2015-10-22
2696
Наиболее неблагоприятной формой сопряжения бьефов является отогнанный прыжок. В случае отогнанного прыжка поток в нижнем бьефе находится в бурном состоянии, обладающем большим запасом кинетической энергии, и в результате этого может происходить размыв русла в нижнем бьефе. Для предотвращения размыва русла необходимо в зависимости от скорости потока производить его укрепление. Укрепление русла осуществляется на длину отгона прыжка и длину самого прыжка. Укрепление русла на достаточно большую длину требует значительных капитальных затрат, и в процессе эксплуатации необходимо учитывать возможные случаи разрушения его креплений. Наиболее целесообразным является то, чтобы энергия потока, сбрасываемого с водосливной плотины, гасилась в результате увеличения глубины воды непосредственно за плотиной. Гашение энергии при увеличении глубины происходит за счет турбулентного перемешивания и работы сил трения потока, сбрасываемого с плотины, и потока, находящегося в отводящем русле.
|
|
|
В результате увеличения глубины жидкости в нижнем бьефе форма сопряжения бьефов будет в виде затопленного прыжка. Для получения в нижнем бьефе сопряжения в виде затопленного прыжка устраиваются гасители, т.е. устройства (сооружения) для гашения кинетической энергии потока в нижнем бьефе.
Существуют следующие типы гасителей:
• водобойный колодец;
• водобойная стенка;
• водобойный колодец со стенкой;
• специальные гасители - ряд бетонных выступов или различные препятствия.
Водобойный колодец
Глубина нижнего бьефа увеличивается за счет понижения дна отводящего русла непосредственно в нижнем бьефе на величину ак. Такое устройство называется водобойным колодцем (рис. 9.24).
Рис. 9.24. Водобойный колодец
Необходимое заглубление колодца ак должно удовлетворять следующим условиям:
, (9.61)
где h н — глубина потока в нижнем бьефе, в отводящем русле;
∆z — перепад уровней воды на водобойном уступе; 
— расчетная глубина сопряжения со сжатой глубиной h с.
При определении глубины вводится коэффициент запаса σ, который увеличивает сопряженную глубину ,
=σ 
Величина запаса принимается σ= 1,05 
.
Перепад ∆z возникает в результате выхода потока из водобойного колодца в отводящее русло нижнего бьефа. Перепад ∆z находится из условия, что течение жидкости через выходящую часть водобойного колодца подобно движению через затопленный водослив с широким потоком:
∆z = 
(9.62)
где φ — коэффициент скорости, φ=0,9 
0,95; V кол — средняя скорость в колодце на подходе потока к его уступу.
V кол= 
(9.63)
Пренебрегая скоростью V кол, перепад по А. Угинчусу
|
|
|
∆z= 
(9.64)
Коэффициент скорости φ близок к единице.
Глубина колодца
. (9.65)
В некотором случае, считая ∆z малой величиной, ею можно пренебречь при вычислении глубины колодца:
. (9.66)
При определении глубины колодца вычисляется h с с использованием уравнения (9.51), а затем спряженная с h с фиктивная глубина 
.
После нахождения ак целесообразно повторить расчет с целью уточнения, что , полученная с учетом глубины колодца ак , соответствует условию
Длина колодца l к должна соответствовать условию, что гидравлический прыжок должен находиться в пределах его длины:
. (9.67)
где l п—длина гидравлического прыжка; β— коэффициент пропорциональности.
Если уступ водобойного колодца находится в зоне гидравлического прыжка, то он будет создавать подпор прыжка. Гидравлический прыжок в таком случае называется подпертым прыжком. По рекомендации М.Чертоусова для подпертого прыжка принимается β= 0,7 0,8. Для неподпертого прыжка β=1.
Длина прыжка l п определяется по формулам, приведенным в гл. 8.
В случае водослива с широким порогом или перепада (см. рис. 9.29) учитывается дальность отлета струи l1, от грани стенки до сжатого сечения h с.
Формула, учитывающая траекторию падения струи с высоты стенки С,
. (9.68)
где V ст — скорость в сечении ребра стенки; h ст — глубина воды в сечении ребра стенки.
В некоторых случаях принимается, что V ст = V кр, h ст = h кр (V кр, h кр — критические скорость и глубина).
Дальность отлета струи может быть вычислена также по формуле
, (9.69)
где 
; Н — глубина потока на пороге водослива с широким порогом; V o — средняя скорость на подходе к водосливу.
Длина водобойного колодца
lк = l 1 + (0,7 ÷ 0,8) l п . (9.70)
Водобойная стенка
Водобойная стенка представляет собой водослив высотой а с прямоугольной или трапецеидальной формы (рис. 9.25). Расчет водобойной стенки заключается в нахождении ее высоты а и расстояния от сооружения до стенки. При устройстве водосливной стенки дно нижнего бьефа остается неизменным. В этом случае не требуется производить работы по выемке грунта в нижнем бьефе и увеличивать высоту водосливной плотины, как это нужно для устройства водобойного колодца.
Рис. 9.25. Водобойная стенка
В результате установки водобойной стенки увеличивается глубина за плотиной, а при переливе воды через стенку возникает напор над стенкой H с. Глубина потока перед стенкой будет равна ее высоте a с и Н с.
Глубина перед стенкой должна удовлетворять условию: форма сопряжения бьефов должна быть в виде затопленного прыжка:
(9.71)
Расчетная сопряженная с глубиной в сжатом сечении h c
.
Полагая, что водобойная стенка незатопленная, напор H с определяется по формуле расхода для водослива. Полный напор на стенке
, (9.72)
где m — коэффициент расхода стенки, зависящий от формы стенки.
Можно принять m = 0,4 0,43.
Статический напор на стенке
, (9.73)
где V ос — средняя скорость перед стенкой:
.
Высота стенки
. (9.74)
Высота стенки определяется последовательным вычислением величин h c, , H c.
После нахождения высоты стенки проверяется форма сопряжения, которая будет иметь место непосредственно за стенкой. Если сопряжение бьефов за стенкой будет происходить в виде отогнанного прыжка, то за ней устраивается другая водобойная стенка. Высота следующей стенки будет несколько меньше первой. В некоторых случаях, может быть, необходимо иметь третью стенку.
Гидравлический расчет водобойных стенок заканчивается, когда в водобойном русле гидравлический прыжок будет затоплен.
Расстояние l c от сооружения (от сжатого сечения) до водобойной стенки определяется аналогично длине водобойного колодца.
