В случае больших уклонов местности при прокладке каналов устраивают многоступенчатые перепады.
Многоступенчатые перепады могут быть без водобойных стенок в конце каждой ступени (рис. 9.32, а), или с водобойными стенками колодезного типа (рис. 9.32, б).
Высота ступени принимается в пределах С н = 1 3 м. Зная разность отметок поверхности Z (м), количество ступеней будет равно n= .
Рис. 9.32. Схемы многоступенчатого перепада
Многоступенчатые перепады без водобойных стенок применяются, как правило, в случае небольших расходов. Перепады без водобойных стенок рассчитываются аналогично одноступенчатым перепадам. Длина ступени перепада L определяется исходя из условия, что в конце ступени установится глубина, равная критической h кр. Длина ступени перепада
Lc = l1+l2+l3. (9.84)
где l 1 — дальность отлета струи; l 2 — длина отгона прыжка (длина кривой подпора), сопрягающая сжатую глубину h с с критической глубиной h кр; l з — запас длины:
l3 = (2÷2,5) hкр. (9.85)
При большой длине ступени перепада может образоваться гидравлический прыжок. Поток жидкости на ступенях многоступенчатого перепада без стенок характеризуется бурным состоянием.
|
|
Перепады колодезного типа (рис. 9.33) обычно устраивают исходя из условия, чтобы его ступени имели одинаковые размеры, а в колодцах образовывался гидравлический прыжок.
Рис. 9.33. Многоступенчатый перепад колодезного типа
Рассчитываются первый и второй перепады. На последней ступени необходимо учитывать глубину в нижнем бьефе, чтобы получить затопленный прыжок.
♦ Пример 9.9
На канале прямоугольной формы сечения шириной b = 4 м установлен перепад с вертикальной стенкой падения (см. рис. 9.29). Нормальная глубина в канале h0 = 2 м. Высота перепада Сн = 3 м. Расход воды в канале 20 м3/с. Глубина воды в нижнем бьефе hн = 1,8 м. Установить форму сопряжения потока воды, падающего с перепада, с нижним бьефом.
Удельный расход в канале
Критическая глубина .
Полная удельная энергия для сечения 1-1
Средняя скорость в сечении 1-1
Коэффициент скорости находим по графику Б. Батука (см. рис. 9.30) для перепада со свободным доступом воздуха под струю:
f
Параметр , тогда φ = 0,87.
Сжатая глубина определяется из уравнения
hc вычисляется методом подбора, hс = 0,62 м.
Скорость в сжатом сечении
Сопряженная глубина hc" находится из уравнения гидравлического прыжка для прямоугольного русла:
Форма сопряжения бьефов — отогнанный прыжок.
♦ Пример 9.10
Согласно данным примера 9.9 определить длину водобоя одноступенчатого перепада для укрепления дна русла. Уклон дна канала i0 = 0,0004 (см. рис. 9.31).
Длина водобоя находится по формуле (9.81):
|
|
L = l1+l2+l п +l3.
Длину отлета струи l1 от вертикальной стенки вычисляем по формуле
Ю. Константинова.
Глубина воды на грани перепада
.
Скорость потока на грани перепада
Запас длины l3=1,5hн = 1,5·1,8 = 2,7 м.
Длину прыжка определяем по формуле Н. Павловского:
l п = 2,5(1,9 h2-h1),
где h2 = hH, hx= h"н — сопряженная глубина с глубиной в нижнем бьефе hн.
l п = 2,5(1,9·1,8 - 1,0) = 6,05 м.
Длина отгона прыжка - длина кривой подпора. Длину кривой подпора находим по методу В. Чарномского.
Начальная глубина кривой подпора h] = hc = 0,62 м.
Конечная глубина кривой подпора h2 = h"н = 1,0 м.
Длина вычисляется по формуле (8.44):
Удельная энергия сечения Э1 , α = 1,
.
Удельная энергия сечения Э2
Средняя скорость на участке кривой подпора
Гидравлические радиусы:
Средний радиус .
Коэффициент шероховатости принимаем n = 0,02.
Средний коэффициент Шези
Уклон дна i0 = 0,0004.
Длина отгона
.
Длина водобоя
L = l1 + l2 + l п+ 1 з = 5,65 + 46,3 + 6,05 + 2,7 = 60,7 м.
Исходя из скорости на водобое в сжатом сечении Vс = 8,1 м/с и средней скорости 6,53м/с необходимо выбрать соответствующее крепление дна водобоя.