Гидравлический расчет сопрягающих сооружений

Размещено на http://allbest.ru

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СОПРЯГАЮЩИХ СООРУЖЕНИИЙ

Выбор сопрягающего сооружения производится на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом особенностей сооружений и трассы (в том числе геологических и топографических условий, гидравлических особенностей работы сооружения и отводящего русла, условий сопряжения в нижнем бьефе сооружения, эксплуатационных требований и т.д.). Эти вопросы детально изучаются в курсе гидротехнических сооружений.

К сопрягающим сооружениям относятся одно- и многоступенчатые перепады, быстротоки и консольные перепады, которые обеспечивают сопряжение участков каналов или водопропускного тракта в местах с резким изменением отметок поверхности земли. Эти сооружения используются также как открытые береговые водопропускные сооружения при пропуске расходов воды в обход плотин.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОСТУПЕНЧАТОГО И МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ПЕРЕПАДОВ

Одноступенчатый перепад состоит из стенки падения и входной и выходной частей (рис. 1). Стенка падения может быть вертикальной, наклонной или криволинейной. Входная часть перепадов может выполняться в виде водослива с широким порогом [высота порога со стороны подводящего русла (рис. 1, а) или (рис. 1,6)], водослива практического профиля прямолинейного или криволинейного очертания.

Поперечное сечение водослива может быть как равно поперечному сечению подводящего русла, так и меньше него. В последнем случае будет боковое сжатие.



Рис. 1

Ширина входной части, работающей как водослив, определяется из формулы расхода водослива

.

Если входная часть перепада работает как неподтопленный водослив, то =1, если входная часть подтоплена, то <1 и определяется в соответствии с рекомендациями по учету подтопления водосливов. Вопрос о подтоплении входной части решается после определения глубины воды на водобое и сравнения ее с высотой стенки падения со стороны нижнего бьефа перепада.

Высота порога на входе

,

где - нормальная глубина в подводящем русле.

Очевидно, что при =0 напор равен глубине в подводящем русле при равномерном движении , a

,

где - скорость при равномерном движении в этом русле.

Если уклон дна подводящего русла (спокойное состояние потока) и порог в подводящем русле отсутствует, то, как известно, устанавливается кривая спада (рис. 1,6).

При отсутствии бокового сжатия на расстоянии выше ребра стенки падения (в сечении 1-1) глубина равна критической глубине, а непосредственно над ребром .

Если в подводящем русле (бурное состояние потока), то глубина при равномерном движении ho на входе в сечение 1-1 равна нормальной в данных условиях. Но . При этом на участке 1-1 глубина уменьшается не более 5 %.

Обычно на подходе к перепадам поток находится в спокойном состоянии. Установим отношение критической глубины и напора , соответствующих данному удельному расходу. При прямоугольном поперечном сечении

, а

или

. (1)

При и

; (2)

при и тех же значениях

; (3)

Часто принимаемое в расчетах соответствует только и 0,385 (водослив с широким порогом при отсутствии потерь, =1).

Над ребром стенки падения глубина составляет: для водослива практического профиля прямолинейного очертания (0,4) по Н.Н. Павловскому

и ,

а для водослива с широким порогом (по М. Д. Чертоусову и Р. Р. Чугаеву)

и .

Движение спокойного потока выше сечения 1-1 будет плавно изменяющимся, а на участке между сечениями 1-1 и 1'-1' резко изменяющимся со значительной кривизной линий тока. Вследствие этого распределение давлений в сечении над ребром стенки падения отличается от гидростатического.

При свободном падении струи избыточное давление в нижних точках потока в сечении 1'-1' равно нулю.

Суммарная сила избыточного давления в сечении 1'-1' над ребром стенки падения составит по В. Н. Попову

,

т. е. в раз меньше силы избыточного давления покоящейся жидкости при тех же площади и глубине погружения центра тяжести.

По экспериментальным данным при свободном доступе воздуха под струю и боковых стенках, ограничивающих падающую струю, =0,333; при истечении струи в атмосферу =0,2; при отсутствии доступа воздуха под струю =0. плотина водослив гидравлический русло

Для удовлетворительной работы перепада необходим доступ воздуха в подструйное пространство.

Щелевые водосливы на входе. Если ширина входной части рассчитана на пропуск только одного значения расхода , то при других расходах в канале будет наблюдаться кривая подкора (увеличение глубин) или кривая спада (уменьшение глубин).

В первом случае скорости будут уменьшаться и в канале может начаться заиление. Увеличение глубин при подпоре приводит к необходимости предусматривать большие запасы высоты бортов канала, чтобы не допустить перелив воды через борта. При спаде, наоборот, скорости воды увеличиваются и может происходить размыв.

В связи с указанными особенностями работы канала для обеспечения движения, близкого к равномерному, проектируют или водослив с изменяемой высотой порога (разборный порог, состоящий из нескольких перегораживающих поток горизонтальных балок, которые по мере необходимости убираются), или водосливы, автоматически поддерживающие равномерное движение в канале при изменении расходов в некотором диапазоне.

В общем случае такой водослив должен иметь криволинейное сечение, нормальное к направлению потока (рис. 2). Равномерное движение поддерживается таким водосливом при изменении расходов от до .

Рис. 2

Рис. 3

Обычно применяют щелевые водосливы с трапецеидальным сечением, состоящие из одной или нескольких щелей (рис 3).

Принимая глубину в плоскости щелевого водослива равной , получим среднюю ширину трапецеидального сечения в этой плоскости

,

где - угол наклона откосов трапецеидального сечения водослива.

Чтобы меньше нарушать условия равномерного движения, в данном расчете принимают два промежуточных значения расхода: и и назначают их так, чтобы соответствующие им значения нормальных глубин в канале равнялись

; (4)

, (5)

где и - нормальные глубины при и соответственно.

Обозначая , для неподтопленного трапецеидального водослива с боковым сжатием имеем

,

отсюда

. (6)

Тогда при принятых и

(7)

Равномерное движение при расходах и будет сохранено при выполнении условия

где - высота порога на входе (если ); - напор над порогом.

Из (8) определяются и при назначенных и .

Следовательно, из (7) определяются ширина по дну щели водослива

и коэффициент откоса

. (10)

В формулах (9) и (10) скоростной напор в канале на подходе к водосливу не учитывается, т.е. и .

Для щелевых водосливов практического профиля коэффициент расхода по Е. А. Замарину принимается в зависимости от напора (табл. 1).

Таблица 1

, м		, м0,5/с	, м		, м0,5/с
<1,0 1,5	0,474 0,485	2,10 2,15	2 2,5	0,496 0,508	2,20 2,25

Коэффициент бокового сжатия принимают обычно равным приблизительно 0,9-0,95 без учета бокового сжатия =1.

Количество щелей определяется по зависимости

, (11)

где - ширина подводящего канала.

Таким образом, сначала определяем глубины и затем соответствующие им расходы и . Найдя требуемое число щелей водослива, округляем и находим приходящиеся на одну щель значения и .

Затем расчет ведем по формулам (7) - (10), подставляя вместо и вместо .

В конце расчета целесообразно построить кривые для канала и для водослива, а затем проанализировать, какие условия работы подводящего канала получены.

Выходная часть. Для расчета ступени и сопряжения за одноступенчатым перепадом необходимо знать характерные глубины .

При прямоугольном поперечном сечении эти глубины определяются с помощью функции для чего вычисляется , где высота стенки падения включает и высоту порога на входе , если он имеется.

По рекомендации Ю. С. Алексеева для перепадов без входного порога и бокового сжатия коэффициент скорости может быть принят по графику рис. 4 в зависимости от отношения , для перепадов с порогом на входе и боковом сжатии коэффициент скорости принимается по графикам рис. 5,а,б.

Рис. 4 Рис. 5

При боковом сжатии коэффициент зависит от комплекса (- средняя ширина подводящего русла).

Сопряжение с потоком в отводящем русле обычно проектируется в виде надвинутого гидравлического прыжка, если поток в нижнем бьефе находится в спокойном состоянии, а прыжок отогнан ().

Для создания надвинутого прыжка могут быть применены водобойный колодец, водобойная стенка или комбинированный водобойный колодец. Длина водобойного колодца или расстояние до водобойной стенки определяется по формулам (9), (9а).

При этом обязательно следует учитывать, что высота падения в этих формулах включает и высоту стенки падения, и высоту водосливного порога (при ), глубину водобойного колодца (при его наличии).

При бурном состоянии потока в отводящем русле будет кривая подпора, если , или кривая спада, если .

Многоступенчатые перепады. Число ступеней многоступенчатого перепада N определяется на основе технико-экономических расчетов.

Входная часть многоступенчатых перепадов рассчитывается так же, как и входная часть одноступенчатых перепадов.

Ширина перепада обычно постоянная как на входе, так и на всех ступенях. Входная часть рассчитывается с учетом бокового сжатия (если оно имеется). Перепады могут иметь горизонтальные ступени, ступени с прямым () или обратным () уклоном.

Рис.6

Рассмотрим перепады с горизонтальными ступенями, в частности перепады без водобойных стенок, устраиваемых в концах ступеней (рис. 6).

При падении на ступени в сжатом сечении образуется глубина , при этом . С увеличением глубин (кривая подпора ) удельная энергия сечения будет уменьшаться и даже может рассеяться до минимального значения при глубине в сечении 1-1, равной . Такая схема может наблюдаться при определенной длине ступени (рис. 6,а), равной

,

где - длина кривой подпора типа от сечения с глубиной до сечения 1-1, где глубина равна - длина участка между сечениями 1-1 и 1'-1', равная . Индекс «кр» означает наличие глубины , созданной в конце ступени без образования гидравлического прыжка.

При длине ступени на расстоянии образуется гидравлический прыжок с последующим уменьшением глубины от до в сечении 1-1. В этом случае длина ступени (рис. 6, б)

,

где - длина кривой спада типа .

При длине ступени на всей ступени поток будет находиться в бурном состоянии, и в конце ступени глубина будет меньше (рис. 6,в). При этом может происходить нарастание кинетической энергии вниз по течению при переходе потока со ступени на ступень. Движение принимает вид, показанный на рис. 7. Условия сопряжения с потоком в нижнем бьефе за таким перепадом, на ступенях которого не выполняются требования гашения кинетической энергии, будут тяжелыми.

Рис.7

Без водобойных стенок длина ступеней получается весьма значительной или необходимого гашения кинетической энергии не происходит.

Придание ступеням обратного уклона позволяет сократить длину ступеней, кроме того, это достигается устройством водобойных стенок в конце ступеней. Такие перепады называются колодезными (рис. 8). В конце каждой ступени, кроме последней, устраиваются водобойные стенки, обеспечивающие создание на ступени глубины, равной (- степень затопления гидравлического прыжка на ступени).

На ступенях образуется подпертый гидравлический прыжок, длина которого принимается равной . Определение сопряженных глубин, а также расчет высоты водобойной стенки не отличаются от ранее приведенного, т. е.

,

где ; - напор над гребнем водобойной стенки, работающей как водослив.



Рис. 8

При расчете необходимо учесть подтопление водослива, если оно возможно.

Вертикальные размеры ступеней определяются на основе одного из двух условий:

1) равенства перепадов между отметками уровней воды на каждой ступени

,

где - разность отметок уровней воды в подводящем и отводящем руслах;

2) равенства разности отметок дна соседних ступеней

,

где - разность отметок дна в верхнем и нижнем бьефах перепада.

Расчет выходной части сводится к расчету сопряжения с надвинутым прыжком, если в отводящем русле поток находится в спокойном состоянии, или к расчету кривых подпора или спада, если поток в отводящем русле находится в бурном состоянии.

При проектировании водобойного колодца или водобойной стенки обычно ширина выходной части принимается равной ширине входной части и ступеней.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ БЫСТРОТОКА

Быстроток представляет собой сооружение, основная (по длине) часть которого имеет уклон . Быстроток состоит из входной части, лотка быстротока или транзитной части (его называют также водоскатом) и выходной части (рис. 9).

Рис. 9

Входная часть быстротока выполняется аналогично входной части перепадов: по типу водослива или по типу сооружения, работающего по схеме истечения из-под затвора (плоского или криволинейного, например сегментного). На входе может быть устроен и водослив без затворов или с затворами, регулирующими расход и соответственно глубину в подводящем канале (русле) (рис. 10).

Расчет входной части ведется по формуле расхода водослива или при истечении из-под затвора. При этом истечение через водослив и из-под затвора на входе в быстроток неподтопленное.

Водоскат быстротока. В зависимости от отношения начальной глубины, с которой начинается кривая свободной поверхности на транзитной части быстротока, и нормальной глубины на водоскате быстротока могут быть различные формы кривой свободной поверхности.

Уклон дна транзитной части быстротока больше критического уклона, нормальная глубина .

Глубина, с которой начинается кривая свободной поверхности на транзитной части, может быть и больше, и меньше . Соответветственно образуются или кривые спада , или кривые подпора . Эти кривые свободной поверхности в каждом случае асимптотически стремятся к линии нормальных глубин. Если длина лотка быстротока достаточна, то начиная с некоторого створа по длине глубины можно считать близкой к , отличающейся от нее на 2-3 %.

Рис. 10

При меньшей длине лотка быстротока глубина в конце наклонной части быстротока больше отличается от и должна определяться из расчета кривой свободной поверхности от начального створа до створа, где заканчивается транзитная часть быстротока.

Если начальная глубина равна , то глубины на транзитной части быстротока не изменяются по длине.

Таким образом, расчет потока на водоскате сводится к определению анализу кривой свободной поверхности, определению типа этой кривой и ее расчету, т. е. отысканию глубин в различных сечениях по длине вплоть до конца транзитной части.

Расчет кривой свободной поверхности на водоскате производится по любому из способов расчета при .

Если транзитная часть быстротока состоит из двух или более частей с разными уклонами ( и т. д.), то ниже места изменения уклона образуются различные кривые свободной поверхности в зависимости от соотношения и при обычно наблюдается кривая подпора , а при - кривая спада .

Строго говоря, глубины должны назначаться по нормали к дну (живое сечение нормально к линиям тока), но очень часто под глубиной понимают расстояние от дна до свободной поверхности по вертикали.

Аэрация потока на быстротоках (рис. 11). При входе потока на начальный участок длиной происходит нарастание турбулентного пограничного слоя вплоть до его выхода на поверхность. Свободная поверхность на этом участке остается ненарушенной какими-либо возмущениями, отсутствует рябь на свободной поверхности. В пределах начального участка существует ядро постоянных скоростей.

Рис. 11

Условно можно считать, что на участке длиной происходит зарождение волн, которые затем обрушиваются. В створе 2-2 происходит начало аэрации, ниже этого створа - участок неравномерного движения аэрированной жидкости , а за ним, если достаточна длина водоската, - участок равномерного движения (IV).

В настоящее время предложены две гипотезы возникновения аэрации. Согласно первой аэрация на водосбросах происходит при разрушении волн, образующихся на свободной поверхности; по второй под воздействием поперечной (нормальной к направлению движения) пульсационной составляющей скорости через свободную поверхность в воздушную среду выбрасываются капли воды, а в образовавшихся на поверхности воды полостях (кавернах) защемляется воздух.

В явлении аэрации существенное значение имеет поверхностное натяжение, способствующее неизменности свободной поверхности.

Рассмотрим первую гипотезу возникновения аэрации, данную Т. Г. Войнич-Сяноженцким.

Критерий начала аэрации получен на основе следующих теоретических соображений. Поток в начале быстротока характеризуется тем, что силы инерции значительно (в 10 раз и более) превышают силы сопротивления, поэтому на этом участке движение поверхностных слоев можно считать потенциальным. На поверхности раздела вода - воздух может возникнуть волновое движение в результате турбулентных возмущений, порождаемых вблизи дна и стенок и проникающих вплоть до свободной поверхности.

При определенной длине волн, равной [- гидравлический радиус, - коэффициент в (8.23)], происходит обрушение волн и воздух захватывается потоком. Наступает аэрация потока. Распределение скоростей по вертикали принято логарифмическим.

Число Фруда, при превышении которого начинается аэрация, определяется как

. (12)

При , и поверхностном натяжении Н/м³ (с учетом наличия органических примесей на поверхности воды) было получено выражение для средней скорости, при превышении которой начинается аэрация,

, (13)

где коэффициент Шези, определяемый по обычным формулам; - угол наклона водоската быстротока.

Число Фруда, соответствующее началу аэрации, может быть представлено и в виде

, (14)

где - число Вебера.

Если , то при любых значениях числа аэрация не возникает. Если >10, но <3000, аэрация также не возникает.

Поток аэрируется при одновременном соблюдении условий >10 и >3000.

На основании анализа данных натурных и лабораторных исследований Н. Б. Исаченко также предложен критерий для начала аэрации

, (15)

откуда

, (16)

где - гидравлический радиус неаэрированного потока; - высота выступа шероховатости; - относительная шероховатость (в использованных опытных данных ).

Для бетонной поверхности хорошего качества при повышенной шероховатости .

Аэрация начинается в том створе по длине сооружения, в котором средняя скорость достигнет или превзойдет ее. Тогда ниже этого створа расчет следует вести с учетом аэрации.

Содержание воздуха и воды в аэрированном потоке оценивается коэффициентами воздухосодержания, водосодержания и аэрации.

Коэффициент воздухосодержания (концентрация воздуха) отношение объема воздуха ко всему объему водовоздушной смеси :

. (17)

Коэффициент водосодержания (концентрация воды) - отношение объема воды ко всему объему водовоздушной смеси:

. (18)

Коэффициент аэрации - отношение объема воздуха к объему воды в данном объеме смеси:

.

В основном в дальнейшем нас интересуют коэффициенты воздухосодержания и аэрации, обозначим их (без индекса) и .

Средняя концентрация воздуха в водовоздушном слое равномерного потока зависит от параметра , равного

, (6.20)

где м/с - гидравлическая крупность пузырьков воздуха диаметром 1,5-8 мм; - гидравлический радиус водовоздушного слоя.

График зависимости от приведен на рис. 12.

Рис. 12

Выражение для средней концентрации воздуха в водовоздушном слое аэрированной жидкости при неравномерном движении имеет вид

, (21)

где - глубина воды в створе, где возникает аэрация; - глубина водовоздушного слоя аэрированного потока при равномерном движении; - глубина водовоздушного слоя аэрированного потока при расходе смеси вода - воздух .

При расчетах часто применяется двухслойная модель аэрированного потока: нижний слой 1 - водовоздушный, где объем воды превышает объем воздуха в смеси, верхняя граница нижнего слоя определяется значениями =0,5 и находится от дна по нормали к нему на расстоянии (рис. 13). Верхний слой 2 - воздушно-капельный толщиной , где гораздо больший объем занимает воздух.

Под глубиной аэрированного потока понимают расстояние от дна до границы раздела воздушно-капельной области потока и воздушной среды (воздушного потока). При этом сама граница определяется условно: принимают, что она характеризуется некоторой концентрацией , например от 0,9 до 0,99.

Если учесть, что

, (22)

то глубина в аэрированном потоке составит

, (23)

где - глубина до аэрации.

Рис.13

Для каналов с хорошим качеством бетонирования по экспериментальным данным С. М. Слисским рекомендуется принимать

, (24)

где .

Расчеты возникновения аэрации бурных потоков должны выполняться как для максимального расхода , так и для расходов 0,2; 0,4; 0,6; 0,8.

Волнообразование на быстротоках. При определенных условиях, как будет показано ниже, может произойти потеря устойчивости потока на быстротоке, которая выражается в образовании на транзитной части катящихся волн (рис. 14).

Они образуются в некотором сечении 1-1, затем высота (и длина) волн увеличиваются. Наконец, в сечении, находящемся на расстоянии от сечения 1-1, где начинается волнообразование, волны могут достичь предельного развития, а далее происходит движение волн с неизменным профилем. При этом максимальная глубина воды в сечении с вершинами волн превышает расчетную нормальную глубину на водоскате при одном и том же расходе.

Рис. 14

Если длина водоската ниже сечения, где начинается волнообразование, меньше, чем , то высота катящихся волн не достигает максимального значения.

На участке кривой подпора возникшее выше по течению волновое движение усиливается, на участке кривой спада, наоборот, затухает.

Волны могут вызывать значительные всплески в зоне сопряжения в выходной части быстротока и неустановившееся движение в отводящем канале, что крайне нежелательно.

Источником волнообразования являются турбулентные возмущения. Если они достигают свободной поверхности сразу по всей ширине потока, то это может привести к образованию катящихся волн.

По Т. Г. Войнич - Сяноженцкому неаэрироваиный равномерный поток, находящийся в бурном состоянии, будет асимптотически устойчив и волнообразование не состоится, если выполняется следующее неравенство:

.(25)

Здесь ; - коэффициент количества движения, определяемый по А. С. Оразовскому:

;

;

;

- коэффициент Шези; - ширина по дну; - смоченный периметр; - гидравлический показатель русла:

. (26)

Для прямоугольного поперечного сечения =0, для треугольного =0. Для быстротоков, на которых возникают катящиеся волны, , при отсутствии катящихся волн .

Для равномерного движения в условиях аэрации критерий волнообразования имеет вид, аналогичный (25), но параметры вычисляются для водовоздушного слоя, а в левой части вместо подставляем .

При этом с учетом концентрации воздуха .

Для предварительных расчетов волнообразования в быстротоках с прямоугольным поперечным сечением () можно использовать график рис. 15, на котором в качестве параметра введена величина .

Рис.15

Область, расположенная выше проведенной на графике кривой , соответствует отсутствию катящихся волн.

Найдя по известным величины и , можно определить, будут ли образовываться катящиеся волны на быстротоке. Очевидно, что относительная ширина существенно влияет на волнообразование.

Высота волны в сечении, где зарождаются катящиеся волны,

,

где для неаэрированных потоков; для аэрированных потоков ( - средняя концентрация воздуха).

Для полностью развитых волн максимальная глубина потока (рис. 14,б) в быстротоках с прямоугольным поперечным сечением (т. е )

, (27)

а минимальная глубина потока

. (28)

Высота предельной волны

.

Понятно, что высота боковых стенок транзитной части быстротока должна определяться с учетом , если допускается наличие катящихся волн. Скорость распространения катящихся волн, достигших предельного развития,

. (29)

Длина участка достижения волнами предельного развития

. (30)

Изложенные выше рекомендации относятся к равномерному движению, равно как и входящие в формулы величины с индексом нуль. Если анализируются возможность появления катящихся волн и их движение для неравномерного движения, то соответствующие величины относятся к началу волнообразования.

Детальные расчеты движения катящихся волн, а также анализ условий, в которых без опасности для сооружения может быть допущено волновое движение описанного вида на быстротоках, необходимо выполнять в соответствии с нормативами.

Для увеличения устойчивости бурного потока в ряде случаев применяются различные конструктивные меры: «безволновые» формы поперечного сечения быстротока (параболическая, треугольная, эллиптическая, гиперболическая и с продольными треугольными углублениями в дне) - рис. 16, или устраиваются продольные стенки.

Расчет выходной части. Выходная часть обычно имеет уклон дна и, следовательно, поток в бытовых условиях находится в спокойном состоянии.

Образующийся гидравлический прыжок может быть надвинутым, отогнанным или начинаться непосредственно у конечного сечения водоската. Поскольку ширина отводящего канала (русла) обычно больше, чем ширина быстротока в конце его транзитной части, устраивают расширяющийся переходный участок.

Рис. 16

При надвинутом на водоскат гидравлическом прыжке, полностью размещенном на транзитной части, на переходном участке будет происходить неравномерное движение в непризматическом () русле, причем растекающийся поток - в спокойном состоянии.

При устройстве, например, водобойного колодца его ширину часто назначают равной ширине водоската, и тогда на переходном участке расширяется поток, находящийся в спокойном состоянии.

Гидравлический прыжок также может быть размещен в расширяющемся (в плане) водобойном колодце. Расчет при этом ведется на основе уравнения гидравлического прыжка в русле переменного сечения.

Определив из уравнения (21.36) вторую сопряженную глубину, найдем длину водобойного колодца. При центральном угле расширения 14° (т.е. 7°) глубины в каждом сечении растекающегося бурного потока приблизительно постоянны и гидравлический прыжок в плане нормален к оси потока. При больших гидравлический прыжок в плане имеет криволинейную форму.

Если переходный участок, в котором происходит растекание, запроектировать расширяющимся, то можно будет изменять удельный расход в сечении, где начинается гидравлический прыжок. В связи с этим изменяется значение второй сопряженной глубины.

Часто применяется схема, когда поток, находящийся в бурном состоянии, растекается в расширяющемся переходном участке (обычно =0), а в конце этого участка начинается водобойный колодец той же ширины, что и дно отводящего канала. Размещение колодца именно в конце расширяющегося участка, где стенки сопрягаются со стенками на выходе из расширения, способствует гашению волн возмущения, которые могут возникнуть в этом месте. Очертание боковых стенок, обеспечивающее достаточно удовлетворительные условия расширения, соответствует эмпирической формуле

. (31)

Для различных отношений в прямоугольном канале (- ширина в начале расширения, - ширина отводящего канала) построен график (рис. 17).

Рис. 17

Выход также может быть выполнен в виде трамплина, в том числе и рассеивающего.

Водобойный колодец проектируется лишь в случае отогнанного гидравлического прыжка.

Рассмотрим водобойный колодец, примыкающий к концу водоската. Для создания устойчивого донного режима сопряжения необходимо обеспечить удовлетворяющий этому условию ввод потока в водобойный колодец.

Рис.18

В связи с этим вход в колодец проектируют в виде наклонной или, что предпочтительнее с гидравлической точки зрения, криволинейной поверхности (рис. 18).

Очертание криволинейной стенки определяется из уравнения свободного падения

, (32)

где - средняя скорость в конце водоската.

При .

Водобойный колодец рассчитывается по ранее изложенной методике.

Рис.19

Если колодец устраивается без стенки падения (рис. 19), то глубина в конце водоската будет первой сопряженной глубиной, а вторая сопряженная глубина определяется с помощью функции

.

В этом случае

.

Если водобойный колодец имеет стенку падения, то находится сжатая глубина с учетом того, что удельная энергия потока включает в этом случае и глубину водобойного колодца , т. е.

.

Иногда приближенно принимают равной глубине в конце водоската.

Длину водобойного колодца определяют по известным формулам, включая в в случае необходимости и .

Если в нижнем бьефе быстротока проектируется водобойная стенка, то ее расчет проводится по ранее изложенной методике.

Отметим, что при установке гасителей на участке сопряжения за быстротоком, как и при других аналогичных условиях сопряжения, существенно уменьшается глубина, при которой происходит сопряжение с надвинутым прыжком на 25-30% (по сравнению со схемой без гасителей).

Если в нижний бьеф быстротока поступает аэрированный поток или поток с катящимися волнами, то это должно быть учтено в расчете выходной части.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНСОЛЬНОГО ПЕРЕПАДА (СБРОСА)

Консольный перепад состоит из входной части быстротока и плоского носка (трамплина), за которым происходит свободное падение струи (рис. 20).

Обычно устраивают горизонтальный носок или придают ему обратный уклон, но не более 0,026, т. е. 15°.

Риc. 20

Данные о глубине и скорости в конце быстротока являются исходными для расчета отброса струи, который ведется по зависимостям, найденным при рассмотрении свободного падения струйки, проходящей через центр выходного сечения потока на консоли.

Укажем, что при горизонтальном носке () наибольшая дальность отлета струи получится при расстоянии от носка до дна в нижнем бьефе .

Максимальная длина падения струи на дно русла (до размыва) при и

где - угол наклона струи в выходном сечении носка.

При и

.

Размещено на Allbest.ru

...