УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАШЕНИЯ ЭНЕРГИИ В НИЖНЕМ БЬЕФЕ

Наиболее неблагоприятной формой сопряжения бьефов является отогнанный прыжок. В случае отогнанного прыжка поток в нижнем бьефе находится в бурном состоянии, обладающем большим запасом кинетической энергии, и в результате этого может происходить размыв русла в нижнем бьефе. Для предотвращения размыва русла необходимо в зависимости от скорости потока производить его укрепление. Укрепление русла осуществляется на длину отгона прыжка и длину самого прыжка. Укрепление русла на достаточно большую длину требует значительных капитальных затрат, и в процессе эксплуатации необходимо учитывать возможные случаи разрушения его креплений. Наиболее целесообразным является то, чтобы энергия потока, сбрасываемого с водосливной плотины, гасилась в результате увеличения глубины воды непосредственно за плотиной. Гашение энергии при увеличении глубины происходит за счет турбулентного перемешивания и работы сил трения потока, сбрасываемого с плотины, и потока, находящегося в отводящем русле.

В результате увеличения глубины жидкости в нижнем бьефе форма сопряжения бьефов будет в виде затопленного прыжка. Для получения в нижнем бьефе сопряжения в виде затопленного прыжка устраиваются гасители, т.е. устройства (сооружения) для гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе.

Существуют следующие типы гасителей:

• водобойный колодец;

• водобойная стенка;

• водобойный колодец со стенкой;

• специальные гасители - ряд бетонных выступов или различные препятствия.

Водобойный колодец

Глубина нижнего бьефа увеличивается за счет понижения дна отводящего русла непосредственно в нижнем бьефе на величину а_к. Такое устройство называется водобойным колодцем (рис. 9.24).

Рис. 9.24. Водобойный колодец

Необходимое заглубление колодца а_к должно удовлетворять следующим условиям:

, (9.61)

где h_н — глубина потока в нижнем бьефе, в отводящем русле;

∆z — перепад уровней воды на водобойном уступе; — расчетная глубина сопряжения со сжатой глубиной h_с.

При определении глубины вводится коэффициент запаса σ, который увеличивает сопряженную глубину ,

=σ

Величина запаса принимается σ= 1,05 .

Перепад ∆z возникает в результате выхода потока из водобойного колодца в отводящее русло нижнего бьефа. Перепад ∆z находится из условия, что течение жидкости через выходящую часть водобойного колодца подобно движению через затопленный водослив с широким потоком:

∆z= (9.62)

где φ — коэффициент скорости, φ=0,9 0,95; V_кол — средняя скорость в колодце на подходе потока к его уступу.

V_кол= (9.63)

Пренебрегая скоростью V_кол, перепад по А. Угинчусу

∆z= (9.64)

Коэффициент скорости φ близок к единице.

Глубина колодца

. (9.65)

В некотором случае, считая ∆z малой величиной, ею можно пренебречь при вычислении глубины колодца:

. (9.66)

При определении глубины колодца вычисляется h_с с использованием уравнения (9.51), а затем спряженная с h_с фиктивная глубина .

После нахождения а_к целесообразно повторить расчет с целью уточнения, что , полученная с учетом глубины колодца а_к , соответствует условию

Длина колодца l_к должна соответствовать условию, что гидравлический прыжок должен находиться в пределах его длины:

. (9.67)

где l_п—длина гидравлического прыжка; β— коэффициент пропорциональности.

Если уступ водобойного колодца находится в зоне гидравлического прыжка, то он будет создавать подпор прыжка. Гидравлический прыжок в таком случае называется подпертым прыжком. По рекомендации М.Чертоусова для подпертого прыжка принимается β= 0,7 0,8. Для неподпертого прыжка β=1.

Длина прыжка l_п определяется по формулам, приведенным в гл. 8.

В случае водослива с широким порогом или перепада (см. рис. 9.29) учитывается дальность отлета струи l₁, от грани стенки до сжатого сечения h_с.

Формула, учитывающая траекторию падения струи с высоты стенки С,

. (9.68)

где V_ст — скорость в сечении ребра стенки; h_ст — глубина воды в сечении ребра стенки.

В некоторых случаях принимается, что V_ст = V_кр , h_ст = h_кр (V_кр, h_кр — критические скорость и глубина).

Дальность отлета струи может быть вычислена также по формуле

, (9.69)

где ; Н — глубина потока на пороге водослива с широким порогом; V_o — средняя скорость на подходе к водосливу.

Длина водобойного колодца

l_к = l₁ + (0,7 ÷ 0,8) l_п . (9.70)

Водобойная стенка

Водобойная стенка представляет собой водослив высотой а_с прямоугольной или трапецеидальной формы (рис. 9.25). Расчет водобойной стенки заключается в нахождении ее высоты а и расстояния от сооружения до стенки. При устройстве водосливной стенки дно нижнего бьефа остается неизменным. В этом случае не требуется производить работы по выемке грунта в нижнем бьефе и увеличивать высоту водосливной плотины, как это нужно для устройства водобойного колодца.

Рис. 9.25. Водобойная стенка

В результате установки водобойной стенки увеличивается глубина за плотиной, а при переливе воды через стенку возникает напор над стенкой H_с. Глубина потока перед стенкой будет равна ее высоте a_с и Н_с.

Глубина перед стенкой должна удовлетворять условию: форма сопряжения бьефов должна быть в виде затопленного прыжка:

(9.71)

Расчетная сопряженная с глубиной в сжатом сечении h_c

.

Полагая, что водобойная стенка незатопленная, напор H_с определяется по формуле расхода для водослива. Полный напор на стенке

, (9.72)

где m — коэффициент расхода стенки, зависящий от формы стенки.

Можно принять m= 0,4 0,43.

Статический напор на стенке

, (9.73)

где V_ос — средняя скорость перед стенкой:

.

Высота стенки

. (9.74)

Высота стенки определяется последовательным вычислением величин h_c, , H_c .

После нахождения высоты стенки проверяется форма сопряжения, которая будет иметь место непосредственно за стенкой. Если сопряжение бьефов за стенкой будет происходить в виде отогнанного прыжка, то за ней устраивается другая водобойная стенка. Высота следующей стенки будет несколько меньше первой. В некоторых случаях, может быть, необходимо иметь третью стенку.

Гидравлический расчет водобойных стенок заканчивается, когда в водобойном русле гидравлический прыжок будет затоплен.

Расстояние l_c от сооружения (от сжатого сечения) до водобойной стенки определяется аналогично длине водобойного колодца.

Водобойный колодец со стенкой (комбинированный колодец)

Комбинированный колодец (рис. 9.26) применяется в случаях, когда глубина колодца или высота водобойной стенки существенно большие. Для их устройства требуются значительные капитальные затраты.

Рис. 9.26. Комбинированный колодец

При расчете комбинированного колодца должно удовлетворяться условие

. (9.75)

Вначале находится высота водобойной стенки а_с. Высота определяется исходя из того, что сопряжение потока за стенкой будет иметь форму затопленного прыжка, и согласно (9.51)

. (9.76)

где h_сс — глубина в сжатом сечении за стенкой; φ_с — коэффициент скорости, принимается φ_с = 0,85 0,95; Н_со — полный напор перед стенкой; — сопряженная глубина с глубиной в отводящем русле прямоугольного сечения h_H, вычисляется по формуле

= ,

,

где V_ос — средняя скорость перед стенкой.

Из (9.75) находим глубину колодца:

. (9.77)

Вычисляя сжатую глубину h_с в колодце и сопряженную с ней , методом подбора уточняется рассчитанная ранее глубина колодца a_к.

Длина комбинированного колодца при условии его затопления

l_к = (0,7 ÷ 0,8) l_п ,

где l_п — длина гидравлического прыжка.

Пример 9.7

В канале прямоугольного сечения шириной b = 3 м имеется водослив практического профиля криволинейной формы. Определить характер сопряжения потока расходом 10 м³/с

с нижним бьефом и размеры водобойного колодца. Глубина воды в нижнем бьефе h_н = 1,8 м (см. рис. 9.24). Высота в нижнем бьефе плотины С_н = 3,0 м, в верхнем бьефе С_в = 3,5 м.

Полный напор на подходе к водосливной плотине

.

Напор на водосливной плотине

Принимаем коэффициент расхода m₀ = 0,45.

.

Скорость на подходе к водосливу

Сжатая глубина определяется из уравнения (9.51), принимая φ = 0,95:

.

Методом подбора получаем h_c = 0,395 м,

.

Критическая глубина

Фиктивная сопряженная глубина

.

Сопряжение струи с нижним бьефом будет осуществляться в виде отогнанного прыжка.

Перепад на колодце по (9.64) при φ = 1:

.

Глубина колодца, принимая σ =1,1, составит

.

Длина прыжка по формуле Сафранеца

.

По формуле М. Чертоусова

.

Длина колодца

l_к = 0,75 l_п = 0,75 · 10,6 = 8,0 м.

Размеры колодца: а_к = 0,45 м; l_к = 8,0 м.

Пример 9.8

Согласно исходным данным примера 9.7 определить размеры водобойной стенки. Коэффициент расхода стенки m = 0,41 (см. рис. 9.25)

Полный напор на водобойной стенке по (9.71)

.

Скорость перед водобойной стенкой при σ = 1,1

Напор на стенке при α=1

Высота водобойной стенки

.

Проверяем сопряжение потока за стенкой. Полный напор перед стенкой

Т_ос = a_c + H_co = 1,02 + 1,5 = 2,52 м

Примем коэффициент скорости φ= 0,95.

Сжатую глубину за стенкой находим по зависимости

.

Подбором находим h_сс = 0,58 м.

Фиктивная сопряженная глубина составит

.

За водобойной стенкой сопряжение потока будет в виде затопленного прыжка. Дополнительной стенки не нужно устанавливать.

Расстояние до стенки будет такое же, как и для водобойного колодца, l_с = 8,0 м.

Размеры стенки: а_с = 1,02 м; l_с = 8,0 м.

ПЕРЕПАДЫ

Перепадом называют сооружение, устанавливаемое в русле, имеющее существенно большой уклон дна и обеспечивающее сопряжение участков потока жидкости по ступеням (уступам). Ступень представляет собой, как правило, вертикальную стенку падения и горизонтальный участок русла. В зависимости от числа ступеней перепады делятся на одноступенчатые (рис. 9.27 и 9.28) и многоступенчатые (см. рис. 9.32).

В системах водоотведения при сопряжении двух потоков жидкости в случае резкого изменения рельефа местности устраивают перепадные колодцы. В таких колодцах сопрягается поток в подводящей трубе с потоком в отводящем коллекторе, расположенном на отметке ниже уровня подводящей трубы.

Рис. 9.28. Одноступенчатый перепад с уступом