Расчет сопряжения потока в нижнем бьефе

 

При движении воды через водослив можно выделить три режима сопряжения поступающей в ниж­ний бьеф струи с потоком в нижнем бьефе:

- донный режим, при котором транзитная струя устойчиво примыкает к дну и наибольшие осредненные скорости рас­полагаются вблизи дна;

- поверхностный режим, при котором транзитная струя располагается на поверхности или вблизи нее. Наибольшие осредненные скорости при этом приближены к поверхности. Такой режим наблюдается, например, за сооружением с низовым вертикальным уступом;

- смешанный поверхностно-донный режим, при котором транзитная струя вблизи сооружения находится на поверхности, а ниже по течению устойчиво примыкает к дну.

 

Рис. 2.2. Донный режим сопряжения бьефов

 

Наиболее часто для плотин на нескальных основаниях принимают со­пряжение бьефов с донным режимом (рис. 2.2).

В бытовых условиях при уклоне дна отводящего русла поток находится в спокойном состоянии , а непосредственно за водосливом - в бурном. Сопряжение бурного потока со спокойным происходит в форме гидравлического прыжка. При этом в зависимости от соотношения глубины и быто­вой глубины возникают следующие типы сопряжения бьефов:

а) - сопряжение по типу отогнанного прыжка;

б) - сопряжение в виде прыжка в сжатом сечении;

в) - сопряжение в виде надвинутого (затопленного) прыжка.

Существует много способов определения формы сопряжения бьефов, рассмотрим способ, предложенный М.Д. Чертоусовым [4, раздел 9-9]. В нем расчет сопряжения потока в нижнем бьефе при донном режиме выполняют в следующем порядке.

Определяют параметры гидравлического режима для прямоугольного русла в плоской постановке (на 1 п.м. ширины русла).

В курсовом проекте вычисляют критическую глубину потока при полном открытии всех отверстий (если добавлено дополнительное отверстие, его тоже учитывают):

 

, (2.27)

 

 

α - коэффициент Кориолиса, принять равным 1,1..

Вычисляют полную удельную энергию в сечении перед водосливом:

 

. (2.28)

 

Вычисляют отношение и определяют значение коэффициента скорости φ в зависимости от длины сливной грани [4, таблица 9-10]. В курсовом проекте можно принять, что плотины высотой менее 15 м имеют малую длину сливной грани; высотой от 15 до 40 м - среднюю длину сливной грани; высотой свыше 40 м - большую длину сливной грани.

По графику М.Д. Чертоусова [4, рис. 9.55] в зависимости от коэффициента скорости и определяют и .

Вычисляют сопряженные глубины:

 

, (2.29)

 

(2.30)

 

Сопряжённые глубины можно определить и другим способом – по формулам [4, формула 9-46].

Сопоставляя и , определяют форму сопряжения бьефов.

Как правило, отогнанный прыжок за плотиной не допускается, поэтому проектируют сопряжение бьефов по типу затопленного прыжка. Для этого необходимо создать в нижнем бьефе непосредственно за водосливом соответ­ствующую глубину или погасить часть избыточной энергии с помощью специальных устройств - гасителей энергии. Различают следующие устройства для гашения энергии: специальные гасители энергии, водобойная стенка, комбинированный водобойный колодец (с водобойной стенкой), водобойный колодец.

Во всех случаях за водосливом устраивают водобой, чаще всего это бетонная или железобетонная плита. Толщина водобойной плиты может быть определена по формуле В.Д. Домбровского

 

(2.31)

 

Специальные гасители: шашки, пирсы, гасители-растекатели, устанавливают для гашения пульсационных скоростей потока и уменьшения энергии гидравлического прыжка на водобое.

Чаще всего применяются шашки трапецеидальной формы. Шашки размещаются на водобое, как правило, в два ряда в шахматном порядке (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3. Схема расположения шашек

 

Размеры шашек: высота - , ширина - .

Вторую сопряженную глубину с учетом работы гасителей определяют из уравнения прыжковой функции (при расположении шашек в два ряда рис. 2.3):

 

(2.32)

 

где: - вторая сопряженная глубина при наличии гасителей; - отношение ширины водобоя к количеству шашек в ряду n; - реакция гасителя:

 

, (2.33)

 

где - площадь миделева сечения гасителя, ; ξ = 0,8 - коэффициент обтекания гасителей; - скорость потока перед гасителем.

 

(2.34)