Расчеты сопряжения бьефов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. РАСЧЕТЫ СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ

1.1 ВОЗМОЖНЫЕ СХЕМЫ И РЕЖИМЫ СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ

При движении через водослив (рис. 24.1) или при истечении из-под затвора (рис. 24.2), в том числе расположенного над гребнем водослива (рис. 24.3), можно выделить три режима сопряжения поступающей в нижний бьеф струи с потоком в нижнем бьефе:

1) донный режим, при котором транзитная часть потока (транзитная струя) устойчиво примыкает к дну и, следовательно, распределение осредненных скоростей по вертикали такое, что наибольшие скорости располагаются вблизи дна (рис. 24.1);

2) поверхностный режим, при котором транзитная струя располагается на поверхности или вблизи нее.

Рис.24.1 Рис.24.2

Рис.24.3 Рис.24.4

Наибольшие осредненные скорости при этом приближены к поверхности. Такой режим наблюдается, например, за сооружением с низовым вертикальным уступом (рис. 24.4);

3) смешанный поверхностно-донный режим, при котором транзитная струя вблизи сооружения находится на поверхности, а ниже по течению устойчиво примыкает к дну. Имеется несколько разновидностей смешанных режимов (рис. 24.5).

Помимо сопряжения одной из форм гидравлического прыжка реализуются схемы в виде отброса струи (рис. 24.6, а) или ее свободного падения (рис. 24.6, б) и в виде соударяющихся в воздухе (рис. 24.7) или в воде струй. В практике встречаются и другие схемы сопряжения.

Рис. 24.5

Наиболее часто применяется сопряжение бьефов с донным режимом.

Рис. 24.6

Рис. 24.7

1.2 ДОННЫЙ РЕЖИМ СОПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим этот режим на примере криволинейного водослива практического профиля. Глубина в отводящем русле в бытовых условиях при известном расходе известна.

Будем считать, что на участке сопряжения русло в нижнем бьефе достаточно широкое, чтобы движение можно было считать плоским. Уклон дна отводящего русла задан. Условимся, что >0, тогда глубина равномерного движения в нижнем бьефе при бытовых условиях и будет глубиной . Если уклон отводящего русла , то движение в нижнем бьефе неравномерное.

Непосредственно за водосливом в сжатом сечении с глубиной перелившийся поток находится в бурном состоянии, т. е. , . За водосливом при этом возможны два основных случая:

1) в бытовых условиях при уклоне дна отводящего русла поток (рис. 24 8) находится в бурном состоянии ();

2) в бытовых условиях при уклоне дна отводящего русла поток (рис. 24.9) находится в спокойном состоянии ().

Рис.24.8

Рис.24.9

В первом случае, поскольку поток в сечении с-с (при глубине ) и в отводящем русле находится в бурном состоянии, сопряжение будет происходить в виде плавной кривой подпора типа , если (рис. 24.8,а), или кривой спада типа , если (рис. 24.8,б). При равенстве глубин ниже сжатого сечения движение будет равномерным.

Во втором случае в бытовых условиях поток находится в спокойном состоянии (рис. 24.9), а непосредственно за водосливом - в бурном. В таком случае сопряжение потока, находящегося в сжатом сечении в бурном состоянии, со спокойным потоком происходит в форме гидравлического прыжка.

Вид гидравлического прыжка определяется значением параметра кинетичности потока . Так как до расчета значения глубины не известно, то пока не известно и значение . Поэтому при определении вида гидравлического прыжка удобнее рассматривать параметр кинетичности потока в нижнем бьефе: при 0,375 - совершенный гидравлический прыжок, а при >0,375 - волнистый гидравлический прыжок.

Предварительно определяем глубину для конкретного вида прыжка.

Местоположение гидравлического прыжка зависит от соотношения второй сопряженной (с ) глубины и глубины потока в нижнем бьефе в бытовых условиях .

Если глубина в нижнем бьефе и глубина равны, то гидравлический прыжок начинается в сжатом сечении (рис. 24.9,а). Тогда удельная энергия потока в сжатом сечении превышает удельную энергию потока в отводящем русле точно на потери удельной энергии в гидравлическом прыжке , т.е. .

Если глубина окажется больше, чем глубина в нижнем бьефе , то гидравлический прыжок будет отогнанным (рис. 24.9, б) и начнется в том сечении, где глубина равна , являющейся первой сопряженной глубиной для глубины . Отгон гидравлического прыжка происходит потому, что удельная энергия потока в сжатом сечении в данных условиях оказывается больше, чем , не только на потери удельной энергии в прыжке , но и на некоторую часть удельной энергии , т.е. . Часть удельной энергии потока затрачивается на преодоление сопротивлений по длине движения потока в бурном состоянии в пределах кривой подпора от сжатого сечения до сечения 1-1 (с глубиной ), т.е. на длине отгона гидравлического прыжка . Чем больше значение , тем больше длина кривой подпора на участке отгона гидравлического прыжка. Разность удельной энергии в сечении с глубиной и удельной энергии в отводящем русле в сечении 2-2 () равняется потерям удельной энергии в гидравлическом прыжке . Длина отгона гидравлического прыжка - длина кривой подпора (при ) типа (при ) или типа (при ) определяется по одному из известных способов.

Если , то гидравлический прыжок будет надвинутым (рис. 24.9, в). При этом отношение называется степенью затопления прыжка. При сопряжении в форме надвинутого (затопленного) гидравлического прыжка водослив может быть подтоплен.

1.3 ПОВЕРХНОСТНЫЙ РЕЖИМ СОПРЯЖЕНИЯ С ПОТОКОМ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ЗА ВОДОСЛИВАМИ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ УСТУПОМ

Предельные режимы. При рассмотрении сопряжения с нижним бьефом потока, переливающегося через водослив практического профиля с вертикальным низовым уступом (рис. 24.4), условно различают высокий уступ, низовая (сливная) кромка которого всегда выше максимального уровня воды в нижнем бьефе, и низкий уступ, сливная поверхность которого заглублена под уровень воды в нижнем бьефе.

Рассмотрим сначала сопряжение с потоком в нижнем бьефе за водосливами с низким уступом. В нижнем бьефе поток находится в спокойном состоянии, т. е. . Форма сопряжения в нижнем бьефе при данных условиях (расход, высота водослива, высота уступа и угол наклона его носка , принимаемый в пределах от 0 примерно до 12-15°), будет зависеть от бытовой глубины .

При определенном соотношении образующейся за уступом сжатой глубины и сопряженной с ней может произойти гидравлический прыжок в сжатом сечении (, рис. 24.10), отогнанный гидравлический прыжок (, рис. 24.11) или надвинутый гидравлический прыжок ().

Рассмотрим кратко основные особенности сопряжения с поверхностным и смешанным (поверхностно-донным) режимами.

При увеличении глубины в нижнем бьефе донный режим сопряжения сменяется поверхностным режимом с незатопленным поверхностным прыжком или с незатопленной струей (рис. 24.5). Поверхностного водоворота (вальца) при этом нет, транзитная струя располагается на поверхности воды в нижнем бьефе; к уступу примыкает один донный валец; максимальные скорости сосредоточены вблизи свободной поверхности.

Рис.24.10 Рис.24.11

Смена различных форм сопряжения происходит при различных так называемых критических режимах, которые характеризуются различными граничными глубинами в нижнем бьефе (такие глубины также называют критическими, или предельными).

Так, смена донного режима поверхностным с незатопленным гидравлическим прыжком происходит при глубине в нижнем бьефе , которая называется первой предельной глубиной за водосливом с уступом.

При глубине в нижнем бьефе, большей появляется поверхностный валец на уступе, т.е. сопряжение переходит в форму поверхностного режима с затопленной струей, при этом имеется и донный, и поверхностный валец (рис. 24.5). Поверхностный режим сопряжения в этом случае устойчиво существует на всей длине участка сопряжения в нижнем бьефе.

Граница между поверхностными режимами с незатопленной и затопленной струями называется вторым критическим режимом, ему соответствует вторая предельная глубина в отводящем русле .

Третья предельная глубина разделяет поверхностный режим с затопленной струей и незатопленный поверхностно-донный режим (рис. 24.5), при котором вблизи сооружения - поверхностный режим сопряжения, а далее транзитная струя проходит вблизи дна, т.е. наблюдается донный режим сопряжения.

Затем при увеличении глубины в отводящем русле свыше , указанная форма сопряжения смешанного типа может перейти в форму так называемого восстановленного донного прыжка. При этом вновь наблюдается донный режим сопряжения (рис. 24.5). За уступом располагается сравнительно небольшой донный валец. Поверхностный же валец имеет значительные размеры, надвигается на уступ, т. е. образуется донный гидравлический прыжок с затопленной на уступе струей.

Таким образом, смена основных видов сопряжения будет характеризоваться четырьмя предельными глубинами в нижнем бьефе.

Следует заметить, что возможны другие формы сопряжения за водосливом с уступом и последовательность смены режимов.

Отметим, что применение водослива с вертикальным уступом позволяет с достаточной степенью безопасности для сооружения осуществлять сброс льда и, если необходимо, сплавляемого леса. При сопряжении в виде поверхностного режима с незатопленным поверхностным прыжком сброс льда проходит безопаснее, так как лед не повреждает крепление дна за сооружением и свободно уходит вниз по течению. При сопряжении с затопленным поверхностным прыжком льдины могут вращаться в поверхностном вальце и наносить повреждения поверхности носка уступа. Если сброса льда через водослив с уступом нет, то может быть рекомендовано сопряжение с затопленным поверхностным прыжком.

Таким образом, предпочтительнее сопряжение с незатопленным или затопленным поверхностным прыжком.

Гидравлический расчет состоит в определении зависимости заданных величин , угла и неизвестных глубин на уступе в отводящем русле в бытовых условиях . Могут быть и другие задачи.

Составим уравнение Бернулли для сечения перед водосливом и 1-1 на выходе с уступа, причем в сечении 1-1 глубину определяем в живом сечении, которое нормально к линиям тока, наклоненным под углом к горизонту (рис. 24.12). В общем случае угол наклона оси струи не равен углу наклона носка .

Рис. 24.12

Рис. 24.13

сопряжение бьеф местный размыв

Угол наклона к горизонту оси струи, сходящей с носка, зависит от угла наклона носка , глубины потока на сходе с носка , радиуса кривизны и центрального угла поворота носка .

Примем плоскость сравнения совпадающей с дном нижнего бьефа.

При сходе с уступа давление под струей изменяется соответственно изменению кривизны линий тока в струе. Поясним это на примере уступа с горизонтальным носком. При опускающейся с уступа струе (выпуклость обращена кверху) давление в угловой точке уступа меньше (рис.24.13,а). При поднимающейся струе линии тока обращены выпуклостью вниз и давление в указанной точке больше (рис. 24.13,6). При горизонтально сходящей с уступа струе давление под струей равно (рис. 24.13,в). Полагаем, что давление в сечении 1-1 распределяется по линейному закону. Тогда уравнение Бернулли примет вид

, (24.1)

где - высота уступа; - средняя скорость в сечении 1-1; - глубина потока в сечении 1-1; - разность высоты, соответствующей действительному давлению в точке , и высоты, соответствующей давлению .

Как уже указывалось, может быть равна нулю, больше или меньше нуля. В последнем случае - вакуумметрическая высота.

Далее после преобразования

где

.

Затем применим теорему об изменении количества движения к отсеку, ограниченному сечениями 1-1 и 2-2, где во втором сечении глубина равна бытовой глубине (рис. 24.12). При этом потерями на трение в пределах выбранного отсека пренебрегаем, дно отводящего участка за водосливом считаем горизонтальным, давление по высоте уступа и в сечениях - распределенным по линейному закону. Ось проекций направлена по направлению течения. В единицу времени изменение количества движения отсеков (при )

.

Тогда

,

где

;

;

- проекция реакции уступа.

После преобразований получим

. (24.2)

Для первого критического режима А. А. Сабанеев предложил давление под струен при сходе струи с уступа считать равным , т. е. , и из уравнений (24.1) и (24.2) исключается одна неизвестная величина.

Тогда уравнения (24.1) и (24.2) принимают вид

; (24.3)

, (24.4)

где - бытовая глубина в нижнем бьефе, соответствующая первому критическому режиму. Из полученных двух уравнений можно найти обе неизвестные величины и . Но согласно опытным данным Т. Н. Астафичевой при первом критическом режиме давление под струей может быть и больше, и меньше гидростатического, и равно ему. При первом критическом режиме (индекс 1)

. (24.5)

При давление под струей всегда больше гидростатического, т. е. ; при давление под струей может превышать гидростатическое или быть меньше него, т. е. или .

При втором критическом режиме всегда :

. (24.6)

Совместно решая (24.1), (24.2), (24.5), находим неизвестные величины и . Совместное решение (24.1), (24.2) и (23.6) приводит к отысканию и .

Отметим, что без дополнительных эмпирических зависимостей для или система уравнений (24.1) и (24.2) была незамкнутой.

На основе уравнений (24.1), (24.2), (24.5) или (24.6) можно решать и другие задачи, в частности определять высоту уступа и глубину на сходе с уступа , при которых произойдет сопряжение, например, в виде свободного поверхностного прыжка, если заданы в этом случае , т. е. необходимо найти .

Результаты экспериментальных исследований позволили ряду авторов предложить способы расчета, где глубины, соответствующие предельным режимам, определяются по эмпирическим формулам.

Поверхностный режим образуется не при всех значениях высоты уступа. По П. М. Степанову при минимальная высота уступа, при которой создается поверхностный режим,

,

где , град.

1.4 СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ ПРИ ОТБРОСЕ СВОБОДНОЙ (НЕПОДТОПЛЕННОЙ) СТРУИ

Сопряжение бьефов при отбросе свободной струи наблюдается обычно за водосливами с высоким уступом (рис. 24.6,а). При этом концевая часть, с которой вода сходит в нижний бьеф, обычно выполняется в виде носка-трамплина, применение которого позволяет дальше отбросить струю в нижний бьеф. За высоким носком-трамплином воздух свободно поступает под струю. Отброс струи возможен и при горизонтальном носке, но в этом случае дальность отлета струи будет значительно меньше.

Сопряжение бьефов в виде свободной отброшенной струи обычно применяется на высоконапорных водосбросных сооружениях (при максимальной разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, равной или превышающей 40 м) и при грунтах основания в нижнем бьефе, достаточно устойчивых против размыва (например, скальных).

Носки-трамплины имеют различную конструкцию: с плоским дном (рис. 24.14,а-в), с плоским дном и цилиндрической вставкой (рис. 24.14,г), с дном в виде цилиндрической или другой криволинейной поверхности (рис. 24.14,е). Если необходимо увеличить или уменьшить ширину струи в месте падения (по сравнению с сечением на выходе сноска), то применяют расширяющий (рис. 24.14,д,е) или сужающий трамплин (рис. 24.14,в). С помощью подбора конфигурации трамплина можно решать и более сложные задачи (например, сброс потока в узкое русло - каньон нижнего бьефа с рассредоточением падающей струи по длине).

Расчеты трамплинов и потока в пределах носков-трамплинов основываются на теории управления бурными потоками.

При расчете отлета струи с носка-трамплина в первую очередь рассчитывают движение воды в пределах самого трамплина, для того чтобы построить свободную поверхность в пределах трамплина и определить глубину и среднюю скорость в сечении на сходе с носка-трамплина.

Рис. 24.14

Дальность падения струи определим, рассматривая движения струйки, проходящей через центр сечения на выходе с носка, без учета аэрации и дробления струи в воздухе и пренебрегая также сопротивлением движению струи в воздухе. Приняв систему координат, показанную на рис. 24.15, запишем уравнения движения частицы жидкости из начала координат со скоростью , направленной под углом к оси :

(24.7)

Исключив время , получим квадратное уравнение относительно

. (24.8)



Pис. 24.15

Отсюда найдем дальность отлета (падения) струи

. (24.9)

Здесь - расстояние по вертикали от центра струи на сходе с носка до рассматриваемой горизонтальной плоскости, на которую падает струя.

Если угол равен нулю (ось струи на сходе с носка горизонтальная), то

. (24.10)

Пусть перепад между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефах, равный , делится на две составляющие: - от уровня воды в верхнем бьефе до центра выходного сечения носка; - от центра этого сечения до уровня воды в нижнем бьефе.

Соответственно перепад с учетом скорости подхода в верхнем бьефе равен , тогда

.

Подставив вместо скорости в центре выходного сечения струи ее значение

,

найдем для дальности отлета струи при

. (24.11)

При .

Задавая , различные значения, получаем дальность отлета струи:

до свободной поверхности в нижнем бьефе (при )

;

до дна при отсутствии размыва (при криволинейной траектории центральной струйки в воде), т. е. при

.

В реальных условиях ось отброшенной струи воды под водой представляет собой прямую линию в отличие от приведенной в предыдущей формуле параболической кривой. Поэтому правильнее длину отлета струи на дно () или на дно ямы размыва глубиной () представлять в виде

.

Угол наклона струи при входе под уровень нижнего бьефа при

или

.

Если направление схода струи с носка горизонтальное, т.е. , то

.

Скорость входа струи под уровень нижнего бьефа определяется по формуле

.

Так как скоростной напор, соответствующий скорости в верхнем бьефе, , то

.

Наибольшая дальность отлета струи наблюдается при различных углах схода оси струи с носка в зависимости от отношения (или ), так как скоростной напор пренебрежимо мал.

Так, при =0,5 максимальная дальность отлета соответствует углу , а при =1 максимальное значение при =30°.

Эти соотношения можно получить, если исследовать, при каком значении (или ) относительная величина будет максимальной.

Угол входа сбрасываемой струи под уровень воды в нижнем бьефе зависит от конструктивных особенностей сооружения. При свободно падающей струе (рис. 24.6, б) угол входа близок к 90°.

При отбросе струи с носка-трамплина водосливной плотины осредненные значения угла входа чаще всего изменяются в диапазоне 20-40°.

Для согласования с наблюдаемыми в действительности расчетные значения умножаются на коэффициент , учитывающий влияние аэрации и дробления (расщепления) струи в полете. Значения коэффициента по данным ВНИИГ принимаются в зависимости от значения параметра кинетичности в сечении на сходе с носка-трамплина (табл. 24.1).

Таблица 24.1

	50	60	75	100	120
	~0,87	0,8	~0,71	0,57	~0,49

Если , то равен единице, т. е. влияние аэрации и расщепления струи не учитывается.

Таким образом, расчет сопряжения в виде отброшенной струи сводится к построению свободной поверхности потока, определению глубины, давлений и средних скоростей в пределах носка-трамплина, определению угла и параметров отброшенной струи. Затем рассчитываются параметры ямы размыва.

1.5 МЕСТНЫЙ РАЗМЫВ ПРИ ОТБРОСЕ СВОБОДНОЙ СТРУИ

При падении отброшенной струи на дно отводящего русла в нижнем бьефе происходит местный размыв, образуется яма (воронка) местного размыва, которая развивается в течение некоторого времени, а затем наступает стабилизация процесса размыва. Но даже в стабилизировавшейся яме размыва отдельные частицы или отдельности размываемого грунта находятся в движении. Эти частицы могут подниматься над дном ямы местного размыва и иногда даже попадать в поступательно перемещающийся транзитный поток и уноситься вниз по течению.



Рис. 24.16

Рассмотрим схему местного размыва (рис. 24.16), считая дно до ямы размыва и за ней находящимся приблизительно на одинаковых отметках.

Многочисленными экспериментами (Ц. Е. Мирцхулава, М. А. Михалев, Т. X. Ахмедов) установлено, что после падения в воду струя растекается в толще водного потока. Движение этой струи происходит не в безграничной жидкости, а в относительно небольшой зоне ямы размыва, границы которой (дно и откосы) представляют собой шероховатые поверхности.

При углах входа струи под уровень нижнего бьефа происходит двустороннее растекание поступившего в нижний бьеф потока, при углах , близких к 90°, образуются две практически равные по объему водоворотные области с горизонтальными осями вращения. При углах <60° преобладает отток в сторону нижерасположенного участка отводящего русла (донный режим сопряжения). Обратные скорости в водоворотной области под струей уменьшаются, при валец под струей практически исчезает.

При полете струи средняя часть струи «обгоняет» крайние части. Первоначальная прямоугольная при отлете с носка форма струи (шириной ) изменяется. Но если рассмотреть среднюю часть струи, то форму поперечного сечения этой части струи можно принять за прямоугольную.

При движении струн в толще воды различают два участка (рис. 24.16): первый - растекание струи до сечения 1-1, где начинается поворот струи, и второй - движение струи вдоль низового откоса до выхода в нижележащий участок русла. На первом участке поперечный размер струи (толщина струи), измеряемый по нормали к оси струи, линейно увеличивается согласно эмпирической зависимости, предложенной М. А. Михалевым,

,

где - толщина струи на входе под уровень нижнего бьефа; - координата вдоль оси струи на первом участке.

Свободная поверхность в рассматриваемой области принимается горизонтальной. Кроме того, струя отклоняется от дна приблизительно под тем же углом, под которым она достигает дна, т. е. угол входа под воду приблизительно равен углу между осью входящей струи и свободной поверхностью.

Как указывает Ц. Е. Мирцхулава, в натурных условиях часто

. (24.12)

Максимальная скорость на оси ниспадающей струи изменяется следующим образом:

, (24.13)

где - координата вдоль оси на участке от свободной поверхности до линии неразмытого дна; - координата вдоль оси струи от линии нeразмытого дна до места максимального размыва.

Согласно (24.13) гашение скоростей в яме размыва происходит более интенсивно, чем в пределах глубины русла.

Максимальная скорость на оси восходящей струи изменяется по формуле

, (24.14)

где - координата вдоль оси восходящей струи от точки соприкосновения ниспадающей струи с дном

Картину местного размыва можно представить следующим образом. В несвязных грунтах размыв прекращается, когда максимальная скорость восходящей струи будет равна гидравлической крупности частиц, покрывающих дно стабилизировавшейся ямы размыва. К моменту прекращения размыва часть мелких частиц из ямы размыва будет вынесена поступательным потоком. Поэтому дно ямы размыва покрыто более крупными частицами, т.е. образуется так называемая отмостка.

Для надежной защиты дна воронки размыва необходим как минимум двухрядный по глубине слой из крупных частиц, образующих отмостку.

Размыв прекратится, когда

,

где - отношение мгновенных максимальных скоростей к осредненным в точке, - гидравлическая крупность частиц, которая может быть найдена по В. Н. Гончарову, если в качестве характеристики размера частиц несвязного грунта, выстилающих дно воронки размыва в момент стабилизации принять - диаметр частиц, меньше которых имеется по кривой гранулометрического состава более 90 % по массе

,

где - плотность грунта, - плотность воды с учетом ее аэрации.

Глубина размыва уменьшается с увеличением аэрации (воздухонасыщения) воды. В то же время рост концентрации воздуха приводит к увеличению гидравлической крупности твердых частиц в воде.

Глубина воды в яме размыва, считая от свободной поверхности, при >15° равна

.

Приняв и учитывая (24.12) - (24.14), Ц.Е. Мирцхулава получил следующую формулу для максимальной глубины воды в яме размыва в несвязных грунтах

, (24.15)

где - бытовая глубина в нижнем бьефе, , меньшее значение соответствует лабораторным условиям, а большее - натурным.

Таблица 24.2

,мм	4	3	2	1	0,5	0,2	0,1
	1,0	0,9	0,8	0,5	0,35	0,2	0,1

Для частиц диаметром меньше 4 мм вводится коэффициент , учитывающий особенности обтекания потоком мелких частиц при соответственно малых значениях чисел Рейнольдса, составленных по диаметру частицы (табл. 24.2). На коэффициент умножается первый член в скобке в формуле (24 15).

При размыве связных грунтов под воздействием падающей струи происходит разрушение грунта в отдельности - агрегаты. В начале размыва отрываются отдельности большего размера, чем в конце этого процесса. До того как агрегат связного грунта будет оторван от основной массы, он подвергается воздействию струи жидкости и раскачивается. В момент, когда воздействие, обусловленное максимальными мгновенными значениями скорости, превысит сопротивляемость грунта на размыв, агрегат оторвется и будет унесен потоком за пределы воронки. Если оторвется отдельность такого большого размера, что поток не в состоянии будет вынести ее из ямы размыва сразу то эта отдельность движется внутри ямы размыва, дробится там на части, и затем выносится. По опытным данным средний размер агрегатов в стабилизировавшейся воронке размыва приблизительно равен 4 мм.

Стабилизация размыва наступает, когда максимальная скорость на оси струи непосредственно вблизи дна станет равной (или меньше) донной неразмывающей скорости в яме .

Исследования показывают, что в яме размыва допускаемая донная (неразмывающая) скорость превышает аналогичную скорость при общем размыве в равномерном движении :

. (24.16)

В среднем допускаемые неразмывающие скорости в ямах размыва принимают равными

. (24.17)

Исходя из равенства и учитывая (23.17), получим максимальную глубину воды в ямс размыва для связных грунтов

. (24 18)

К числу сил, удерживающих отдельность, относят силы усталостной прочности на отрыв, вес отдельности в воде, пригружающее действие глубины воды в воронке размыва и силу гидродинамического давления струи на дно воронки.

В скальных грунтах явление местного размыва происходит при наличии связей между отдельностями скалы. Схематично эти отдельности представляют в виде параллелепипедов. Данные о размерах отдельностей получают по результатам инженерно-геологических исследований.

Рис. 24.17

Исходя из расчета по предельным состояниям, Ц. Е. Мирцхулава рассмотрел действие на отдельность скалы максимальных динамических нагрузок от воздействия струи с учетом пульсаций скоростей и удерживающих сил (сил сопротивления). К первым относятся горизонтальная сдвигающая и вертикальная подъемная составляющие силы воздействия. Удерживают скальную отдельность вертикальная и тангенциальная составляющие веса отдельности и силы, характеризующие усталостную прочность связей между отдельностями скального основания. Под действием указанных сил отдельность скалы находится в условиях внецентренного сжатия. Опытные данные показывают, что в среднем отдельности выступают в поток на 0,1 высоты блока (отдельности).

В предельном случае стабилизация размыва наступает, когда осредненная скорость струи (осевая) на дне ямы размыва равна максимальной скорости струи в том же месте .

Приравнивая и , можно получить зависимость для максимальной глубины воды в яме размыва.

Форма ямы размыва, если рассматривать осредненные ее параметры, оказывается зависящей от вида и свойств грунтов, которые подвергаются размыву падающей струей. Если грунт несвязный, то продольное сечение ямы размыва - трапеция с малой шириной по дну или даже треугольник (рис. 24.17), при связных и скальных грунтах форма ямы размыва трапецеидальная или близкая к прямоугольной.

В скальных грунтах заложение верхового откоса ямы размыва принимается равным 2,2-3, а низового - 1,5. Ширина ямы размыва по дну равна .

Размещено на Allbest.ru

...