Примеры неустановившихся потоков

Существует четыре основные формы волн перемещения, из которых в реальных условиях слагается неустановившееся движение жидкости в открытых руслах (рис. 2.3.2.1).

Прямая положительная волна. Эта волна, называемая также волной наполнения, возникает вследствие увеличе­ния расхода в начальном сечении на величину ΔQ и подъ­еме уровня z в водотоке (рис. 2.3.2.1, а).

В любом из створов площадь живого сечения и скорость со временем увеличиваются; по длине водотока эти параметры уменьшаются:

Прямая отрицательная волна. Эта волна, или волна отлива, образуется в результате уменьшения расхода в начальном сечении на величину ΔQ при снижении уровня z в во­дотоке (рис. 2.3.2.1, б). Изменение площади живого сечения и ско­рости волны отлива во времени и по длине противоположно отношению к волне наполнения:

Рис. 2.3.2.1. Примеры неустановившихся потоков:

а) прямая положительная волна (волна наполнения); б) прямая отрицательная волна (волна отлива); в) обратная положительная волна (волна подпора); г) обратная отрицательная волна (волна излива)

Обратная положительная волна. Эта волна, или волна подпора, является следствием уменьшения расхода подъема уровня z в конечном сечении (рис. 2.3.2.1, в). В волне подпора площадь живого сечения потока увеличивается как во времени, так и по длине водотока, а скорость умень­шается:

Обратная отрицательная волна. Эта волна, или волна излива, возникает при увеличении расхода Q или понижения уровня г в конечном сечении (рис. 2.3.2.1, г). Характеристи­ки потока в волне излива изменяются следующим образом:

Движение потоков в открытых руслах (особенно в естест­венных водотоках) является, как правило, неустановившим­ся и обусловлено действием многочисленных факторов, на­рушающих первоначальный режим потоков. Эти факторы проявляются в виде изменения расхода и уровня воды во времени в каком-либо створе или по длине водотока (рис. 2.2.3.2).

Наиболее ответственные из дорожных водопропускных сооружений на водотоках - мостовые переходы - подвер­жены воздействию неустановившихся потоков при павод­ках, волнах прорыва и пропуска, неустановившихся тече­ний в низовьях рек перед их впадением в моря, океаны и бо­лее крупные водотоки.

Паводки являются медленно изменяющимися потоками (непрерывными волнами). Их образование обусловлено уве­личением притока воды в водоток в результате снеготаяния или выпадения дождей. Высота и продолжительнбсть павод­ков могут изменяться в широких диапазонах в зависимости от многих факторов: запасов снега, интенсивности снего­таяния, интенсивности и продолжительности дождей. Так, продолжительность паводков может изменяться от несколь­ких дней для дождевых паводков до нескольких месяцев при весенних половодьях. Паводок можно рассматривать как сумму волны наполнения (подъем паводка) и волны отлива (спад).

Рис. 2.2.3.2. Характеристики потока при неустановившемся течении

Волны прорыва являются прерывными волнами и харак­теризуются резкой нестационарностью потока. Они возни­кают на водотоках и суходолах вследствие разрушения плотин, дамб, искусственных и естественных перемычек, берегов моренных и ледниковых озер, ледяных плотин, воз­никших при подвижке ледников и сходе снежных лавин; при выплесках больших объемов воды, вызванных обвалами в водоемы значительных массивов грунта. Разрушение водоподпорных сооружений, земляных и ледовых перемычек мо­жет происходить из-за землетрясений, сильной фильтрации через тело сооружения и других причин. Для волны проры­ва характерны наличие резкого фронта в виде бора (вала), достигающего высоты нескольких десятков метров движущегося с большими скоростями, и большая разрушительная сила потока. Волна прорыва относится к волне напол­нения.

Неустановившиеся течения в низовьях рек представля­ют чередующиеся между собой волны подпора и излива, при­чиной образования которых является периодическое изме­нение уровня воды в водоеме, в который впадает река. В мо­рях и океанах изменение уровня происходит при приливах и отливах. В водохранилищах и крупных реках изменение уровня может быть вызвано работой гидростанций, а так­же прохождением паводков.

Фронт волны подпора при сильных приливах может представлять собой бор, достигающий высоты 5-7 м и рас­пространяющийся вверх по течению со скоростью до 10 м/с. Такие волны наблюдаются на многих реках, но наиболее заметны они на Сене, Гаронне, Северне, Эмсе, Амазонке.

При распространении волны излива происходит падение уровней воды в водотоке, увеличение уклонов водной поверх­ности и скоростей течения. Наиболее часто это явление наблюдается в нижних течениях рек, впадающих в моря и океаны, при отливах. Например, скорости течения в волне излива рек в северных районах РФ увеличиваются до 1-2 м/с.

Водопропускные трубы также работают в условиях не­установившегося движения, например, при пропуске талых или ливневых вод. Случаи образования обратных волн могут встречаться, на­пример, при закупорке отверстия нижней по течению из расположенных друг за другом труб.

В лотках поверхностного водоотвода городских улиц, дорог, в кюветах, нагорных канавах, лотках водосборов течение потоков, формируемых дождями, явля­ется также неустановившимся. Соответственно на пропуск этих потоков должны рассчитываться водо- и дождеприемни­ки, колодцы, перепускные лотки и трубы систем поверхностного водоотвода городских и внегородских дорог, мостов.