22.8. Неподтопленный водослив с широким порогом

С БОКОВЫМ СЖАТИЕМ

При боковом сжатии при входе на водослив с широким порогом линии тока (в плане) искривляются. При неплавном очертании входа в плане может произойти сжатие потока непосредственно в пределах входной части (рис. 22 21), образуется сжатое сечение С-С, затем происходит расширение потока и в сечении D-D поток занимает всю область движения (в плане). В связи с боковым сжатием происходят дополнительные потери энергии, особенно на участке расширения потока за сжатым сечением. Коэффициент скорости и коэффициент расходаводослива при боковом сжатии уменьшаются по сравнению с истечением через водослив без бокового сжатия. Отметим, что боковое сжатие происходит и в случае, если ширина по дну подводящего русла (канала) равна ширине водослива с широким порогом, а площадь живого сечения в подводящем канале больше, чем площадь живого сечения на пороге водослива. Для этого достаточно, чтобы при равенстве, указанных ширин площадь живого сечения в подводящем русле была больше площади живого сечения во входном сечении водослива.

Рис. 22.21

Расход через неподтопленный водослив с широким порогом с боковым сжатием определяется по общему уравнению водосливов (22.2)

,

при этом значения коэффициента расхода должны соответствовать конкретным условиям бокового сжатия.

Для определения коэффициентов расхода можно использовать формулы В. В. Смыслова

для водосливов с неплавным входом по типу, показанному на рис. 22.21, а (обратные вертикальные стенки на входе),

;

при сопряжении на входе по типу конусов (рис. 22.21,6)

,

где - угол при основании конуса (коэффициент откоса); при входе, выполненном в виде сходящихся в плане под углом менее 25° вертикальных стенок (раструб, рис. 22.21,0), или при входе в виде других плавных очертаний

.

22.9. ПОДТОПЛЕННЫЙ ВОДОСЛИВ С ШИРОКИМ ПОРОГОМ

Водосливы с широким порогом часто работают в условиях, когда нижний бьеф влияет на расход, проходящий через водослив, т. е. работают как подтопленные водосливы.

Водосливы с широким порогом существенно отличаются от других водосливов тем, что подтопление водослива с широким порогом наступает лишь после того, как уровень воды в нижнем бьефе поднимется над порогом выше определенного предела. Этот предел, при котором наступает подтопление водослива, оценивается определенным значением относительной величины , где- превышение уровня воды в нижнем бьефе над порогом водослива,. Только после того, какпревысит определенное значение, которое будет указано ниже, начинается влияние подтопления на расход (или напор, если расход должен быть постоянным, то увеличится).

Рис. 22.22

На рис. 22.22 показана последовательная смена установившихся форм движения на пороге изучаемого водослива (при неизменной его ширине) при разных уровнях в нижнем бьефе.

В первых трех случаях (рис. 22.22,а-в) на пороге имеются участки потока в бурном состоянии с глубинами, меньшими . Истечение через водослив является неподтопленным, уровень нижнего бьефа не влияет на расход водослива. Ниже водослива сопряжение с потоком в нижнем бьефе происходит в виде гидравлического прыжка (вначале надвинутого, затем поверхностного и, наконец, волнистого). Последовательность гидравлических прыжков соответствует порядку расположения рисунков.

На рис. 22.22,г,д представлены схемы движения через подтопленные водосливы. Во всей области движения глубины больше , поток находится в спокойном состоянии. При этом в начале подтопления (рис. 22.22, г) движение характеризуется образованием волн на пороге (при спокойном состоянии потока). По мере увеличения степени подтопления, т. е. увеличения, такая схема движения сменяется схемой, представленной на рис. 22.22,д. Поверхность воды на пороге почти горизонтальна, образуются два перепада свободной поверхности. Первый перепадопределяет скорость на пороге, а второй - перепад на выходе с порога водослива- появляется в связи с переходом части кинетической энергии в потенциальную, ибо(- средняя скорость в нижнем бьефе,- средняя скорость на пороге). Перепадназывается перепадом восстановления. Его необходимо учитывать при расчетах подтопленных водосливов с широким порогом.

Рассмотрение схем истечения воды через водослив с широким порогом (рис. 22.22) показывает, что за начало подтопления можно принять состояние, когда произойдет подтопление сжатого сечения, что наблюдается при глубине , равной, т. е. когда, где- корень уравнения (22.22). Следовательно, водослив с широким порогом будет неподтопленным до тех пор, пока. Приводослив с широким порогом подтоплен.

Исследования подтопления водослива с широким порогом с учетом перепада восстановления позволяют приближенно считать, что указанный водослив подтоплен, если:

при плавном входе на порог

;

при неплавном входе на порог

.

Значения коэффициента скорости и. Для подтопленного водослива с широким порогом по данным Д. И. Кумина приведены в табл. 22.3.

Рассмотрим решение уравнения подтопленного водослива с широким порогом, предложенного И. И. Агроскиным, с учетом перепада восстановления. Глубина на пороге подтопленного водослива .

Таблица 22.3

	0,30	0,32	0,34	0,36	0,38	0,385
	0,76, 0,78*	0,84	0,90	0,96	0,99	1
	1	0,88	0,84	0,81	0,72	0,667
	2,53; 2,6*	2,625	2,65	2,67	2,61	2,6

*При

Применив уравнение Бернулли к сечениям до водослива и на водосливе, где поток можно считать плавно изменяющимся, получим

. (22.23)

Эта формула аналогична (22.19). Формулу (22.23) можно записать в виде

,

где коэффициент подтопления имеет вид

. (22.24)

Таким образом, коэффициент подтопления зависит от , относительного подтопленияи относительного перепада восстановления.

Как видно из данных табл. 22.3, отношение слабо изменяется во всем диапазоне измененияи.

Применив уравнение Бернулли к сечениям на пороге водослива и в нижнем бьефе, получим, что перепад восстановления можно определить по приближенной формуле

,

где - скорость на пороге;- площадь живого сечения потока, выходящего с водослива;- площадь живого сечения потока в нижнем бьефе при глубине;- коэффициент потерь напора при внезапном расширении, условно принимаемый равным

.

Обозначив , получим выражение для относительного перепада восстановления

.

Подставив полученное выражение в (22.24), найдем, что

.

Для =0,9, т.е. при среднем значении=0,34, были получены значения коэффициента подтопленияводослива с широким порогом с учетом перепада восстановления в зависимости от относительного подтопления и относительного расширения потока за водосливом в нижнем бьефе(табл. 22.4).

Расчетным уравнением для подтопленного водослива с широким порогом будет уравнение (22.7)

,

где принимается по средним значениям (для=0,9), приводимым в табл. 22.4.

При формула (22.23) может быть записана в виде

, (22.25)

где .

В этом случае глубина на пороге равна(рис. 22.22,д). Тогда при пренебрежении перепадом восстановления

. (22 26)

Таблица 22.4

	Коэффициента при
	1	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0
0,75 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98	1 0,97 0,95 0,92 0,89 0,85 0,81 0,75 0,69 0,61 0,51 0,36	1 1 1 0,99 0,97 0,94 0,90 0,84 0,78 0,70 0,59 0,44	1 1 1 1 0,99 0,96 0,93 0,88 0,82 0,73 0,62 0,46	1 1 1 1 1 0,99 0,97 0,92 0,85 0,76 0,65 0,49	1 1 1 1 1 1 0,96 0,91 0,84 0,75 0,64 0,48	1 1 1 1 1 0,99 0,97 0,92 0,85 0,76 0,65 0,49	1 1 1 1 0,99 0,96 0,93 0,38 0,82 0,73 0,62 0,46	1 1 1 0,99 0,97 0,94 0,90 0,84 0,78 0,70 0,59 0,44	1 0,97 0,95 0,92 0,89 0,85 0,81 0,75 0,69 0,61 0,51 0,36

Таким образом, формула (22.26) по виду отличается от (22.19) лишь наличием коэффициента скорости , относящегося к подтопленному водосливу.