Построение кривых свободной поверхности потока неравномерного движения жидкости в естественных руслах

 

Естественные русла характеризуются из­вилистостью, наличием плесов и перекатов. В связи с этим по длине русла меняются размеры и форма поперечных се­чений, уклон дна, глубины потока, шероховатость русла. Все это вызывает непрерывное изменение типа кривых сво­бодной поверхности потока. Таким образом, в естественных руслах движение потока является неравномерным.

При возведении мостовых переходов, выправительных и других сооружений на естественных водотоках, проведении дноуглубительных работ резко нарушается естественный режим, что проявляется в изменении отметки свободной поверхности (глубин потока), скоростей. В практическом отношении наибольший интерес представляют наруше­ния, сопровождающиеся увеличением глубин потока, т. е. образованием подпора. Для определения районов возмож­ного подтопления необходимо знать глубины в любом створе реки выше сооружения. Задача, таким образом, сводится к построению кривых подпора в естественных руслах. Ре­шение может быть получено лишь приближенным методом, поскольку не представляется возможным изменение пара­метров русла по течению выразить аналитически.

Все разработанные к настоящему времени методы пост­роения свободной поверхности потока в естественных рус­лах могут быть сведены в две группы.

Одна группа включает методы, основанные на приведе­нии естественного русла к некоторому фиктивному призма­тическому руслу с уклоном дна одного знака и постоянной шероховатостью. Для такого русла выполняется расчет свободной поверхности по уравнению неравномерного дви­жения, например уравнению (6.78). Эти методы дают слиш­ком грубое решение и в настоящее время почти не приме­няются.

Другая группа методов включает предварительное де­ление естественного русла на ряд расчетных участков, и за­тем последовательный расчет каждого из участков. Расчетные участки выбираются таким образом, чтобы в пределах каждого из них можно было считать постоянными сечение, шероховатость и уклон русла, т. е. чтобы для каждого участка могли быть установлены средние значения парамет­ров, примерно соответствующие действительным, и, кро­ме того, чтобы разность отметок в начальном и конечном сечениях участка не превышала 0,5-1 м.

Расчет сводится к нахождению отметки свободной по­верхности в одном из граничных сечений расчетного участ­ка (обычно в верховом) по известным отметке горизонта воды в другом сечении (низовом) и длине участка. Расчет может быть выполнен по уравнению неравномерного плавноизменяющегося движения в непризматическом русле (6.48), которое с учетом выражения удельной энергии сечения

может быть пред­ставлено в следующем виде:

Введем сюда разность отметок свободной поверхности в се­чениях 1 — 1 и 2—2

и выразим потери напора через гидравлический уклон, после чего по­лучим

(6.88)

Выражая гидравлический уклон по формуле Шези через средние значения характеристик на расчетном участ­ке, можем записать

(6.89)

или

(6.90)

Эти уравнения решаются методом подбора или графически. По заданной отметке поверхности потока в одном из сече­ний, например конечном, и принятой отметке в другом (на­чальном) сечении вычисляют величины, входящие в уравне­ние (6.89) или (6.90). Если при этом не получают заданного Δz, то расчет повторяют до тех пор, пока не будет достиг­нуто достаточно близкое значение. Определив, таким об­разом, отметку поверхности в начальном сечении данного расчетного участка, переходят к следующему участку, ко­торый рассчитывается таким же образом.

При построении кривых подпора на равнинных реках со скоростями течения v=1- 1,5 м/с изменением скорост­ного напора в пределах расчетного участка можно прене­бречь.

Тогда уравнения (6.89), (6.90) принимают вид:

(6.89')

(6.90')

 

Решение этих уравнений также выполняется методом под­бора или графически.

 

1.3.6. ВОДОСЛИВЫ

Если открытый поток преградить какой-либо стенкой, то уровень воды перед стенкой повысится, и вода начнет через нее переливаться. Если в гребне стенки сделать специальный вырез, то вода будет переливаться через порог этого выреза. Стенка, через которую переливается вода, называется водосливной стенкой.

Водосливом называется то безнапорное отверстие (вырез, сделанный в стенке), через которое протекает вода (рис. 1 – 1). Или по-другому, водосливом называется преграда на пути потока, через которую переливается вода.

 

 

ВБ – верхний бьеф – участок потока перед водосливом;

НБ – нижний бьеф – участок потока за водосливом;

гребень водослива – верхняя кромка водосливного порога;

H – статический напор на гребне (пороге водослива) – превышение уровня воды над гребнем водослива на расстоянии (3…5) H от порога (до заметного начала кривой спада);

P_в.б., P_н.б. – высота порога водослива (соответственно, со стороны ВБ и НБ);

h_в.б., h_н.б. - глубина потока в ВБ и НБ;

z = P_н.б. + H – h_н.б. – перепад;

B – ширина потока (по урезу воды) перед водосливом (в ВБ);

b – ширина отверстия водослива (длина гребня водослива);

v_o – скорость подхода (на удалении (3…5) H от порога); приближенно

где Q – расход воды через водослив. Если v_o < 0,5 м/c, принимают v_o = 0.

H_o – полный напор на водосливе:

(при v_o < 0,5 м/c Ho @ H).