Гасіння енергії в нижньому б’єфі

У відігнаному стрибку надлишок енергії, з яким потрапляє потік до нижнього б’єфа, як було зазначено у п.1, витрачається на ділянці від стисненого перерізу до перерізу, де відбувається стрибок (переріз з першою сполученою глибиною). Через те, що на цій ділянці потік рухається із значними швидкостями, виникає потреба у додаткових витратах грошей на роботи по зміцненню дна та укосів каналу на цій ділянці. Для зменшення вартості будівництва споруд, у практиці відомі пристрої, які дозволяють локалізувати місце, де відбувається витрата надлишку енергії. До таких пристроїв належать водобійний колодязь та водобійна стінка.

Розрахунок розмірів водобійного колодязя

Принцип роботи водобійного колодязя засновано на штучному збільшенні глибини нижнього б’єфа за рахунок зниження відміток дна водотоку в місці, де утворюється стиснений переріз. З іншого боку – збільшення глибини збільшує енергію потоку верхнього б’єфа, тому що енергія відлічується відносно дна нижнього б’єфа, а це приводить до зменшення глибини стисненого перерізу і, як наслідок – збільшення другої сполученої глибини гідравлічного стрибка. Але зростання глибини нижнього б’єфа і зростання висоти стрибка різні, і стрибок стає затоплений.

Метод розрахунку водобійного колодязя витікає із залежності, яку безпосередньо знаходять з рисунка 4.

Зазвичай розглядають плоску задачу оскільки дослідами встановлено, що вплив форми поперечного перерізу каналу на характер течії неістотний.

Рисунок 4 – Схема розрахунку водобійного колодязя:

1 – умовне положення стрибка; 2 – стрибок за наявності колодязя.

Позначення на рисунку:

h_с , h_с1 – відповідно стиснені глибини до та після улаштування водобійного колодязя,

– умовна друга сполучена глибина,

– друга сполучена глибина, яка реалізується у випадку улаштування водобійного колодязя,

d – глибина колодязя,

 z – напір, що виникає при виході потоку з колодязя (в цьому випадку дно каналу за колодязем розглядають як водозлив із широким порогом).

Глибину колодязя визначають із співвідношення

, (4.1)

де k – коефіцієнт запасу (коефіцієнт затоплення), який приймають рівним 1,05 ... 1,10.

Останній член рівняння (4.1) визначимо з використанням залежностей

, .

Оскільки процес витікання потоку через вихідний поріг колодязя аналогічний процесу витікання через водозлив з широким порогом, визначимо використавши формулу витрати через водозлив з широким порогом

, (4.2)

де  – коефіцієнт швидкості, що враховує втрати напору в межах водозливу;

b – ширина водозливу;

H₀ – повний напір перед водозливом.

звідси ,

;

де – швидкість підходу до вихідного порогу колодязя.

Після спрощення отримаємо

.

Приймаючи до уваги, що у випадку плоскої задачі (де q – питома витрата, ), отримаємо

. (4.3)

Останній член рівняння (4.1) також може бути визначений за такою формулою для витрати через водозлив з широким порогом:

, (4.4)

де m – коефіцієнт водозливу,

– площа поперечного перерізу нижнього б’єфа при глибині води h_н.б.

Звідси визначаємо: . (4.5)

У рівнянні (4.1) є дві невідомі величини: h_с1 і d. Розв’язуємо його методом послідовного наближення, вважаючи спочатку, що h_с1 = h_с.

, (4.6)

де d₁ – глибина колодязя в першому наближенні.

Далі збільшуємо енергію верхнього б’єфа на величину d₁.

. (4.7)

Згідно з п. 3.2 визначаємо h_с1 і за п. 3.3. – , які відповідають новому значенню енергії нижнього б'єфа – , далі – за рівнянням (4.6) – значення d₂. Якщо виконується умова , то глибину колодязя приймають рівною d₂. Якщо умова не виконується, то визначають послідовно величини E₀₂, h_c2, та відповідно ним значення d₃ і перевіряють виконання умови . Так розраховують до виконання умови (j – номер ітерації).

Довжину водобійного колодязя – приймають рівною довжині гідравлічного стрибка – ℓ_ст. Довжину стрибка можна визначити за однією з емпіричних залежностей – формулою Павловського:

. (4.8)