2015-10-22
1019
В одноступенчатых перепадах форма сечения подводящего русла может отличаться от сечения самого перепада по высоте и ширине.
Одноступенчатый перепад состоит из входа, стенки падения, водобоя и выхода (см. рис. 9.27). Геометрические размеры входа и выхода могут быть различны. Водобой представляет собой горизонтальный участок русла, который воспринимает ударное воздействие падающего потока жидкости и гасит ее энергию. Стенка падения может быть вертикальной, с некоторым уклоном к поверхности русла или криволинейной.
На рис. 9.29 представлена схема одноступенчатого перепада, у которого высота стенки падения С н. Глубина потока жидкости на подходе к стенке соответствует глубине h 0.
Рис. 9.29. Одноступенчатый перепад
В случае если поток жидкости в подводящем призматическом русле находится в спокойном состоянии, i 0 < i кр, то в верхнем бьефе до ребра стенки падения возникает кривая спада. На этом участке будет иметь место плавно изменяющееся движение. В сечении непосредственно у ребра 1'-1', как показали экспериментальные исследования, устанавливается глубина
h' ≈ 0,71 h кр. На расстоянии l = (2÷2,5) h кр от ребра стенки падения глубина будет равна критической глубине h 1 = h кp.
В случае бурного состояния потока и неравномерного его движения глубина в сечении 1-1 должна определяться путем построения кривой свободной поверхности. В результате падения потока со стенки за счет ускорения силы тяжести и силы инерции на участке падения скорость увеличивается. В сечении с-с скорость V c будет максимальная. В этом сечении будет происходить сжатие потока и глубина равна h c. Сжатая глубина будет меньше критической глубины h кр. Поскольку h с < h кp, то за стенкой падения возникает гидравлический прыжок, в начале которого глубина равна h с. В отводящем русле поток имеет глубину h н.
Струя жидкости, обладая запасом кинетической энергии, определяемой скоростью V' у ребра стенки падения, отлетает на расстояние l 1 Расстояние отсчитывается от стенки до сжатого сечения с-с.
Уравнение для определения глубины в сжатом сечении h с может быть получено путем использования уравнения Бернулли для сечений 1-1 и с-с. Плоскость сравнения принимается на уровне дна нижнего бьефа перепада.
Уравнение, которое получим, будет аналогично уравнению (9.51):
.
Полная удельная энергия для сечения 1-1
, (9.78)
где V 1 — скорость в сечении 1-1, V 1 = V кр:
. (9.79)
Согласно исследованиям ряда авторов, коэффициент скорости при 
находится в пределах φ= 0,75 
0,88.
Модельные исследования перепадов прямоугольного сечения, проведенные Б. Ботуком, позволили определить функциональную зависимость коэффициента скорости от параметров С н, Н о, b, В:
f 
, (9.80)
где b — ширина перепада; B — ширина свободной входной части.
На рис. 9.30 приведен график функции коэффициента скорости φ перепада, если имеется доступ воздуха под струю жидкости.
В зависимости от глубины в нижнем бьефе перепада сопряжение потоков может иметь форму отогнанного прыжка или затопленного прыжка. Если hc" > hH — отогнанный прыжок, при h c"< h H — затопленный прыжок, h c" — фиктивная глубина сопряжения со сжатой глубиной h с.
Рис. 9.30. График функции 
f 
На рис. 9.31 показана схема перепада, где сопряжение бьефов имеет форму отогнанного прыжка.
Рис. 9.31. Перепад с отогнанным прыжком
На участке отводящего русла, где заканчивается гидравлический прыжок, скорости потока существенно превышают скорости при нормальной глубине h 0. На этом участке длиной L требуется укрепление дна русла, чтобы предотвратить его гидравлический размыв. Участок длиной L называется водобоем. Общая длина водобойного участка
L = l1+l2+l п +l3, (9.81)
где l 1, — дальность отлета струи; l 2 — длина отгона прыжка; l п — длина прыжка; l з — длина запаса.
Длина запаса учитывает необходимость крепления дна водобоя за пределами гидравлического прыжка:
l3 = (1÷2) hн. (9.82)
Дальность отлета струи может быть вычислена по формуле, полученной согласно уравнению траектории физического тела, имеющего начальную скорость V ' на уступе перепада, где глубина h ' = 0,71 h кр (см. рис. 9.27):
. (9.83)
Дальность отлета также может быть вычислена по формуле (9.69).
Длина отгона прыжка l 2 находится, как длина кривой подпора (свободной поверхности). Начальная глубина свободной поверхности h с, конечная длина h "н — сопряженная глубина с глубиной в русле h н.
Длина прыжка l п определяется по формулам, приведенным в гл. 8.
В случае сопряжения бьефов в виде затопленного прыжка длина l 2 = 0.
Расчет одноступенчатого перепада заключается в определении глубины на входном участке и на водобое, высоты стенки падения и длины водобоя.
