Водослив практического профиля

водопропускные (водопроводящие, водозаборные и водосбросные)

Безнапорный поток, самотёк (англ. gravity flow, free water; нем. Freispiegelfluss m, druckloser Selbstfluss m, Fliessen n durch Eigengefälle) – поток, имеющий место при безнапорном движении – движется без напора, то есть под действием собственного веса, не заполняя весь объём трубы, тунеля.

1.Участок сооружения, перегораживающего безнапорный поток, через который происходит перелив воды под воздействием силы тяжести, называется водосливом, а течение жидкости на этом участке — истечением через водослив (рис. 3.1).

Водосливы широко применяются в виде плотин, шлюзов-регуляторов, водомеров. На основании теории водосливов рассчитываются части водопропускных, водосбросных и других сооружений.

Рис. 3.1 – Основные параметры водосливов

b - ширина водосливного отверстия, м;

B - ширина русла, м;

S - ширина (толщина) водосливной стенки поверху, м;

h_б - глубина воды на участке потока за сооружением (в НБ), бытовая глубина, м;

р_1, р - высота порога (водосливной стенки) со стороны верхнего и нижнего бьефов, м;

z - геометрический перепад на водосливе (разность уровней в ВБ и НБ), м;

l – расстояние до принятой отметки УВБ, м (отметка УВБ принимается на некотором удалении от водослива l ≥3H – там, где снижение уровня при истечении через водослив практически несущественно, т.е. не сказывается на количественных результатах расчетов)

V₀ - средняя скорость в верхнем бьефе (скорость подхода), м/с;

Основными характеристиками работы водослива являются расход и напор (статический и гидродинамический), коэффициенты скорости, бокового сжатия и расхода. Величина перечисленных характеристик зависит от гидравлического сопротивления водослива, а оно, в свою очередь, от конструкции водослива и характера перелива в зависимости от уровня воды за водосливом (в нижнем бьефе).

Часть энергии рассеивается и на послепрыжковом участке, где пульсация уменьшается до нормального уровня. Перечисленные факторы являются основными факторами, влияющими на работу водослива.

Конструктивно водосливы делятся на водосливы с тонкой стенкой, с широким порогом и практического профиля. Понятия «водослив с тонкой, стенкой» и «с широким порогом» - относительные. Если поток, переливаясь через верхнюю грань водослива, больше нигде не касается его горизонтального порога, то такой водослив называют водосливом с тонкой стенкой (аналогично с отверстием в тонкой стенке). Если на горизонтальном пороге водослива имеет место плавно изменяющееся движение, то такой водослив называют водосливом с широким порогом. Все промежуточные случаи относятся к водосливам практического профиля.

При изменениях напора и расхода одна и та же конструкция может оказаться любым из перечисленных типов водосливов.

Водосливы с тонкой стенкой имеют наиболее устойчивые коэффициенты расхода, поэтому часто используются как водомеры.

Водосливы практического профиля, в частности с хорошо обтекаемым оголовком и криволинейной сливной гранью, широко используются в гидротехнической практике. Такие водосливы прямоугольного, трапецеидального профиля и другие часто применяются в водобойных сооружениях. Самые распространенные в дорожной практике водопропускные трубы и малые мосты рассчитываются на базе теории водослива с широким порогом.

Каждый водослив может работать как свободный и как подтопленный. У свободных водосливов горизонт нижнего бьефа не препятствует переливу потока через водослив. Гидравлические характеристики водослива (Q, H, т и др.) в этом случае определяются только сопротивлениями входного участка, т. е. конструкцией.

Работа подтопленного водослива зависит не только от сопротивления входа. К ним добавляется влияние нижнего бьефа на перелив потока через водослив. Свободное истечение на входном участке переходит в подтопленное. И чем выше горизонт нижнего бьефа, тем больше его влияние в этом случае.

Учитывая описанную выше физику явления и теорию сопряжения бьефов, можно сформулировать два условия подтопления водосливов. Для водослива с тонкой стенкой и практического профиля бытовая глубина должна превышать высоту порога и обеспечивать, затопленный прыжок за ним. Для водослива с широким порогом бытовая глубина должна превышать сумму высоты порога и второй сопряженной глубины сжатого сечения на нем, что тоже обеспечивает затопленный прыжок в сжатом сечении на пороге.

2.Классификация водосливов.

В основу классификации водосливов положены различные отдельные их признаки: очертание и размеры поперечного сечения водосливной стенки, форма водосливного отверстия, очертание и расположение водослива в плане, условия подхода потока к водосливу, условия сопряжения струи с нижним бьефом и т. д.

1) В зависимости от формы и размеров поперечного сечения водосливной стенки водосливы разделяются на три типа:

а) водосливы с тонкой стенкой: толщина стенки (S<0,5 Н) не влияет на форму переливающейся струи (рис. 3.2);

б) водосливы с широким порогом: толщина горизонтальной грани водосливной стенки (2Н<S<10 Н) такова, что на самом пороге поток в определенных сечениях имеет характер параллельно струйного течения, а потерями напора по длине порога можно пренебречь (рис. 3.3).

в)водосливы практического профиля с толщиной стенки поверху 0,5Н<S<2Н: среди них различают водосливы со стенкой прямолинейного очертания: прямоугольный (рис, 3.4, а, б), трапецеидальный (рис. 3.4, в) профиль и водосливы с криволинейной низовой гранью (рис. 3.5).

2) В зависимости от формы водосливного отверстия: водосливы с прямоугольным (рис.3.6, а), трапецеидальным (рис.3.6, б), треугольным (рис.3.6, в) и криволинейным (рис.3.6, г) отверстием.

Рис. 3.2.

Рис.3.3

Рис. 3.4.

Рис.3.5.

Рис. 3.6.

3) В зависимости от очертания в плане: на прямолинейные, расположенные по отношению к направлению течения в верхнем бьефе как прямые (рис.3.7, а), косые (рис.3.7, б) и боковые (рис.3.7, в), и непрямолинейные: полигональные (рис.3.8, а), криволинейные (рис.3.8, б) и замкнутые (рис.3.8, в).

4) По условиям подхода потока к водосливу (в зависимости от соотношения ширины русла в верхнем бьефе В и ширины водослива b) на два типа: водосливы без бокового сжатия, когда В= b (рис.3.9, а), и водосливы с боковым сжатием, когда В >b (рис.3.9, б).

5) По условиям сопряжения ниспадающей струи с нижним бьефом на два типа: неподтопленные водосливы, когда уровень в нижнем бьефе не влияет нарасход Q и (или) напор H водослива (рис. 3.10, а), подтопленные водосливы, когда изменение уровня нижнего бьефа вызывает изменение Q или Н рис.(3.10, б).

Наиболее распространены в гидротехнической практике прямые прямоугольные водосливы с тонкой стенкой, с широким порогом и практического профиля.

Расход через водослив зависит от ширины водослива b, напора Н, скорости подхода потока к водосливу V₀ и ускорения свободного падения g.

Рис.3.7.

Рис. 3.8.

Рис.3.9.

Рис. 3.10.

3. Расход через водослив определяется по формуле:

, (2.1)

где – скорость на гребне водослива; – площадь струи на гребне водослива.

Так как площадь прямо пропорциональна произведению b H, а скорость величине , то расход можно переписать как

, или , (2.2)

где – коэффициент пропорциональности.

Влияние скорости подхода на величину расхода учитывается величиной полного напора . Следовательно, расчетная формула для определения расхода будет

. (2.3)

Безразмерный коэффициент называется коэффициентом расхода водослива.

Беланже в 1828г. получил решение для водослива с широким порогом, исходя из предложенного им постулата о максимуме расхода, т.е. при заданном напоре на пороге водослива устанавливается такая глубина , при которой расход из всех возможных величин получается наибольший. При этом Беланже определил, что

а к-т расхода

- к-т скорости

ξ – коэффициент потерь напора по длине

БахметевБ. А. для определения глубины воспользовался другим постулатом: на пороге водослива устанавливается такая глубина , которой отвечает минимум удельной энергии сечения (минимум величины ), то есть критическая глубина .

По Бахметеву

и к-т расхода водослива

Если принять φ=1 (идеальный случай отсутствия потерь) и α=1, то

а

Расход определяется также по основной расчетной зависимости:

,

Неподтопленный прямоугольный водослив с широким порогом без бокового сжатия

Условия бокового сжатия - когда ширина водослива b меньше ширины подводящего русла В (расход будет меньше, чем через совершенный водослив, при одних и тех же значениях H и b).

Неподтопленный водослив с широким порогом характеризуется наличием двух перепадов свободной поверхности и .

Рис. 3.11. Неподтопленный прямоугольный водослив с широким порогом

Понижение свободной поверхности при входе потока на порог (на величину ) объясняется уменьшением живого сечения потока за счет порога водослива.

С уменьшением живого сечения происходит увеличение скорости в этом сечении, а следовательно увеличение кинетической энергии. Потенциальная энергия при этом уменьшается, следовательно, свободная поверхность должна понижаться. Поэтому в случае спокойного движения всегда в местах стеснения потока имеет место снижение его свободной поверхности. Потери напора по длине вдоль порога такие, что ими можно пренебречь, поэтому свободная поверхность потока в пределах водослива горизонтальна и , где – глубина поды на пороге водослива между сечениями 1-1 и 2-2, которые ограничивают участок плавно изменяющегося потока.

Скорость на пороге между сечениями 1-1 и 2-2 определяется по формуле:

, (3.1)

где – полный верховой перепад, учитывающий скорость подхода;

– коэффициент скорости .

Расход определяется из уравнения:

. (3.2)

Для того чтобы найти расход необходимо знать глубину , которая при заданном напоре устанавливается на пороге водослива.

4.Подтопленный водослив с широким порогом

Водослив с широким порогом считается неподтопленным (т.е. уровень нижнего бьефа не оказывает влияния на пропускную способность водослива) в том случае, когда на пороге существует участок с потоком в бурном состояние h<kp. Превышение уровня нижнего бьефа над порогом водослива до определенного предела не влияет на истечение. Критическое значение /H₀=k2 при превышение, которого наступает подтопление, зависит от коэффициента расхода водослива и степени расширения потока при выходе в нижнем бьефе.

Коэффициент скорости для неподтопленного и подтопленного

водосливов.

Таблица 3.1

Параметр	m
0,30	0,32	0,34	0,36	0,385
	0,94	0,96	0,97	0,98
	0,76; 0,78(h/H0<0.85)	0,84	0,90	0,96
K2	-	0,88	0,84	0,81	0,67

Предварительно можно считать, что подтопление наступает при плавном входе, если ∆/H₀>0,75, и при неплавном входе, если ∆/H₀>0,85.

В таблице 10-5 приведены определяемые в зависимости от коэффициента расхода m значения коэффициента скорости для неподтопленного ф и подтопленного n водосливов с широким порогом по осредненным данным Д. И. Кумина. Соответствующие значения k2 вычислены при условии ∆=h.

Рис. 3.12- Кривая свободной поверхности с двумя перепадами

В начальной стадии подтопления на пороге наблюдается течение с образованием волн. С увеличением степени подтопления образуется форма свободной поверхности с двумя перепадами (рис.3.12). Первый является следствием потерь энергии потока на вход, второй – перехода части кинетической энергии в потенциальную при уменьшение скорости за водосливом (перепад восстановления). Влияние подтопления можно учитывать в формуле расхода водослива введением коэффициента подтопления , который определяется в зависимости от относительного подтопления ∆/H₀ и относительного расширения потока за водосливом (в нижнем бьефе) v= b∆∕Ωнб

5. Водосливы с тонкой стенкой часто используются в практике как водомеры для измерения расхода в небольших руслах и в лабораториях.

При истечении через вертикальный прямоугольныйнеподтопленный водослив с тонкой стенкой без бокового сжатия возможны разные формы струй. В том случае, когда в пространство между струей и стенкой обеспечен доступ воздуха в достаточном количестве и давление вокруг струи равно атмосферному, струя называется свободной (рис. 3.13 а). Водослив с этими признаками называется совершенным (или иногда его называют нормальным).

При отсутствии доступа воздуха под струю возможны следующие формы струи:

- поджатая (в сторонуводосливной стенки) струя,неподтопленная с нижнего бьефа (рис. 3.13 б).Давление под струей меньшеатмосферного, т. е. имеетсявакуум и уровень воды поднимается выше уровня в нижнем бьефе, но в подструйномпространстве еще имеется воздух;

- поджатаяподтопленнаяструя (рис. 3.13в) наблюдается, когда весь воздух унесен потоком и подструйное пространство полностью заполнено водой. Давление под струей (при прочих равных условиях) еще меньше, чем в предыдущем случае;

прилипшаяструя (рис. 3.13г).

Истечение при отсутствии доступа воздуха, особенно в первом и последнем случаях, отличается неустойчивостью. В каждом случае гидравлический прыжок в нижнем бьефе может быть как отогнанным, так и надвинутым.

Расход через водослив с тонкой стенкой определяется по формуле:

, (3.3)

где m₀-коэффициент расхода водослива без учета бокового сжатия.

Значение коэффициент расхода для водослива с тонкой стенкой находится, в пределах m₀=0,40 0,50 более точно можно определить по формуле:

(3.4)

или

(3.5)

где H-напор на гребне водослива; P_B-высота водослива.

Если скорость подхода к водосливу относительно большая, коэффициент расхода можно определить по формуле Базена:

. (3.6)

Для водослива с тонкой стенкой с учетом бокового сжатия коэффициент расхода можно определить по формуле:

. (3.7)

Если уровень нижнего бьефа у сооружения выше гребня водослива, водослив будет затопленным (рис. 3.14)H-напор на гребне водослива; P_B-высота водослива, Z – геометрический перепад, т.е. разность УВ в ВБ и НБ; h_п – глубина подтопления.

Рис. 3.14 – Затопленный водослив с тонкой стенкой

6. Водосливы практического профиля (с шириной гребня 0,5H<S<2H) могут иметь стенку прямолинейного (прямоугольные и трапецеидальные - рис. 3.4) и криволинейного (рис.3.15) очертания. Водосливы практического профиля криволинейного очертания применяются как плотины, водосбросы и т.п.; водосливы прямолинейного очертания встречаются в виде водосливных стенок, порогов, регуляторов для перехвата донных наносов. Наиболее широкое применение получили водосливы криволинейного очертания, построенные по форме свободно падающей струи. Если на гребне водослива под струёй создается область пониженного давления, водослив является вакуумным. В противном случае – безвакуумным. Вакуум увеличивает пропускную способность водослива, но создает неустойчивый характер переливания струи, что может привести к разрушению водосливной грани. Профиль водосливной поверхности безвакуумного водослива криволинейного очертания может быть построен по координатам, вычисленным по траектории свободно падающей струи и предложенным В. Кригером и А.С. Офицеровым для напора H=1 м.

Конкретные координаты, (единичные их значения из табличных данных) умножаются на значение проектного напора над водосливом.

Нижняя часть профиля водослива сопрягается с дном нижнего бьефа кривой, радиус которой определяется в зависимости от высоты плотины p и напора над её гребнем H (так же по табличным данным).

Расход через водослив практического профиля определяется общей формулой:

(5.1)

Условия подтопления водолива практического профиля

Водослив практического профиля подтоплен, если выполняются одновременно два условия:

1. УВ в НБ выше гребня водослива;

2. Поток непосредственно за водосливом находится в спокойном состоянии.

Первое условие проверяется сравнением отметок УНБ и гребня, второе – сравнением относительного перепада z/p (рис. 3.15) с критическим значением (z/p)_кр. Водослив подтоплен, если z/p<(z/p)_кр. Значение (z/p)_кр определяется в зависимости от H/p и m по графику, составленному на основании экспериментальных данных.

Учет подтопления по общему для всех водосливов методу производится введением в формулу расхода коэффициента подтопления σ_п

Q=σ_пmb

Значения σ_п определяется по приводимым в литературе экспериментальным зависимостям или табличным данным.

Рис. 3.15 - Подтопленный прямой прямоугольный водослив практического профиля

Дополнения к лекциям