участок отводящего русла в плане следует устраивать в виде раструба, исключающего появление сбойного течения (рис. 11.19). При устройстве раструба сопряжение бурного потока, вытекающего из сооружения, со спокойным потоком в русле будет осуществляться обычным прямым прыжком.

Для определения скоростей и глубин потока в области растекания, а также для определения боковых границ растекающегося потока можно воспользоваться универсальным графиком И. А. Шеренкова (рис. 11.20).

На универсальном графике нанесены линии тока и линии равных глубин и скоростей в области растекания потока (до продольной оси потока, являющейся осью симметрии). На графике линии тока даны через 10%, т. е. каждая линия тока отсекает струю, несущую 10% общего расхода Q. Линии равных глубин даны через 0,1h_o, где h_o – глубина на выходе из сооружения, являющаяся начальной глубиной растекания. График построен в безразмерных координатах:

, (11.34)

где b – размер отверстия трубы или моста (ширина потока на выходе); Fr – число Фруда в выходном сечении со скоростью V_o и глубиной h_o.

Очертания крайней линии тока (Q=0%) следует принимать в качестве границы переходного участка отводящего русла (см. рис. 11.20).

Рис. 11.19. Схема укрепления в виде раструба: 1 – плоское укрепление русла; 2 – предохранительный откос

Рис. 11.20. Универсальный график И. А. Шеренкова

Глубины и скорости потока в отводящем русле определяют в следующем порядке.

1. Находят глубину h_o и скорость потока V_o на выходе из сооружения.

2. Определяют число Фруда на выходе

. (11.35)

3. Пользуясь универсальным графиком (см. рис. 11.20), строят линии тока и линии разных глубин в зоне растекания. Для этого безразмерные координаты и , взятые с графика, умножают на bFr и b, получают действительные координаты линий тока и линий равных глубин:

и . (11.36)

4. Определяют скорость и глубину потока вдоль этих линий. Так, вдоль линии, равной глубине h/h_o=0,8, глубина h равна 0,8h_o. Скорость потока определяют из уравнения Бернулли, причем уклоном дна и потерями энергии при небольшом протяжении укрепления можно пренебречь

. (11.37)

Обозначив отношение h/h_о=k, получим зависимость

. (11.38)

Если необходимо учесть потери напора и уклон дна i_о, задачу решают методом последовательных приближений, используя уравнение Бернулли в виде

, (11.39)

где l – расстояние вдоль линии тока между выбранными начальным и конечным сечениями.

В первом приближении определяют V_кон и h_кон, принимая h_w = 0. По найденным значениям V_кон и h_кон определяют и .

Затем находят уклон трения

. (11.40)

Определив h_w=I_wl, уточняют значения V_кон и h_кон, пользуясь уравнением Бернулли, и т.д.