11.5 Критерий подтопления водослива с широким порогом

Соответствующими опытами было показано, что в общем случае картина истечения воды через подтопленный водослив с широким порогом выглядит, как показано на рис.11.5.

Рис. 11.5 Подтопленный водослив с широким порогом. Z_вс – перепад восстановления.

Из этого рисунка ясно, что поток в районе рассматриваемого водослива может быть разбит на три отдельные части: а) подходную часть (между сечениями в-в и 1-1), в пределах которой имеют место потери напора на вход; здесь поток претерпевает сжатие; б) собственно водослив (между сечениями 1-1 и 2-2), где потерями напора пренебрегают; в) выходную часть (между сечениями 2-2 и н-н), в пределах которой имеет место потеря напора на выход; здесь поток получает резкое расширение.

Как видно, подтопленный водослив характеризуется в общем случае наличием одного положительного перепада Z_в и одного отрицательного перепада Z_вс. Свободная поверхность за сечением 2-2 может подниматься вверх на величину Z_вс, благодаря тому, что часть кинетической энергии потока в этом месте переходит в потенциальную энергию. В связи с этим перепад Z_вс называется перепадом восстановления. Заметим, однако, что при наличии больших потерь напора в пределах выходного участка водослива перепад Z_вс может и не иметь места.

Рис. 11.6 Подтопление водослива с широким порогом (с надвигающимся гидравлическим прыжком)

Ранее считалось, что водослив с широким порогом становится подтопленным с того момента, когда уровень нижнего бьефа начинает подниматься выше горизонта воды на пороге водослива. Однако на самом деле в этом случае на водосливе может возникнуть гидравлический прыжок (рис. 11.6). При этом до тех пор, пока на некоторой части водослива сохраняется глубина, характерная для неподтопленного водослива, расход через него не меняется и напор перед ним остаётся прежним. Поэтому водослив может оставаться неподтопленным даже когда горизонт нижнего бьефа (ГНБ) оказывается выше уровня воды на пороге водослива.

Исследования Р.Р.Чугаева, проведённые с учётом явления гидравлического прыжка на водосливе и с учётом пояснённого выше перепада восстановления показали, что водослив с широким порогом следует считать подтопленным, если высота подтопления

где

12 Сопряжение бьефов при устройстве плотин

При устройстве плотины возникает два бьефа – верхний (выше по течению от плотины) и нижний (вниз по течению).

При этом, если расход через плотину не отличается существенно от расхода в водотоке до её строительства, то глубина в нижнем бьефе также остаётся прежней, характерной для данного русла до строительства плотины.

Глубина в верхнем бьефе определяется высотой плотины.

Вода может переливаться через плотину в специально отведённых местах (возникает водослив) или протекать через специальные отверстия (открытые затворы, поднятые щиты и др.).

За счет высокого уровня, вода верхнего бьефа изначально имеет большую потенциальную энергию, которая при перетекании в нижний бьеф переходит в кинетическую. То есть в нижний бьеф попадает струя воды, имеющая большую скорость.

В общем случае имеет место трёхмерная картина течения, когда струя, например, втекает в русло не по всей ширине, что обычно и происходит. Тогда картина течения имеет сложный вид.

Возможно рассмотрение различных задач, связанных с таким течением:

1) выяснение формы свободной поверхности в нижнем бьефе (поскольку от глубин при заданном расходе будет зависеть средняя скорость течения);

2) определение силового воздействия от струи на различные сооружения;

3) оценка донного размыва.

Безусловно, специалистов-гидротехников интересует решение каждой из них, однако мы ограничимся рассмотрением только вопроса о кривой свободной поверхности в нижнем бьефе. Поскольку эта кривая непрерывным образом соединяет поток, вытекающий из верхнего бьефа, с уровнем нижнего бьефа, то её построение можно назвать сопряжением бьефов.

Рассматривать будем плоскую задачу, то есть представим, что картина сопряжения бьефов во всех вертикальных сечениях, перпендикулярных к плотине, выглядит одинаково. На рис. 12.1 показано одно из таких сечений. Такая постановка задачи приемлема в случае достаточно широкого прямоугольного русла, перегороженного плотиной, через которую по всей ширине перетекает вода.

Рис. 12.1 Перетекание воды из верхнего бьефа в нижний

На рисунке E – геометрический напор в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа; – скорость притока со стороны верхнего бьефа; H – геометрический напор над отверстием щита; H₀ – полный напор над отверстием щита, который определяет начальную скорость струи; – удельная кинетическая энергия воды в верхнем бьефе; C_н – высота плотины со стороны нижнего бьефа; h_н – глубина воды в нижнем бьефе (бытовая глубина); h_c, ω_c, – соответственно глубина, площадь живого сечения и скорость струи у подножия плотины.

На рис. 12.1 форма сопряжения бьефов не показана (т.е не дана кривая между h_c и h_н).

Надо сразу отметить, что есть несколько вариантов таких кривых.

Поскольку мы рассматриваем плоскую задачу, критическая глубина для сечения, расположенного над гребнем плотины и для нижнего бьефа будет иметь одну и ту же величину. При переливе над гребнем плотины установится глубина не больше критической, а при стекании по водосливной грани плотины эта глубина ещё уменьшится (за счёт увеличения скорости тот же расход будет проходить через всё более «узкие» живые сечения). Поэтому струя, достигая нижнего бьефа, будет иметь глубину меньше критической. Если в русле нижнего бьефа бытовая глубина имеет значение больше критической, то в этом русле может возникнуть гидравлический прыжок, который подробно рассмотрен в разделе 10.