СОПРЯЖЕНИЕ БЬЕФОВ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ
Под сопряжением бьефов понимают слияние потока жидкости, переливающегося, например, через водослив в виде струи, с потоком нижнего бьефа.
В результате падения струи скорость потока жидкости увеличивается к низу водослива и наибольшие скорости будут у дна нижнего бьефа. Поток, падающий в нижний бьеф, таким образом, находится в бурном состоянии.
Сопряжение бьефов имеет место при прохождении воды через гидротехнические сооружения (перепад, быстроток, водосброс, щитовой затвор и т.п.) и слиянии с потоком нижнего бьефа.
В практике водоотведения сопряжение бьефов происходит на участке за перепадным колодцем, в зоне изменения уклонов дна коллекторов при переходе от большего уклона дна к меньшему уклону, при выходе потока сточной жидкости из различного вида подпорных сооружений.
При переходе потока из бурного состояния в спокойное возникает гидравлический прыжок. В случае если в нижнем бьефе поток будет находиться в спокойном состоянии, то сопряжение бьефов будет сопровождаться гидравлическим прыжком. В результате слияния потока с верхнего бьефа с нижним могут возникнуть разные формы свободной поверхности:
• сопряжение с отогнанным гидравлическим прыжком, когда начало прыжка отодвигается на расстояние длины отгона от сжатой глубины. Линия свободной поверхности представляет собой кривую подпора;
• сопряжение в виде прыжка в сжатом сечении. При такой форме сопряжения отсутствует длина отгона прыжка и прыжок начинается в сжатом сечении;
• сопряжение бьефов с затопленным гидравлическим прыжком, когда нижний бьеф затапливает прыжок.
На рис. 9.18 показано истечение жидкости через водосливную плотину практического профиля. Водослив не имеет на гребне затвора (щита). Русло в нижнем бьефе прямоугольное шириной .
В результате движения потока по профилю водослива его скорость увеличивается к нижней части, а живое сечение уменьшается. Наименьшее сечение будет у дна нижнего бьефа русла. В этом месте будет наиболее сжатое сечение (сечение С-С). Глубина воды в сжатом сечении .
Используем уравнение Бернулли для определения сжатой глубины .
Плоскость сравнения 0-0 проведем по дну нижнего бьефа.
Рис. 9.18. Сопряжение бьефов при переливе воды
через криволинейную водосливную плотину
Контрольное сечение 1-1 возьмем перед водосливной плотиной в верхнем бьефе, а сечение 2-2 пусть совпадает с С-С. Движение жидкости перед плотиной и в сжатом сечении будем считать плавноизменяющимся.
Запишем уравнение Бернулли для выбранных сечений 1-1 и 2-2:
, (9.44)
где скорость - средняя скорость на подходе к плотине, ; скорость - скорость в сжатом сечении, ; , .
Гидравлические потери напора на участке от сечения 1-1 до 2-2
, (9.45)
где - коэффициент местных сопротивлений.
Примем .
Полный напор в сечении 1-1 относительно плоскости сравнения
. (9.46)
После некоторых подстановок получим из (9.44)
. (9.47)
Введем коэффициент скорости , который учитывает гидравлические потери на участке от 1-1 до С-С:
. (9.48)
После преобразования выражения (9.47) скорость в сжатом сечении
(9.49)
Выразим скорость через расход, проходящий через водослив, ,
откуда получим расход
. (9.50)
Уравнение (9.50) можно представить в другом виде:
. (9.51)
Сжатая глубина может быть определена по формуле (9.50) или (9.51). Глубина находится методом подбора, так как полученная зависимость (9.51) относительно является кубическим уравнением.
При вычислении следует иметь в виду, что сжатая глубина находится в следующих пределах:
где - критическая глубина в прямоугольном русле.
Рассматриваем условие, что уклон для русла в нижнем бьефе меньше критического уклона, . В этом случае возможны следующие три формы сопряжения бьефов.
Первая форма сопряжения - отогнанный прыжок. Гидравлический прыжок устанавливается на некотором расстоянии от водосливной плотины (рис. 9.19).
Рис. 9.19. Отогнанный прыжок
Глубина воды возрастает от до . Кривая свободной поверхности представляет собой кривую подпора. Расстояние до гидравлического прыжка называется длиной отгона прыжка или длиной кривой подпора.
Глубина - глубина, сопряженная с глубиной воды в русле нижнего бьефа водосливной плотины .
Вторая форма сопряжения - прыжок в сжатом сечении.
В результате увеличения глубины в нижнем бьефе сопряженная с ней глубина будет уменьшаться.
В случае если станет близкой к начало прыжка будет приближаться к сжатому сечению С-С, и если , отгона прыжка не будет. Прыжок будет начинаться в сжатом сечении (рис. 9.20); - сопряженная глубина сжатого сечения .
Третья форма сопряжения - затопленный прыжок.
Увеличение глубины в нижнем бьефе приводит к тому, что происходит затопление сжатого сечения и прыжок смещается к грани поверхности водосливной плотины ( ). Гидравлический прыжок за счет глубины в нижнем бьефе будет затопленным (рис. 9.21).
Для определения формы сопряжения бьефов используется понятие фиктивного гидравлического прыжка, начальная глубина которого , а конечная - . При определении формы сопряжения глубина воды в нижнем бьефе сравнивается с фиктивной величиной прыжка .
Рис. 9.20. Прыжок в сжатом сечении
Рис. 9.21. Затопленный прыжок
В случае если , нижний бьеф не затапливает фиктивный прыжок. Тогда форма сопряжения представляет собой отогнанный прыжок (см. рис. 9.19).
Когда уровень воды в нижнем бьефе будет соответствовать второй глубине фиктивного прыжка - , то форма сопряжения - прыжок в сжатом сечение.
Если , то уровень воды в нижнем бьефе находится на такой высоте, что прыжок будет затоплен. Форма сопряжения - затопленный прыжок.
Для русел, сечение которых отличается от прямоугольного сечения, используется уравнение (9.51), а также специальные таблицы и графики, приводимые в справочной литературе для нахождения сжатой глубины . По величине определяется сопряженная с ней глубина .
Для русел прямоугольного сечения вычисляется по уравнению гидравлического прыжка :
.
Сопоставляя сопряженную глубину с глубиной потока в нижнем бьефе , определяется вид гидравлического прыжка при сопряжении бьефов.
Когда форма сопряжения происходит в виде отогнанного прыжка, то определяется длина отгона прыжка. Длина отгона (длина кривой подпора) может быть вычислена, например, по способу В. Чарномского (см. п. 8.5). Начальная глубина кривой подпора , а конечная глубина .
- сопряженная глубина с глубиной воды в нижнем бьефе .
Следует отметить, что наиболее благоприятной формой сопряжения бьефов является затопленный прыжок, имеющий минимальные скорости потока около дна за счет большой массы вальца и уменьшения пульсации скоростей и давления. В случаях сопряжения бьефов с отогнанным и надвинутым прыжком производят искусственное затопление прыжка путем создания в конце его специальных гасителей (водобойный колодец, водобойная стенка, комбинированный колодец).
Пример 9.4
Определить форму сопряженных бьефов при устройстве водосливной плотины (см. рис. 9.18) в русле водоотводного канала прямоугольной формы шириной b = 6 м. Высота плотины в верхнем и нижнем бьефе одинакова Св = Сн = 4,2 м. Напор на водосливе Н = 2,0 м. Глубина воды в нижнем бьефе hн = 1,8 м. Коэффициент скорости φс = 0,9. Расход воды Q= 22 м3/с.
Определяем сжатую глубину у подошвы водосливной плотины, используя уравнение (9.51):
T0=hc+ .
T0=hc+ = hc + .
Полный напор относительно дна русла
T0= CB+H+ .
Средняя скорость подхода к плотине
V0= = = 0,59м/c
T0= 4,2+2+ = 6,22 м
Критическая глубина в русле
hкр= = = 1,11 м.
Задаваясь h методом подбора по выражению 6,22 = hс+ находим hc, hc= 0,38 м.
Глубина в сжатом сечении hс < hкp .
По уравнению гидравлического прыжка вычисляем, зная hс, вторую сопряженную ей глубину h"c:
h"c= -1],
h"c= -1]= 2,49 м.
Фиктивный прыжок с hc" = 2,49 м затапливает нижний бьеф, где глубина воды hн = 1,8 м (h"c > hн). Таким образом, форма сопряжение бьефов будет происходить в виде отогнанного прыжка (см. рис. 9.19).
Дата добавления: 2016-02-27; просмотров: 945;