5.3. Сооружения для гашения энергии в нижнем бьефе

Различают следующие виды гасителей энергии.

Водобойные колодцы (рис. 5.4). Для затопления гидравлического прыжка часть дна нижнего бьефа опускают на величину d – глубину колодца. Величина d выбирается так, чтобы выполнялось условие .

Рис. 5.4. Водобойный колодец

Водобойные стенки (рис. 5.5). Затопление прыжка в данном случае происходит за счет создания подпора перед водосливной стенкой высотой c.

Рис. 5.5. Водобойная стенка

Комбинированные колодцы (рис. 5.6). Используется сочетание предыдущих двух принципов.

Рис. 5.6. Водобойный колодец комбинированного типа

С пециальные гасители энергии (рис. 5.7). На пути движения потока устраиваются различные препятствия, например, бетонные пирсы.

Данные сооружения не поддаются гидравлическому расчету, поэтому их размеры, расположение в плане приходится устанавливать в ходе эксперимента.

5.4. Расчет водобойного колодца

Гидравлический расчет водобойного колодца состоит в определении глубины колодца и его длины.

Определение глубины колодца. Затопление прыжка в водобойном колодце осуществляется путем увеличения глубины в нижнем бьефе за счет опускания дна колодца . Но одновременно с опусканием дна колодца растет высота падения струи с порога перепада, что приводит к уменьшению сжатой глубины и, как следствие, росту глубины сопряженной сжатой. Таким образом, вторая сопряженная глубина зависит от глубины колодца, поэтому данную задачу приходится решать подбором или графически.

Порядок расчета следующий:

1) задаемся произвольной величиной глубины колодца d₀;

2) находим значение полного напора ;

3) по найденному значению полного напора определяем величину сжатой глубины, решая (5.6);

4) вычисляем вторую сопряженную глубину, используя основное уравнение прыжка:

; (5.7)

5) сравниваем найденную величину h₂ с , если данные величины не равны, задаемся новым значением глубины колодца и повторяем пп. 1–5;

6) для ускорения решения задачи вычисления по пп. 1–5 заносятся в таблицу (см. пример 7);

7) по двум последним графам табл. 5.2 строятся графики и (см. пример 7);

8) точка пересечения графиков даст теоретическую глубину колодца d₀;

9) для затопления прыжка найденную глубину колодца необходимо увеличить на 510 %.

Определение длины колодца. Длина водобойного колодца равна сумме длины отлета струи и величины, несколько меньшей длины гидравлического прыжка

. (5.8)

В этом случае в колодце установится так называемый подпертый прыжок.

Длина отлета струи находится по уравнению

. (5.9)

Длина прыжка может быть найдена, например, по формуле Павловского

. (5.10)

Пример 7. В прямоугольном канале шириной м устроен перепад (см. рис. 5.1). Установить характер сопряжения ниспадающей с перепада струи с нижним бьефом и определить размеры водобойного колодца. Расход воды в канале м³/с, высота перепада м, бытовая глубина м, коэффициент скорости , глубину воды на уступе перепада принять равной критической.

Решение

1. Определяется удельный расход

м²/с.

2. Находится критическая глубина

м.

3. Вычисляется скорость движения воды на уступе перепада

м/с.

4. Находится полный напор

м.

5. Сжатая глубина определяется из уравнения (5.6):

м³;

.

З адавшись рядом сжатых глубин (0,2; 0,25; 0,35 и 0,5 м) вычисляются соответствующие им величины полного напора (табл. 5.1)

По данным табл. 5.1 строится график зависимости полного напора от величины сжатой глубины (рис. 5.8). Откладывая по вертикальной оси величину полного напора 4,012 м, определяем значение сжатой глубины  м. Вычисленное значение полного напора для этой глубины равно 4,012 м. Относительная погрешность составила 0,008 %.

^Е₀^{, м h}_c^{, м}

Рис. 5.8. Определение сжатой глубины

По формуле гидравлического прыжка (5.7) определяется вторая сопряженная глубина

м.

Так как , то сопряжение струи с нижним бьефом будет осуществляться с помощью отогнанного гидравлического прыжка.

Определение глубины колодца сведено в табл. 5.2.

Таблица 5.2