12.4. Водосливы практического профиля

По своему очертанию водосливы практического профиля делятся на криволинейные и полигональные.

Водосливы криволинейного очертания, в свою очередь, могут быть безвакуумными и вакуумными. Если очертание криволинейного профиля таково, что струя на гребне водослива стремится оторваться от поверхности водослива, то вблизи этой поверхности в струе возникает вакуум, такие профили называют вакуумными. Вакуумные профили дают наибольший коэффициент расхода из всех типов водосливов – до 0,55. Однако струя в зоне вакуума оказывается неустойчивой, возможны периодические прорывы воздуха под струю, это приводит к вибрации конструкции водослива и разрушению его поверхности. Поэтому на практике в основном водосливы бетонных плотин делаются безвакуумного профиля, при котором давление на поверхности водослива больше атмосферного. Профиль водослива очерчивается по форме нижней поверхности струи, переливающейся через нормальный водослив с тонкой стенкой (рис. 12.9).

Рис. 12.9

Следует учитывать и то, что один и тот же водослив может быть как безвакуумным, так и вакуумным: при увеличении напора на безвакуумном водосливе струя стремится отброситься дальше от водослива и между ней и водосливной поверхностью возникает вакуум. Поэтому, чтобы устранить возможность появления вакуума, поверхность водослива очерчивают не точно по нижней поверхности струи нормального водослива, а немного «врезают» ее в струю. На рис. 12.9 пунктиром показана форма струи нормального водослива с тонкой стенкой, а сплошной линией – профиль безвакуумного водослива практического профиля. Численные значения координат на рис.12.9, так же как и размеры струи, выражены в долях напора H. Очертание безвакуумного водослива практического профиля строится по безразмерным опытным данным, приведенным в гидравлических справочниках, и называется профилем Кригера–Офицерова. Такие профили применяются в двух подвариантах: A и B, показанных на рис. 12.10.

Рис. 12.10

Напор, по которому строится очертание конкретного водослива, называется профилирующим. Во избежание возможности того, что безвакуумный водослив в процессе эксплуатации перейдет в вакуумный режим, при проектировании исходят из наибольшей возможной величины напора, отвечающей наибольшему пропускному расходу.

Расход через незатопленный криволинейный водослив практического профиля определяют по общей формуле (12.1). При работе водослива Кригера–Офицерова с профилирующим напором коэффициенты расхода принимаются:

• для профиля типа A – m = 0,49;

• для профиля типа B – m = 0,48.

Если напор отличается от профилирующего, следует учитывать следующее: при работе водослива под напором, меньшим профилирующего, коэффициент расхода уменьшается, при работе под напором, большим профилирующего, т. е. при переходе к вакуумному режиму, коэффициент расхода возрастает. Поскольку очертание водосливов определяют, исходя из максимального ожидаемого напора, практическое значение имеет лишь снижение коэффициента напора при уменьшении напора относительно профилирующего значения. Н. Н. Павловским предложены формулы для определения коэффициента расхода безвакуумного профиля при любом значении напора

для профиля типа A
при –	;
при –	;
для профиля типа B
при –	;
при –	.

В этих формулах H – напор, для которого определяется значение коэффициента расхода, – профилирующий напор.

С водосливными стенками практического профиля часто приходится сталкиваться при проектировании плотин. Обычно в гребне плотины устраивается несколько водосливных отверстий, разделенных быками. Крайние отверстия ограничены со стороны берегов так называемыми устоями. В этих случаях расход через водослив находится по формуле

.

Для определения коэффициента бокового сжатия пользуются эмпирической формулой

,

в которой: n – число пролетов плотины;

–коэффициент, учитывающий форму устоев или быков.

Тогда ширина сжатого сечения потока определится как

.

Быки могут иметь в плане различную форму (рис. 12.11).

Рис. 12.11

Величина коэффициента принимается:

• для быков прямоугольной формы (рис. 12.11.а) ;

• для быков полукруглой или заостренной формы (рис. 12.11.б, в) ;

• для быков криволинейной заостренной формы (рис. 12.11.г) .

Если отверстие плотины разделено на большое число пролетов неширокими стойками, то принимают просто .

Условия затопления для водослива практического профиля такие же, как и для водослива с тонкой стенкой:

• уровень воды в нижнем бьефе должен стоять выше гребня водослива, т. е. ;

• относительный перепад на водосливе (отношение перепада z к гребня водослива над дном нижнего бьефа C_н) должно быть меньше критического значения, т. е. .

Рис. 12.12

Расход через затопленный водослив практического профиля определяется по формуле

.

Коэффициент подтопления определяется по графику, предложенному А. Р. Березинским (рис. 12.12), в зависимости от отношения высоты подтопления к полному напору. Как видно из графика, влияние затопления начинает сказываться при. Призатопление очень существенно влияет на величину расхода через водослив.

Водосливы практического профиля помимо криволинейного очертания могут быть, как указывалось выше, полигонального очертания. При этом их можно разделить на группы (рис. 12.13)

• со стенкой прямоугольного поперечного очертания (рис. 12.13.а);

• со стенкой трапецеидального очертания (рис. 12.13.б);

• со стенкой треугольного сечения (рис. 12.13.в);

• со стенкой трапецеидального очертания со скругленными углами (рис. 12.13.г).

Н. Н. Павловский предложил выражать коэффициенты расхода для разных групп таких водосливов с помощью обобщенной формулы

.

Здесь – коэффициент расхода, определенный опытным путем для водослива данной группы при профилирующем напоре;

–коэффициент полноты напора, учитывающий отклонение реального напора от профилирующего;

–коэффициент формы, учитывающий отличие размеров водослива, для которого был определен , от размеров реального водослива, для которого определяется коэффициент расхода.

В гидравлических справочниках приводятся различные эмпирические формулы для определения поправок и.

Рис. 12.13