9.6. Сопряжение бьефов гидросооружений

Под сопряжением бьефов понимают слияние потока жидкости, переливающегося, например, через водослив в виде струи, с потоком нижнего бьефа.

В результате падения струи скорость потока жидкости увеличивается к низу водослива и наибольшие скорости будут у дна нижнего бьефа. Поток, падающий в нижний бьеф, таким образом, находится в бурном состоянии.

Сопряжение бьефов имеет место при прохождении воды через гидротехнические сооружения (перепад, быстроток, водосброс, щитовой затвор и т.п.) и слиянии с потоком нижнего бьефа.

В практике водоотведения сопряжение бьефов происходит на участке за перепадным колодцем, в зоне изменения уклонов дна коллекторов при переходе от большего уклона дна к меньшему уклону, при выходе потока сточной жидкости из различного вида подпорных сооружений.

При переходе потока из бурного состояния в спокойное возникает гидравлический прыжок. В случае если в нижнем бьефе поток будет находиться в спокойном состоянии, то сопряжение бьефов будет сопровождаться гидравлическим прыжком. В результате слияния потока с верхнего бьефа с нижним могут возникнуть разные формы свободной поверхности:

• сопряжение с отогнанным гидравлическим прыжком, когда начало прыжка отодвигается на расстояние длины отгона от сжатой глубины. Линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора;

• сопряжение в виде прыжка в сжатом сечении. При такой форме сопряжения отсутствует длина отгона прыжка и прыжок начинается в сжатом сечении;

• сопряжение бьефов с затопленным гидравлическим прыжком, когда нижний бьеф затапливает прыжок.

На рис. 9.18 показано истечение жидкости через водосливную плотину практического профиля. Водослив не имеет на гребне затвора (щита). Русло в нижнем бьефе прямоугольное шириной .

В результате движения потока по профилю водослива его скорость увеличивается к нижней части, а живое сечение уменьшается. Наименьшее сечение будет у дна нижнего бьефа русла. В этом месте будет наиболее сжатое сечение (сечение С-С). Глубина воды в сжатом сечении .

Используем уравнение Бернулли для определения сжатой глубины .

Плоскость сравнения 0-0 проведем по дну нижнего бьефа.

Рис. 9.18. Сопряжение бьефов при переливе воды

через криволинейную водосливную плотину

Контрольное сечение 1-1 возьмем перед водосливной плотиной в верхнем бьефе, а сечение 2-2 пусть совпадает с С-С. Движение жидкости перед плотиной и в сжатом сечении будем считать плавноизменяющимся.

Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений 1-1 и 2-2:

, (9.44)

где скорость - средняя скорость на подходе к плотине, ; скорость - скорость в сжатом сечении, ;,.

Гидравлические потери напора на участке от сечения 1-1 до 2-2

, (9.45)

где - коэффициент местных сопротивлений.

Примем .

Полный напор в сечении 1-1 относительно плоскости сравнения

. (9.46)

После некоторых подстановок получим из (9.44)

. (9.47)

Введем коэффициент скорости , который учитывает гидравлические потери на участке от 1-1 до С-С:

. (9.48)

После преобразования выражения (9.47) скорость в сжатом сечении

(9.49)

Выразим скорость через расход, проходящий через водослив, ,

откуда получим расход

. (9.50)

Уравнение (9.50) можно представить в другом виде:

. (9.51)

Сжатая глубина может быть определена по формуле (9.50) или (9.51). Глубина находится методом подбора, так как полученная зависимость (9.51) относительно является кубическим уравнением.

При вычислении следует иметь в виду, что сжатая глубина находится в следующих пределах:

где - критическая глубина в прямоугольном русле.

Рассматриваем условие, что уклон для русла в нижнем бьефе меньше критического уклона, . В этом случае возможны следующие три формы сопряжения бьефов.

Первая форма сопряжения - отогнанный прыжок. Гидравлический прыжок устанавливается на некотором расстоянии от водосливной плотины (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Отогнанный прыжок

Глубина воды возрастает от до . Кривая свободной поверхности представляет собой кривую подпора. Расстояние до гидравлического прыжка называется длиной отгона прыжка или длиной кривой подпора.

Глубина - глубина, сопряженная с глубиной воды в русле нижнего бьефа водосливной плотины .

Вторая форма сопряжения - прыжок в сжатом сечении.

В результате увеличения глубины в нижнем бьефе сопряженная с ней глубина будет уменьшаться.

В случае если станет близкой к начало прыжка будет приближаться к сжатому сечению С-С, и если , отгона прыжка не будет. Прыжок будет начинаться в сжатом сечении (рис. 9.20); - сопряженная глубина сжатого сечения .

Третья форма сопряжения - затопленный прыжок.

Увеличение глубины в нижнем бьефе приводит к тому, что происходит затопление сжатого сечения и прыжок смещается к грани поверхности водосливной плотины (). Гидравлический прыжок за счет глубины в нижнем бьефе будет затопленным (рис. 9.21).

Для определения формы сопряжения бьефов используется понятие фиктивного гидравлического прыжка, начальная глубина которого , а конечная - . При определении формы сопряжения глубина воды в нижнем бьефе сравнивается с фиктивной величиной прыжка .

Рис. 9.20. Прыжок в сжатом сечении

Рис. 9.21. Затопленный прыжок

В случае если , нижний бьеф не затапливает фиктивный прыжок. Тогда форма сопряжения представляет собой отогнанный прыжок (см. рис. 9.19).

Когда уровень воды в нижнем бьефе будет соответствовать второй глубине фиктивного прыжка - , то форма сопряжения - прыжок в сжатом сечение.

Если , то уровень воды в нижнем бьефе находится на такой высоте, что прыжок будет затоплен. Форма сопряжения - затопленный прыжок.

Для русел, сечение которых отличается от прямоугольного сечения, используется уравнение (9.51), а также специальные таблицы и графики, приводимые в справочной литературе для нахождения сжатой глубины . По величине определяется сопряженная с ней глубина .

Для русел прямоугольного сечения вычисляется по уравнению гидравлического прыжка :

.

Сопоставляя сопряженную глубину с глубиной потока в нижнем бьефе , определяется вид гидравлического прыжка при сопряжении бьефов.

Когда форма сопряжения происходит в виде отогнанного прыжка, то определяется длина отгона прыжка. Длина отгона (длина кривой подпора) может быть вычислена, например, по способу В. Чарномского (см. п. 8.5). Начальная глубина кривой подпора , а конечная глубина .

- сопряженная глубина с глубиной воды в нижнем бьефе .

Следует отметить, что наиболее благоприятной формой сопряжения бьефов является затопленный прыжок, имеющий минимальные скорости потока около дна за счет большой массы вальца и уменьшения пульсации скоростей и давления. В случаях сопряжения бьефов с отогнанным и надвинутым прыжком производят искусственное затопление прыжка путем создания в конце его специальных гасителей (водобойный колодец, водобойная стенка, комбинированный колодец).

♦ Пример 9.4

Определить форму сопряженных бьефов при устройстве водосливной плотины (см. рис. 9.18) в русле водоотводного канала прямоугольной формы шириной b = 6 м. Высота плотины в верхнем и нижнем бьефе одинакова С_в = С_н = 4,2 м. Напор на водосливе Н = 2,0 м. Глубина воды в нижнем бьефе h_н = 1,8 м. Коэффициент скорости φ_с = 0,9. Расход воды Q= 22 м³/с.

Определяем сжатую глубину у подошвы водосливной плотины, используя уравнение (9.51):

T₀=h_c+ .

T₀=h_c+ = h_c + .

Полный напор относительно дна русла

T₀= C_B+H+ .

Средняя скорость подхода к плотине

V₀= = = 0,59м/c

T₀= 4,2+2+= 6,22 м

Критическая глубина в русле

h_кр= = = 1,11 м.

Задаваясь h методом подбора по выражению 6,22 = h_с+находим h_c, h_c= 0,38 м.

Глубина в сжатом сечении h_с < h_кp .

По уравнению гидравлического прыжка вычисляем, зная h_с, вторую сопряженную ей глубину h"_c:

h"_c= -1],

h"_c= -1]= 2,49 м.

Фиктивный прыжок с h_c" = 2,49 м затапливает нижний бьеф, где глубина воды h_н = 1,8 м (h"_c > h_н). Таким образом, форма сопряжение бьефов будет происходить в виде отогнанного прыжка (см. рис. 9.19).