16.5. Построение кривых свободной поверхности

На практике построение кривых свободной поверхности потоков осуществляется при проектировании различных сооружений – водопропускных, гидротехнических, водозаборных и т.д.

Поставленная задача будет решена, если в любом сечении на интересующем нас участке возможно определить глубину потока. Для наглядного представления о поведении кривых свободной поверхности обычно получают достаточное количество расчётных точек и соединяют их плавной кривой. Рассмотрим один из методов построения кривых подпора и спада – метод непосредственного применения уравнения Бернулли. Весь участок, на котором необходимо построить кривую свободной поверхности, разбивают на ряд расчетных участков (протяженность этих участков может быть до десятков метров). Запишем уравнение Бернулли для первого (например, от перепада или от плотины) участка, ограниченного сечениями 1-1 и 2-2, в результате отметка известна:

. (16.2)

Потери напора на этом участке определяются по формуле Шези:

,

где значение можно определить, например, как среднеарифметическое значение

. (16.3)

После подстановки (16.3) в уравнение (16.2) получим для участка длиной (эта длина была нами назначена)

(16.4)

Из этого уравнения методом последовательных приближений определяется (или). После определения(определив отметку свободной поверхности) переходят к расчету следующего участка, пользуясь теми же уравнениями. Определив таким образом несколько глубин, строят кривую свободной поверхности.

17. Истечение жидкости через водосливы

17.1. Основные определения и обозначения

Водосливом называется перегораживающее поток сооружение, через которое происходит перелив воды.

Водосливами являются водосливные плотины, возвышения дна потока, открытые водоспуски, безнапорные трубы, шлюзы-регуляторы, мосты и т.д. Гидравлический расчет многих гидротехнических сооружений проводится на основе теории водосливов. Величины расходов воды через водосливы, а следовательно, и их размеры колеблются в широких пределах - от лабораторных устройств для измерения расхода до водосливов плотин ГЭС.

При изучении водосливов применяют следующие термины и обозначения (рис. 17.1):

- верхний край стенки водослива, через который переливается вода, называется ребром, гребнем или порогом водослива;

Рис. 17.1 Рис. 17.2

- длину ребра водослива, через которое переливается вода, называют шириной водослива и обозначают b;

- наибольшее превышение горизонта воды перед водосливом над его порогом называется напором и обозначается Н (он измеряется на расстоянии не меньше (2-3) Н от стенки водослива вверх по течению);

- часть водного потока перед водосливом называют верхним бьефом, за водосливом - нижним бьефом.

Кроме того, будем применять обозначения:

V₀ – скорость подхода;

∆ – разность уровней в верхнем и нижнем бьефах;

p₁ – высота порога водослива над дном со стороны верхнего бьефа;

p – высота порога водослива над дном со стороны нижнего бьефа;

Q – расход воды через водослив;

h_b – глубина воды в нижнем бьефе (бытовая глубина);

δ – ширина порога водослива.