2.2.5. Построение кривой свободной поверхности на водоскате быстротока.

Построение выполнено на миллиметровой бумаге в следующих масштабах: горизонтальной – 1:100, вертикальный – 1:10 (рис 2.11).

Кривая свободной поверхности строится в виде графика с вертикальной осью глубин и горизонтальной осью длин. (см. Приложение 2)

На графике указаны линии критических К - К и нормальных N – N глубин.

2.3. Отводящий канал

Для защиты от размыва низового откоса земляного полотна дороги и выходной части водопропускного сооружения часто устраивают водоотводные искусственные русла, по своей конструкции мало отличающеёся от подходных русел. Вода, выходящая из отверстия сооружения, часто обладает ещё большой энергией, т.е. повышенной против его естественного состояния разрушительной силой. Опыт эксплуатации водопропускных сооружений показывает, что если не предусмотреть специальных мер, отводные русла на выходе из сооружений сильно размываются, что иногда приводит к авариям сооружений [5].

Мерами против размывов водоотводных русел, т.е. способами гашения энергии водного потока, являются: непрерывное рассеивание энергии водного потока в самом сооружении; сосредоточенное гашение энергии потока на выходе из трубы; укрепление отводных русел.

Известно много различных принципов гашения энергии потока. Наиболее распространенные из них:

1. усиленное перемешивание (этот принцип используется при устройстве повышенной шероховатости поперечных расщепляющих балок, зубчатых порогов).

2. соударение свободных струй в атмосфере;

3. рассеивание энергии в вальцах гидравлического прыжка;

4. сосредоточенное гашение энергии в замкнутом блоке – напорные гасители;

5. отброс струи от сооружения с одновременным их расщеплением и аэрацией (этот принцип реализуется в рассеивающих трамплинах);

6. силовое воздействие на поток в направлении, противоположном течению, путём установки различных препятствий: порогов, шашек, пирсов и.т.п.

2.3.1. Определение гидравлических характеристик потока

Для определения нормальной глубины отводящего канала воспользуюсь графиком , построенном в подразделе 2.1.1, предварительно вычислив расходную характеристику , соответствующую нормальной глубине .

Из графика 2.2 видно что при числовом значении , величина нормальной глубины принимает следующие значение .

Критическая глубина не зависит от уклона дна, поэтому сохранится неизменной на протяжении всего призматического русла:

Соответственно не изменится и критический уклон:

сравню полученное значение c заданным и полученное значение с .

т. к. и

то можно сделать вывод, что поток находится в спокойном состоянии.

Выясняя условие сопряжения бьефов быстротока и отводящего канала, приходим к следующему выводу: при смене уклонов i₀₂ на i₀₃ возникает гидравлический прыжок.

2.3.2. Расчёт гидравлического прыжка

Явление скачкообразного перехода бурного потока с глубиной меньше критической называется гидравлическим прыжком.

Рис. 2.12 Расчетная схема гидравлического прыжка

Расчёт гидравлического прыжка сводится к определению его характеристик: – первой сопряжённой глубины, – второй сопряжённой глубины, – длины гидравлического прыжка.

Выполняю расчёт в следующей последовательности:

Определю сжатую глубину h_c методом последовательного приближения:

где q ― удельный расход;

φ ― коэффициент скорости, φ = 0,9;

― энергия, с которой поток приходит в отводящий канал.

, т. е. энергия на конце быстротока, которую можно определить из уравнения:

где ― глубина на конце быстротока, определяется по кривой свободной поверхности при длине l, указанной в исходных данных;

― скорость на конце быстротока, определяется по формуле:

В первом приближении не учитывается в знаменателе, тогда

Во втором приближении учитывается в знаменателе, тогда

т. к. расхождение между и составляет меньше 5%, то принимаем за сжатую глубину последнее числовое значение .

Рекомендуется за первую сопряжённую глубину принять глубину равную сжатой:

Определю вторую сопряженную глубину по формуле:

Сделаем выводы о типе гидравлического прыжка:

т. к. , то гидравлический прыжок отогнанный.

В случае отогнанного гидравлического прыжка для погашения энергии, с которой приходит с быстротока, необходимо в выходной части установить гаситель энергии.