Рудиков Д. А. Гидравлика и гидрология учеб. пособие 2021 118 с

6 ВОДОСЛИВЫ И СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ

6.1 Классификация водосливов

Водослив — искусственное безнапорное сооружение в канале, через которое протекает жидкость. Любое создаваемое в русле искусственное сооружение является местным сопротивлением движению воды. Для преодоления этого местного сопротивления необходима некоторая дополнительная величина энергии, которая создается в виде подъема воды перед сооружением. Этот подъем называется подпором. Сооружение, обеспечивающее подпор, называется водоподпорным сооружением. Глубина потока перед ним больше, чем после него. А величина скорости воды, наоборот, перед сооружением меньше, а после сооружения – больше. Часть потока и прилегающая к нему местность, расположенные выше сооружения, называются верхним бьефом. Поток и прилегающая к нему территория ниже сооружения носит название нижнего бьефа.

Водослив состоит из следующих элементов (рис. 6.1):

–подошва (основание водослива);

–порог (верхняя кромка водослива, через которую переливается жидкость);

–высота водослива Р (расстояние по высоте между подошвой и по-

рогом);

–толщина водослива или водосливной стенки (расстояние по горизонтали между верховой и низовой гранями водослива).

Рис. 6.1. Основные характеристики водослива

Поток на участке водослива характеризуют следующие величины:

–ширина ВВБ и глубина hВБ потока в верхнем бьефе;

–ширина ВНБ и глубина hНБ потока в нижнем бьефе;

–ширина b водослива;

91

–статический (геометрический) напор на водосливе Н – расстояние по высоте между уровнем воды в верхнем бьефе и гребнем водослива;

–средняя скорость в верхнем vВБ и нижнем vНБ бьефах.

Водосливы классифицируются в зависимости от различных факторов

(рис. 6.2):

1 По соотношению напора Н и толщины стенки водослива различают водосливы (рис. 6.2, а):

–с тонкой стенкой: H 0,67 ;

–практического профиля: 0,68 H 2,5 ;

–с широким порогом: 2,6 H 10 ;

–с коротким руслом: H 11.

Рис. 6.2. Классификация водосливов:

а– по соотношению напора и толщины водосливной стенки;

б– по форме водосливного отверстия; в – по расположению в плане;

г – по характеру сопряжения с нижним бьефом

92

–прямоугольные;

–треугольные;

–трапецеидальные;

–криволинейные и др.

3 По расположению в плане водосливы бывают (рис. 6.2, в):

–прямые;

–косые;

–боковые;

–ломаные (полигональные);

–криволинейные.

4 По соотношению ширины водослива b и подводящего русла ВВБ водосливы бывают (рис. 6.2, г):

–без бокового сжатия;

–с боковым сжатием.

5 По характеру сопряжения с нижним бьефом различают водосливы

(рис. 6.2, г):

–неподтопленные;

–подтопленные.

6.2 Формула расхода водосливов

При гидравлическом расчете водосливов основной задачей является определение их пропускной способности Q . Формулу расхода водослива

можно получить на основании анализа размерностей, поскольку размерности левой и правой части любого физического уравнения одинаковы. Величина расхода Q водослива прямо пропорционально зависит от ширины водосливного фронта b, а также от напора Н, скорости подхода воды к водосливу v0 , ускорения свободного падения g (вес единицы массы). Поэто-

му уравнение расхода можно выразить зависимостью

где М – коэффициент пропорциональности; x, у – неизвестные показатели

Размерность расхода L3t 1 , где L – размерность длины, м; t – размерность времени, с. Размерность ширины водосливного фронта L, размерность ускорения свободного падения Lt-2, размерность напора L. Тогда представим уравнение (6.1) в виде размерностей:

L3t 1 L Lt 2 x Ly .

93

Показатели степеней при одних и тех же размерностях должны быть равны (размерности левой и правой частей уравнения одинаковы). Поэтому для показателей степени при длине L должно выполняться равенство 3 1 x y , а для показателей степени при времени t: 1 2x .

Решая уравнения, получим: x 0,5; y 1,5. Тогда уравнение (6.1) примет вид:

Q Mbg0,5H01,5 .

Правую часть последнего уравнения умножим и разделим на 2 . Обозначив M 2 m , получим основную формулу для водослива:

Здесь величина m – коэффициент расхода водослива, который зависит от типа водослива и учитывает сопротивление протеканию жидкости через водослив.

Для водослива с тонкой стенкой величина m изменяется от 0,42 до 0,44; для водосливов практического профиля – от 0,42 до 0,57. Большее значение соответствует водосливу вакуумного типа с криволинейным очертанием водосливной грани. В данном случае между струей и водосливной гранью образуется вакуум, что приводит к увеличению расхода. Для обычных водосливов практического профиля с криволинейной водосливной гранью m = 0,49. Для водосливов прямоугольного поперечного сечения величина m принимает значения от 0,42 до 0,49 [19], для водосливов с широким порогом – от 0,31 до 0,35.

В случае подтопления водослива и при наличии бокового сжатия в зависимость (6.2) вводятся соответствующие коэффициенты:

ент подтопления.

Величина коэффициентов подтопления и бокового сжатия [20] зависит от степени подтопления и бокового сжатия. В случае отсутствия бокового сжатия и подтопления = 1,0 и п = 1,0.

Водосливы в лабораторной и инженерной практике часто применяются для измерения расхода. Наиболее часто встречающийся водосливрасходомер – с треугольным отверстием. Для такого водослива с углом при вершине 90° расход определяется по формуле

где Н – напор, м.

94

6.3 Сопряжение бьефов

Сопряжение бьефов представляет собой соединение потока, поступающего из верхнего бьефа, с потоком нижнего бьефа. Выше уже отмечалось, что любое сооружение в русле является сопротивлением движению потока, уменьшая его живое сечение. Для преодоления этого сопротивления необходима дополнительная энергия. Она накапливается перед сооружением в виде потенциальной энергии путем увеличения глубины потока в канале до тех пор, пока ее величины не будет достаточно для пропуска поступающего расхода. В сооружении потенциальная энергия переходит в кинетическую путем уменьшения глубины до сжатой hC и увеличения

скорости. Поток поступает в нижний бьеф, как правило, в бурном состоянии hC < hk .

Рассмотрим общую картину потока на участке дорожного водопропускного сооружения. Поток в верхнем бьефе на подходе к сооружению (малый мост, водопропускная труба) находится в спокойном состоянии hВБ > hk ; в сооружении он переходит в бурное состояние hC < hk ; затем в

нижнем бьефе он снова приобретает спокойное состояние hНБ > hk . Пере-

ход бурного состояния потока сооружения в спокойный поток нижнего бьефа, как отмечалось ранее, возможен в виде гидравлического прыжка. В зависимости от глубины потока нижнего бьефа hНБ и глубины в сжатом

сечении hC положение гидравлического прыжка может быть различно. По-

этому различают три типа сопряжения бьефов.

Первый тип. Сопряжение происходит по типу отогнанного прыжка (рис. 6.3, а). В данном случае прыжок находится на некотором расстоянии от сжатого сечения. Это происходит, если hC < h1 , где h1 – первая сопря-

женная глубина гидравлического прыжка. Вторая сопряженная глубина равна глубине нижнего бьефа hНБ = h2 . За сжатым сечением наблюдается кривая подпора. На некотором расстоянии от сжатого сечения поток достигает глубины h1 , где возникает гидравлический прыжок. Расстояние от сечения с глубиной hС до начала гидравлического прыжка h1 называется длиной отгона lOT (гидравлический прыжок отогнан от сжатого сечения на расстояние lOT ). При рассматриваемом типе сопряжения поток на расстоянии lOT находится в бурном состоянии, что требует укрепления русла.

Второй тип. Гидравлический прыжок находится в сжатом сечении lOT = 0. Этот тип часто называют сопряжением с надвинутым прыжком

(рис. 6.3, б). Прыжок находится в критическом состоянии. В данном случае глубина в сжатом сечении потока равна первой сопряженной глубине гидравлического прыжка hС = h1 , а глубина в нижнем бьефе равна второй со-

пряженной глубине ( hНБ = h2 ).

95

Рис. 6.3. Типы сопряжения бьефов:

а– с отогнанным прыжком; б – с надвинутым прыжком;

в– с затопленным прыжком

Третий тип. Сопряжение по типу затопленного гидравлического прыжка (рис. 6.3, в). В данном случае глубина в сжатом сечении hС боль-

ше первой сопряженной глубины гидравлического прыжка ( hС > h1 ),

а hНБ > h2 .

Для определения типа сопряжения необходимо знать глубину потока в сжатом сечении hС . Для ее определения (рис. 6.4) воспользуемся уравне-

нием Бернулли, которое запишем для сечения 1–1 на подходе потока к сооружению и сечения 2–2, где глубина равна hС , при этом плоскость срав-

нения совпадает с поверхностью дна потока:

Рис. 6.4. Схема для определения глубины в сжатом сечении

После подстановки и преобразования уравнение (6.5) примет вид:

Величину скорости в сжатом сечении выразим через расход:

vC Q , bhC

где b – ширина водопропускного сооружения, м. Обозначим:

12 ,

откуда

Здесь – коэффициент скорости, который учитывает потери напора в пределах сооружения, принимается равным от 0,85 до 0,95 в зависимости от конкретных условий [21].

С учетом предыдущих выражений и обозначений уравнение (6.6) примет вид:

97

жения бьефов для гашения энергии на начальном участке нижнего бьефа требуется устройство сооружений в виде водобойных колодцев, водобойных стенок или комбинированных водобойных колодцев

Водобойный колодец представляет собой искусственное увеличение глубины за счет понижения русла на начальном участке нижнего бьефа для получения затопленного гидравлического прыжка (рис. 6.5). Гидравлический расчет сводится к определению глубины водобойного колодца dкл и

его длины lкл . Для получения затопленного гидравлического прыжка глубина воды в колодце hкл должна быть больше второй сопряженной глубины гидравлического прыжка: hкл > h2 . Первая сопряженная глубина равна глубине потока в сжатом сечении: h1 = hC . Согласно схеме, приведенной на рис. 6.5, можно записать:

Рис. 6.5. Схема водобойного колодца

Величина перепада является напором для подтопленного водослива с широким порогом:

где vкл , vНБ – средняя скорость потока соответственно в водобойном ко-

лодце и нижнем бьефе, м/c. Тогда глубина колодца

При устройстве колодца дно русла понижается на величину dкл . Следовательно, при расчете глубины в сжатом сечении hC в формуле (6.8) возрастет значение полной удельной энергии Е1 = Е + dкл . Поэтому необходимо уточнить значение hC , затем глубины h2 и определить новое зна-

чение dкл .

Длина колодца принимается меньше длины lпр свободного прыжка (в данном случае прыжок подпертый): lк = (0,7–0,9) lпр [12, 20].

При пропуске небольших расходов может наблюдаться заиление, а в зимний период – замерзание воды в колодце. В таком случае колодец не будет выполнять своей функции

Водобойная стенка представляет собой преграду в русле нижнего бьефа в виде водослива практического профиля (рис. 6.6). Как и при устройстве водобойного колодца, водобойная стенка должна обеспечить сопряжение по типу затопленного гидравлического прыжка.

Рис. 6.6. Схема к гидравлическому расчету водобойной стенки

Гидравлический расчет водобойной стенки сводится к определению высоты стенки PCT и расстояния ее до сжатого сечения lCT . Глубина воды

перед стенкой hCT должна быть больше второй сопряженной глубины h2 , т. е. hCT > h2 , где hCT = PCT + HCT ; HCT – геометрический напор перед стенкой.

практического профиля без бокового сжатия, и на основании формулы (6.3) получим выражение для напора:

где Q – расход потока, поступающего в нижний бьеф, м3/c; m = 0,40 – коэффициент расхода водослива практического профиля; b – длина водобой-

100