ВОДОСЛИВЫ

Глава 9. ГИДРОСООРУЖЕНИЯ НА КАНАЛАХ

ВОДОСЛИВЫ

Если на пути потока жидкости в открытом русле поставить преграду (водоподпорную стенку), то уровень потока перед стенкой повысится. Когда уровень превысит гребень стенки, поток жидкости начнет переливаться через нее. Стенка, через которую происходит перелив воды, называется водосливной стенкой. Водосливом называют отверстие в стенке, через которое протекает поток жидкости.

В системах водоснабжения водосливы встречаются в составе гидроузлов водохранилищ, создаваемых с целью водоснабжения, а также для измерения потоков воды на очистных сооружениях. В системах водоотведения водосливы входят в состав ливнесбросов.

На рис. 9.1 показан водослив с тонкой водосливной стенкой.

Рис. 9.1. Водослив с тонкой стенкой

Участок перед водосливной стенкой (рис. 9.1) называют верхним бьефом, а за водосливной стенкой - нижним бьефом.

Глубина потока перед водосливом Т - глубина в верхнем бьефе. Глубина потока за водосливом - глубина в нижнем бьефе.

Разность отметок уровня потока в верхнем бьефе и верхней отметки гребня (порога) водосливной стенки водослива - геометрический напор водослива Н. Расстояние от отметки гребня до отметки дна русла - высота водослива в верхнем бьефе.

Поток в верхнем бьефе со скоростью подходит к водосливу, - скорость подхода потока к водосливу.

Глубина потока Т перед водосливом представляет собой удельную потенциальную энергию подходящего потока.

Полная удельная энергия потока перед водосливом

. (9.1)

Разность отметок свободной поверхности потока верхнего и нижнего бьефов называют перепадом на водосливе .

Ширина водосливного отверстия - ширина водослива .

Толщина водосливной стенки - .

В случае когда уровень потока нижнего бьефа будет выше гребня водослива, разность этих уровней будет являться глубиной подтопления водослива.

Водосливы классифицируют по следующим признакам.

1. По форме и толщине водосливной стенки водосливы разделяют:

• на водосливы с тонкой стенкой - (см.рис. 9.1);

• водосливы с широким порогом (рис. 9.2), когда водосливная стенка имеет некоторую длину в направлении потока ( );

• водосливы практического профиля (рис. 9.3), толщина стенок которых занимает промежуточное значение между водосливом с тонкой стенкой и с широким порогом. Такие водосливы могут иметь полигональное (ломаное) или плавное очертание водосливной грани.

Рис. 9.2. Водослив Рис. 9.3. Водослив

с широким порогом практического профиля

2. По форме водосливного отверстия водосливы бывают: прямоугольные, треугольные, трапецеидальные (рис. 9.4-9.6).

Рис. 9.4. Водослив Рис. 9.5. Водослив Рис. 9.6. Водослив

с прямоугольным с треугольным с трапецеидальным

отверстием отверстием отверстием

3. По характеру подхода потока к водосливу в плане:

• прямые, когда направления движения потока перед водосливом и за ним совпадают;

• боковые, когда направления движения подходящего к водосливу потока и уходящего от него потока не совпадают;

• без бокового сжатия, когда ширина водослива b равна ширине подводящего поток к водосливу русла В (рис. 9.7);

• с боковым сжатием (рис. 9.8), когда ширина водослива меньше ширины подводящего русла ( ).

Рис. 9.7. Водослив Рис. 9.8. Водослив

без бокового сжатия с боковым сжатием

4. По влиянию глубины потока в нижнем бьефе на характер перелива струи водосливы разделяют:

• на неподтопленные (рис. 9.9), когда глубина потока нижнего бьефа не влияет на характер перелива струи через водослив;

• подтопленные (рис. 9.10), когда глубина потока нижнего бьефа влияет на перелив воды через водослив.

Рис. 9.9. Неподтопленный Рис. 9.10. Подтопленный

водослив водослив

Для вывода формулы расхода через прямоугольный водослив воспользуемся зависимостью определения расхода (6.21) при истечении жидкости из большого отверстия в тонкой стенке (гл. 6, рис. 6.8):

.

Для водослива с тонкой стенкой . Нижняя грань отверстия является порогом водослива, и тогда напор на водосливе . Коэффициент расхода водослива . Таким образом, основная формула неподтопленного водослива с тонкой стенкой

. (9.2)

Коэффициент расхода зависит от формы и типа водослива.

Для учета влияния скорости подхода потока со стороны верхнего бьефа к водосливу (см. рис. 9.1) в формулу (9.2) вводится полный напор на водосливе:

. (9.3)

Расход с учетом скоростного напора

. (9.4)

Расход также может определяться по формуле

, (9.5)

где - коэффициент расхода водослива, учитывающий скорость подхода потока к нему.

Для вычисления коэффициента существует несколько эмпирических формул. Наиболее рациональной является формула Р. Чугаева для водослива с тонкой стенкой при соблюдении граничных условий и м:

. (9.6)

Для водослива с боковым сжатием ширина водослива отличается от ширины подводящего русла В (см. рис. 9.8). При происходит отрыв потока от стенок русла и сжатие струи, переливающейся через водослив, что приводит к уменьшению ширины фронта перелива струи, т.е. к ее сжатию, и в результате расход станет меньше. Для учета влияния сжатия струи на величину расхода в формулу (9.5) вводится коэффициент сжатия струи :

. (9.7)

Величина коэффициента сжатия зависит от числа сжатий (в случае разделения ширины водослива быками на отдельные участки) и условий обтекания потоком твердых его стенок (см. п. 9.5).

Схема подтопленного водослива с тонкой стенкой представлена на рис. 9.10. Подтопление водослива получается при соблюдении следующих двух условий:

• уровень воды в нижнем бьефе располагается выше гребня водослива: и ;

- глубина подтопления водослива;

- высота водосливной стенки со стороны нижнего бьефа;

• в нижнем бьефе имеет место спокойный режим движения потока.

В случае бурного режима движения потока в нижнем бьефе непосредственно за водосливом может образоваться отогнанный гидравлический прыжок и водослив может оказаться неподтопленным.

Для оценки состояния движения потока за водосливом, когда русло в нижнем бьефе прямоугольное, определяется соотношение перепада на водосливе z и высоты водосливной стенки . Спокойный режим движения жидкости будет иметь место в случае относительного перепада

. (9.8)

Для учета влияния подтопления водослива на значение расхода в формулу (9.5) вводится коэффициент подтопления водослива , тогда

. (9.9)

Коэффициент подтопления прямоугольного водослива с тонкой стенкой без бокового сжатия обычно вычисляется по эмпирической формуле Базена:

. (9.10)

Для измерения расхода потоков воды в системах водоснабжения часто используют водосливы с тонкой стенкой с различной формой водосливного отверстия. Наиболее часто применяют водослив с треугольным отверстием (см. рис. 9.5). Угол вершины треугольника делают равным 90°. Для определения расхода через такой водослив применяется формула вида

, (9.11)

где Н - напор над вершиной треугольника, м; Q - расход, м³/с

При напорах м коэффициенты согласно исследованиям Томсона , .

В случае , и м значение коэффициентов по Кингу , .