15. Типы водосливов. Водослив с тонкой стенкой. Водосливы практического профиля. Водослив с широким порогом. Постулаты Баланже и Бахметьева.

Коротко охарактеризуем основные типы водосливов.

1. По очертанию и размерам водосливной стенки водосливы бывают

• с тонкой стенкой;

• с широким порогом;

• практического профиля.

Водосливом с тонкой стенкой (острым гребнем) считается такой водослив, толщина которого не влияет на характер истечения. Переливающаяся струя только касается ребра такого водослива, течения по поверхности порога не происходит (рис. 12.2.а). Это возможно при скошенной верхней части стенки или при толщине стенки .

Рис. 12.2

Водослив с широким порогом (рис. 12.2.б) имеет горизонтальную поверхность гребня в направлении движения настолько широкую, что течение хотя бы на некотором его участке является плавноизменяющимся. Толщина стенки водослива с широким порогом лежит в пределах

.

Водосливом практического профиля считается любой водослив, отличающийся от водослива с тонкой стенкой и водослива с широким порогом. Формы водосливов практического профиля весьма разнообразны, они могут быть криволинейного (рис. 12.2.в) или полигонального (рис. 12.2.г) очертания. Течение воды через такой водослив характеризуется тем, что хотя бы на одном из участков порога вода движется, не отрываясь от поверхности порога, однако, движение это не является плавноизменяющимся.

2. По характеру протекания воды и сопряжения переливающейся струи с потоком в нижнем бьефе водосливы делятся на незатопленные и затопленные.

Незатопленным называется водослив, у которого величины расхода Q и напора H не зависят от глубины в нижнем бьефе h_нб. У затопленных водосливов расход и напор меняются в зависимости от высоты уровня нижнего бьефа.

3. В зависимости от геометрической формы водосливного отверстия водосливы могут быть (рис. 12.3): прямоугольными, треугольными, трапецеидальными, круговыми, параболическими (криволинейными), с наклонным гребнем.

Рис. 12.3

4. В зависимости от очертания ребра в плане водосливы могут быть (рис. 12.4): прямыми, косыми, боковыми, полигональными (ломаными), криволинейными, замкнутыми (кольцевыми).

Рис. 12.4

5. В зависимости от соотношения между шириной водослива и шириной подводящего русла различают водосливы без бокового сжатия (рис. 12.5.а), ширина b которых равна ширине B подводящего русла, и водосливы с боковым сжатием (рис. 12.5.б), ширина b которых меньше ширины B подводящего русла.

Рис. 12.5

12.3. Водосливы с тонкой стенкой

Наиболее часто применяются и детальнее изучены прямые (лобовые) водосливы с вертикальной тонкой стенкой. Экспериментальные исследования показывают, что при движении через такой водослив без бокового сжатия могут реализовываться четыре типа струйного течения: свободная, поджатая, подтопленная и прилипшая струя (рис. 12.6).

Рис. 12.6

При свободном доступе воздуха под струю на водосливе получается свободная струя (свободное истечение) (рис. 12.6.а). При отсутствии доступа воздуха под струю, переливающаяся струя захватывает с собой пузырьки воздуха из воздушного мешка, имеющегося под струей в начале истечения, воздух постепенно отсасывается, в результате под струей создается вакуум. Под действием вакуума высота столба жидкости под струей увеличивается, а струя приближается (поджимается) к водосливной стенке. Такая струя называется поджатой (рис. 12.6.б). В случае, когда вакуум под струей продолжает увеличиваться (при соблюдении условия ), все пространство под струей заполнится водой. Струя в этом случае называетсяподтопленной снизу (рис. 12.6.в). При малых расходах и отсутствии доступа воздуха под струю получается прилипшая струя (рис. 12.6.г), которая обычно неустойчива и периодически переходит в поджатую.

Незатопленный прямоугольный водослив с вертикальной стенкой при наличии свободного истечения и при отсутствии бокового сжатия называется нормальным водосливом. Форма и параметры струи такого водослива представлены на рис. 12.7.

Рис. 12.7

Теория и опыт показывают, что все размеры такой струи пропорциональны величине напора H. Поэтому, если выразить все характерные размеры струи в долях напора, как показано на рис. 12.7, то получается обобщенное типовое изображение течения через нормальный водослив. Как видно из рисунка, в сечении, где нижняя поверхность струи имеет наибольший подъем, толщина струи по вертикали составляет 0,67H. Максимальный подъем нижней поверхности струи равен 0,11H. В сечении, центр которого находится на уровне гребня водослива, толщина струи равна 0,435H. На рис. 12.7 показаны также эпюры распределения скоростей в этих сечениях. В сечении, где нижняя поверхность струи имеет наибольший подъем, скорость возрастает от верхней поверхности струи к нижней. В сечении, центр которого лежит на уровне гребня водослива, происходит практически параллельноструйное движение и максимум скоростей находится на оси струи. Коэффициент сжатия струи в этом сечении и будет коэффициентом вертикального сжатия для водослива с тонкой стенкой

.

Расход воды через нормальный водослив рассчитывается по формуле

,

(12.3)

где H – геометрический напор на водосливе, m₀ – нормальный коэффициент расхода.

Скорость подхода воды в этой формуле учитывается коэффициентом расхода m₀. Существует несколько эмпирических формул для определения коэффициента расхода водослива с тонкой стенкой. Можно воспользоваться формулой И. М. Коновалова, полученной на основе зависимостей движения идеальной жидкости:

.

Первая скобка в этой формуле учитывает влияние величины напора, вторая – скорости подхода.

Р. Р. Чугаевым предложена формула

,

ее можно применять при и.

Расчеты показывают, что в зависимости от соотношения значения коэффициента расхода нормального водослива находятся в пределах.

Расчетные формулы для нормальных водосливов дают возможность определять расход с большой точностью. Отчасти поэтому, нормальные водосливы широко применяются в качестве измерительных устройств. Измеряя величину H на водосливе, специально устроенном в канале, затем по формуле (12.3) с учетом соответствующего коэффициента расхода рассчитывают расход воды в канале. Как показывают экспериментальные исследования, для прямоугольных водосливов хорошие результаты получаются при напорах . При значенияхвозрастает погрешность измерения, кроме того, при малых расходах часто возникает прилипшая струя, при которой нельзя пользоваться вышеприведенными формулами для коэффициента расхода. В этом случае удобно пользоваться треугольным водосливом с углом. Для такого водослива ширина потока по верхуb зависит от величины напора H. С учетом этого формула пропускаемого расхода приводится к виду

.

Эта формула дает хорошие результаты при .

При наличии бокового сжатия, когда , коэффициент расхода уменьшается и определяется по эмпирической формуле Эгли

.

Уровень нижнего бьефа оказывает влияние на величину расхода через нормальный водослив, т. е. водослив становится подтопленным, при соблюдении двух условий:

• уровень воды в нижнем бьефе должен стоять выше гребня водослива, т. е. ; превышение уровня нижнего бьефа над порогом водосливаназываетсявысотой подтопления. Тогда первое условие затопленности выразится как ;

• в нижнем бьефе должен быть спокойный режим движения воды.

Рис. 12.8

Схема затопленного водослива с тонкой стенкой при соблюдении этих двух условий приведена на рис. 12.8.а. Если второе условие не соблюдается, т. е. в нижнем бьефе за водосливной стенкой течение бурное, в нижнем бьефе появляется отогнанный гидравлический прыжок (рис. 12.8.б), и водослив оказывается неподтопленным даже при соблюдении первого условия. При этом уровень нижнего бьефа, хотя и стоит выше порога водослива, не оказывает влияния на величину расхода через водослив.

Согласно опытным данным, течение в нижнем бьефе будет спокойным в случае, когда относительный перепад на водосливе (отношение перепада z к высоте стенки над дном нижнего бьефа C_н) будет меньше некоторого критического значения, а именно

.

Расход через затопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия определяется с учетом коэффициента подтопления :

.

Коэффициент расхода m₀ при этом определяется, как указано выше, по формулам И. М. Коновалова или Р. Р. Чугаева. Коэффициент подтопления определяется по эмпирической формуле Базена

.

При наличии, помимо подтопления, бокового сжатия в формулу расхода подставляют вместо нормального коэффициента расхода m₀ коэффициент расхода , величину коэффициента подтопленияпринимают, как и выше, по формуле Базена.