2.4. Многоступенчатый перепад

Многоступенчатые и одноступенчатые перепады являются сопрягающими сооружениями, соединяющими звенья водопропускного тракта на крутых участках, со значительным перепадом отметок [2,9,10]. Существенный перепад уровней верхнего и нижнего бьефов вызывает резкое увеличение кинетической энергии потока.

Многоступенчатые перепады без водобойных колодцев являются хорошими гасителями энергии только при незначительных уклонах лога, позволяющих устраивать ступени необходимой длины с уклоном, близким к критическому. При больших же уклонах устраивают перепады с водобойными колодцами.

Расчет многоступенчатого перепада сводится к определению размеров ступеней и гасителей энергии на каждом из них. Определение числа ступеней зависит от общей высоты перепада. В дорожных водоотводных сооружениях рекомендуется назначать высоту ступени в пределах 0,8 – 1,5 м. Для того чтобы перепад хорошо вписался в местность, рекомендуется уклон перепада i_n1 принимать равным уклону отводящего русла. Поперечное сечение перепада - прямоугольной формы. Гидравлический расчет ступеней перепада сводится к определению высоты водобойной стенки и длины ступени (колодца). Обычно производят расчет первой и второй ступеней, а последующие ступени устраивают такими же, как вторая (рис. 2.13).

Рис. 2.13

Так как до перепада поток находился в спокойном состоянии (i₀₃ < i_кз), то глубина над стенкой h_ст, по данным М.Д. Чертоусова, приближенно равна [9,10]

h_ст ≈ 0,7 · h_кз . (2.38)

Тогда запас энергии Е₀ можно определить по формуле

Е₀ = Р + h_ст + , (2.39)

где Р – высота ступени перепада, в курсовой работе Р = 1,0 м; υ_ст – скорость над ступенью перепада, определяется согласно формуле (2.28):

υ_ст = .

Глубина в сжатом сечении и вторая сопряженная с ней определяются по формулам

h_с = Е₀ – , (2.40)

h_с˝ = · [– 1] , (2.41)

где φ – коэффициент скорости (0,67 – 1,00) [7].

Гидродинамический напор H₀ определяется из основной расчетной формулы водослива

H₀ = ( )^2/3, (2.42)

где σ_n – коэффициент подтопления, равный 1,0 (стенка работает, как свободный водослив); m – коэффициент расхода водослива (для водослива практического профиля = 0,4 – 0,44).

Высота водобойной стенки Р_ст, которая устанавливается в конце каждой ступени перепада для погашения энергии, определяется по формуле

Р_ст = σ · h_с˝ – Н, (2.43)

где σ – коэффициент запаса (1,05 – 1,10); H – статический напор над водобойной стенкой, которая работает, как водослив практического профиля, определяется по формуле

Н = H₀ – . (2.44)

Длина ступени определяется по формуле. [1]:

l_ст = l_отл + l_пп + δ, (2.45)

где l_отл – дальность отлета струн при свободном падении:

l_отл = 0,32 · υ_ст , (2.46)

l_пп – длина свободного прыжка, определяется по рекомендации Ю.В.Кокорина

l_п = 6 · h_с˝ , (2.47)

δ – толщина стенки, которая назначается обычно конструктивно, δ = 0,5 м.

Расчет второй ступени ведется с учетом высоты водобойной стенки, т.е. запас энергии берут равным

Е = Е₀ + Р_ст . (2.48)

Ход последующего расчета аналогичен приведенному выше расчету первой ступени перепада.