12.1 Типы сопряжения бьефов

Будем рассматривать каналы, у которых в нижнем бьефе уклон дна меньше критического значения (i₀ < i_к) и соответственно нормальная глубина потока должна быть больше критического значения (h₀ > h_к).

Различают три типа сопряжения бьефов по наличию или отсутствию гидравлического прыжка (ГП) в нижнем бьефе и, если прыжок присутствует, то по месту его расположения. Возникновение того или иного типа сопряжения зависит, прежде всего, от величины кинетической энергии потока, поступающего из верхнего бьефа в нижний бьеф, и от бытовой глубины потока в нижнем бьефе h_н.

Сопряжение бьефов с отогнанным гидравлическим прыжком возникает при достаточно большой кинетической энергии потока, поступающего из верхнего бьефа в нижний (рис. 12.2, а). В этом случае поток отгоняет воду, находящуюся в нижнем бьефе, от сжатого живого сечения вниз по течению. Глубина в сжатом сечении меньше критической глубины потока (h_с < h_к). После прохождения сжатого сечения глубина потока возрастает и при переходе ее через критическое значение возникает гидравлический прыжок. Расстояние от сжатого сечения до начала гидравлического прыжка называется длиной отгона прыжка L_отг. Вторая сопряженная глубина отогнанного прыжка равна бытовой глубине в нижнем бьефе (h’’ = h_н).

Сопряжение бьефов с гидравлическим прыжком в сжатом сечении (с надвинутым гидравлическим прыжком) возникает в том случае, когда кинетической энергии потока, поступающего из верхнего бьефа, недостаточно для отгона прыжка от сжатого сечения (рис. 12.2, б). В этом случае первая сопряженная глубина ГП равна глубине в сжатом сечении (h’ = h_c), а вторая сопряженная глубина равна бытовой глубине в нижнем бьефе (h’’ = h_н).

Сопряжение бьефов с затопленным гидравлическим прыжком возникает в том случае, когда кинетической энергии потока, поступающего из верхнего бьефа, недостаточно не только для отгона ГП, но и для создания сжатой глубины меньше критического значения. При этом гидравлический прыжок в нижнем бьефе не возникает (рис. 12.2, в).

Рис. 12.2 Три типа сопряжения бьефов. а – с отогнанным гидравлическим прыжком, б – с гидравлическим прыжком в сжатом сечении, в – с затопленным гидравлическим прыжком (на рисунке неверные обозначения).

Из трех рассмотренных типов сопряжения бьефов сопряжение с затопленным ГП является оптимальным, потому что в этом случае глубина потока в нижнем бьефе больше критического значения (h_н > h_к). При этом состояние потока спокойное, скорость и размывающая способность потока небольшие, и опасность размыва русла в нижнем бьефе минимальная. Сопряжение с отогнанным ГП нежелательно, потому что глубина потока в пределах всей длины отгона ГП меньше критического значения, состояние потока бурное, скорости и размывающая способность потока большие, и опасность размыва максимальная.

Методика расчётного определения типа сопряжения бьефов сводится к следующему.

Предполагается, что в рассматриваемом случае возникнет сопряжение с прыжком в сжатом сечении. Вычисляется глубина потока в сжатом сечении, которая равна первой сопряженной глубине ГП (h_c = h’). Далее с помощью основного уравнения ГП вычисляется вторая сопряженная глубина h’’. Если окажется, что

- вторая сопряженная глубина равна бытовой глубине (h’’ = h_н), то сопряжение, как и предполагалось, будет с ГП в сжатом сечении;

- вторая сопряженная глубина больше бытовой глубины (h’’ > h_н), то сопряжение будет с отогнанным ГП;

- вторая сопряженная глубина меньше бытовой глубины (h’’ < h_н), то ГП будет затоплен.