V.3. Расчет водобойного колодца и водобойной стенки

.

(V.6)

V.2. Виды сопряжения бьефов

Сопряжение бьефов происходит в потоке обычно ниже водослив­ной плотины или в конце лотков с большим уклоном (быстротоков), где после падения с большой высоты поток приобретает большую скорость течения и имеет очень малую глубину, называемую иногда сжатой глубиной Л_с.

Переход от бурного состояния потока с глубиной h_c=h' < h_K к спокойному состоянию с глубиной h" > h_K происходит всегда с помощью прыжка.

Бурный поток, образующийся после перелива через плотину, перепад и в конце быстротока, обладает значительным запасом ки­нетической энергии, которая может разрушать русло.

Чтобы предохранить русло от разрушения, его приходится укреплять до того места, где бурный поток с помощью прыжка переходит в спокойный поток с небольшими скоростями течения. Изучению структуры прыжка отечественные ученые уделяли много внимания.

Рис. V.4.

В прыжке обычно возникает поверхностный водоворот (валец) с обратными поверхностными скоростями. Форма этого вальца очень разнообразна. На циркуляцию потока в этом вальце и на все­возможные трения в прыжке теряется большое количество энергии, величина которой, по опытным данным, достигает 64—67% общего количества энергии в потоке перед прыжком. В зависимости от соотношения сопряженных глубин, а также от соотношения сопряженной глубины h" и бытовой глубины нижнего бьефа t образуется несколько видов сопряжения бьефов.

1. Отогнанный прыжок (h" > t) (рис. V.4 a). Если глу­бина h", сопряженная с наименьшей глубиной h'=h_c (называемой иногда сжатой глубиной), образующейся у подножия водослива или после истечения из-под щита, оказывается больше, чем бытовая глубина в нижнем бьефе t, образуется отогнанный прыжок. В этом случае от сжатой глубины h_c образуется кривая подпора до глу­бины h', сопряженной с глубиной h" — t, и образование прыжка в потоке переносится вниз от сжатой глубины на расстояние /, не­обходимое для размещения на этом расстоянии кривой подпора от глубины h_c до глубины h', сопряженной с h" = t. Этот вид сопряже­ния бьефов носит название отогнанного прыжка. Так как отгон прыжка вызывает необходимость дополнительного крепления русла по длине кривой подпора, то этот вид сопряжения бьефов является невыгодным и его стараются избегать в гидротехнической практике.

2. Нормальный прыжок (h" = t) (рис. V.4 б). Сопряжен­ная со сжатой глубиной h_c = h' глубина h" равна бытовой глубине нижнего бьефа t. В этом случае прыжок образуется непосредст­венно за сжатой глубиной h_c. Этот вид прыжка безопасен для гид­ротехнических сооружений, однако он является неустойчивым и мо­жет перейти в отогнанный прыжок.

3. Затопленный, или надвинутый, прыжок (h"<t) (рис. V.4 в). Сопряженная со сжатой глубиной глубина h" меньше глубины нижнего бьефа t. В этом случае прыжок придвинется к во­досливной стенке (плотине) или к концу быстротока и затопит створ со сжатой глубиной h_c. Этот вид сопряжения бьефа является наибо­лее безопасным для работы гидротехнических сооружений и по­этому его всегда стараются получить при работе гидросооружений.

4. Прыжок-волна. Если разность сопряженных глубин

или , то прыжок при сопряжении бьефов не образуется, а сопряжение происходит с помощью ряда отдельных небольших, постепенно затухающих волн, называемых «пры­жок-волна».

Чтобы предупредить образование отогнанного прыжка в нижнем бьефе плотин или перепадов, устраивают так называемые водобой­ные колодцы (рис. V.5 а), образуемые углублением в дне, или во­добойные стенки (рис. 10.5 б).

Сжатая глубина в нижнем бьефе h_c может быть определена из уравнения Бернулли, составленного для сечения 0—0 перед пло­тиной или перепадом и сечения 1–1, где находится сжатая глубина:

Очевидно, искомое значение будет удовлетворять равенству . Приводим таблицу значений коэффициента (табл. V.1).

		(V.9)

		Таблица V.1

бины h".

Вводя некоторый коэффициент запаса на обеспечение за­топления σ= 1,05-И,10, можно это условие записать так:

где Н₁ – напор на водобойной стенке. Водобойная стенка рассчитывается как незатопленный водослив практического профиля. Напор определяется из уравнения , где коэффициент расхода =0.42 (см. ниже раздел, посвященный водосливам).

Все рассмотренные случаи гашения энергии с помощью водобой­ного колодца или водобойной стенки являются примерами так назы­ваемого донного режима, при котором донные скорости в эпюре распределения скоростей по высоте преобладают над поверхност­ными (рис. V.6, б).

Для предохранения от размыва русел и уменьшения длины крепления стараются в потоке ниже плотины получить так называе­мый поверхностный режим, характеризующийся преобладанием по­верхностных скоростей над донными (рис. V.6 аи в).

Такой поверхностный режим получается в нижнем бьефе соору­жения, осуществленного при наличии в нем вертикального уступа (носка) (рис. V.6 а). В этом случае сходящая с уступа струя обра­зует в нижнем бьефе поверхностный прыжок с одним донным валь­цом или, при повышении горизонта в нижнем бьефе, с двумя валь­цами — донным и поверхностным.

Пример 2. Дано: Н=2,96 м; Р = 10,0 м; =0,49; глубина ниж­него бьефа =4 м; =0,95. Определить вид сопряжения с нижним бьефом и рассчитать глубину водобойного колодца или высоту водобойной стенки (рис. V.5).

Решение. Определяем удельный расход на водосливе