15. Критический уклон. Спокойные и бурные потоки

Ранее отмечалось, что критическая глубина не зависит от уклона дна. Между тем нормальная глубина (при равномерном движении) зависит от уклона. Очевидно, что при некотором уклоне можно получить нормальную глубину, численно равную критической.

Уклон дна, при котором нормальная глубина равна критической глубине, называется критическим уклоном.

Очевидно, что при критическом уклоне и критической глубине может иметь место равномерное движение, причем формула для определения расхода в этом случае будет иметь вид

.

Представляя зависимость для Q в (14.2), получим

, (15.1)

где – смоченный периметр при глубине, равной критической.

Необходимо помнить, что при изменении расхода Q изменяется и критический уклон i_к; следовательно, данный уклон дна, который является критическим для данного расхода, перестает быть критическим при ином расходе.

Отметим, что при уклоне дна русла i меньше критического i_к (i<i_к) нормальная глубина больше критической (h₀>). При уклоне дна i больше критического i_к (i>i_к) нормальная глубина h₀ меньше критической (h₀<).

Критическая глубина, а следовательно и критический уклон могут служить критерием для характеристики состояния потока.

Так, движение воды при глубинах потока больше критической (h>) (i<i_к) принято называть спокойным состоянием (спокойные потоки), а при глубинах потока меньше критической (h<) (i>i_к) – бурным состоянием (бурные потоки).

При глубине потока, равной критической глубине h=, поток находится в критическом состоянии.

На рис. 14.1 показаны области значений величин h и Э, при которых движение будет бурным или спокойным, причем нижняя ветвь кривой удельной энергии сечения Э=f(h) может быть названа ветвью бурного состояния, а верхняя ветвь – ветвью спокойного состояния потока.

Задача 15.1. Определить критический уклон для земляного канала, имеющего трапецеидальную форму сечения при следующих данных: =5,0 м, т=1,5 м; расход воды в канале Q=6,6 м³/ч, h_к=0,55 м, В_к=6,65 м, S_к=3,2 м² и n=0,030.

Решение. Смоченный периметр при h_к=0,55 м определяется по формуле м. Гидравлический радиус=3,2/6,98=0,46 м. Приn=0,03 и R_к=0,46 м по формуле Павловского находим С_к=27,1. По формуле (15.1) находим критический уклон i_к=0,0126.

16. Неравномерное движение воды в открытых руслах

16.1. Основные определения

Н

Рис. 16.1

еравномерное движение при постоянных расходах в открытых руслах будет наблюдаться в тех случаях, когда по длине потока изменяются размеры или форма сечения, шероховатость стенки или уклон дна. При неравномерном движении (рис. 16.1) глубина или ширина потока по длине является величиной переменной; поэтому свободная поверхность потока всегда криволинейна.

Основными причинами, вызывающими неравномерное движение воды в открытых руслах, являются следующие:

1. Расширение или сужение русла; чередование мелких или глубоких мест.

2. Естественные или искусственные преграды и сооружения, поднимающие уровень воды.

3. Наличие перепадов, быстротоков и резких понижений.

4. Резкие повороты русла.

5. Различная шероховатость русла.

К наиболее важным в практическом отношении видам неравномерного движения воды в открытых руслах относятся явления подпора, спада и гидравлического прыжка.

Подпор (рис. 16.2) образуется тогда, когда глубина вдоль потока в сторону движения возрастает, а скорости уменьшаются, например, при устройстве плотин и других преграждающих русло устройств. В частности, ряд мостовых промежуточных опор могут вызвать подпор. Свободная поверхность воды при подпоре имеет в продольном разрезе вид кривой линии, называемой кривой подпора.

Рис. 16.2 Рис. 16.3

Спад (рис.16.3) образуется тогда, когда глубина потока в сторону движения уменьшается, а скорости возрастают. Этот случай имеет место при устройстве в русле перепадов и при увеличении уклона дна. Свободная поверхность воды при спаде имеет вид кривой линии, называемой кривой спада; при этом глубина потока уменьшается в направлении движения.

Гидравлический прыжок представляет собой перепад от малых глубин с большими скоростями к большим глубинам на коротком расстоянии, (рис. 16.4); он представляет собой местное явление, при котором нарушается условие плавной изменяемости движения. Гидравлический прыжок образуется часто в нижнем бьефе при Рис. 16.4

истечении воды через плотины, перепады, при истечении воды из-под щита и т.д.

Призматическими руслами называются такие русла, у которых форма поперечного сечения по длине потока не изменяется и площадь сечения зависит только от глубины h, т.е. S=f(h). Примером призматического русла может служить канал трапецеидального сечения с постоянной шириной дна и постоянным заложением относов.

Непризматическими руслами называются такие, у которых форма поперечного сечения изменяется по длине; естественные русла (реки) обычно являются непризматическими.

Открытые русла классифицируются по уклону дна на следующие:

1. Русла с прямым уклоном дна (i >0), у которых понижение дна совпадает с направлением течения (рис. 16.5).

2. Русла с горизонтальным дном (i =0) (рис. 16.6).

3. Русла с обратным уклоном дна(i <0), у которых понижение дна противоположно направлению течения (рис. 16.7).

Рис. 16.5 Рис. 16.6 Рис. 16.7