Водосливы. Их классификация и основные расчетные формулы.

 

Если открытый канал или русло перегородить стенкой, то уровень воды перед ней будет повышаться и, достигнув верха стенки вода начнет переливаться под действием силы тяжести. В этом случае говорят, что происходит протекание воды через водослив.

Водосливом называется та часть сооружения, преграждающего поток, через которую происходит перелив воды. Сброс воды осуществляется в случае переполнения водохранилища из-за паводка, сильных дождей и т. п. Исключение - водосливная плотина, на которой слив воды осуществляется постоянно. Водосливная плотина - плотина, предназначенная для пропуска воды путем перелива через ее гребень. Водослив разделяет поток на две области с различным характером течения: часть водного потока перед водосливом называют верхним бьефом, а за ним - нижним бьефом, место перелива (верхнюю грань стенки) называют порогом. Бьеф - часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающая к гидротехническому сооружению.

К сооружениям, у которых могут быть бьефы, относятся плотина, шлюз, гидроэлектростанция и другие.

Существуют верхний бьеф, располагаемый выше по течению, и нижний, располагаемый по другую сторону гидротехнического сооружения. Верхним бьефом часто является водохранилище.

Водосливная поверхность - поверхность конструкции водослива, по которой непосредственно происходит слив воды.

Водосливной носок - выступ в конце водосливной поверхности, при сходе с которого струя воды свободно сбрасывается в нижний бьеф.

Грань водослива - наивысшая линия гребня водослива.

Гребень водослива - верхняя часть водослива.

Различаются:

1) водосливы без затвора - пропускная способность водослива не регулируется и зависит только от уровня воды в водохранилище.

2) водосливы с затвором - пропускная способность водослива регулируется.

В основу классификации водосливов целесообразно положить профиль водослива, который определяет характер движения воды на водосливе. С этой позиции их можно разделить на три группы:

1) водосливы с тонкой стенкой (рис. 5.5а), у которых толщина стенки не влияет на форму струи (самые простые, используются для создания небольших водохранилищ). При переливе через него поток жидкости касается водослива только по верхней кромке (полный отрыв струи от стенки);

2) водосливы с широким порогом (рис. 5.5б), у которых на пороге в определенных сечениях поток приобретает характер параллельно струйного течения;

3) водосливы практического профиля (рис. 5.5в), соответствующего профилю свободной струи (используются для аварийного сброса воды на высотных плотинах). По форме такой водослив повторяет очертание потока.

 

Рис. 5.5 Классификация водосливов по форме порога (профилю водослива): а) водосливы

с тонкой стенкой, б) водосливы с широкий порогом, в) водосливы практического профиля

 

Каждая из этих групп водосливов в свою очередь может быть разделена на подгруппы по следующим общим признакам:

а) по расположению порога в плане (прямые – расположенные перпендикулярно к направлению движению потока (рис. 5.6а), косые – расположенные под углом к направлению потока (рис. 5.6б), боковые – расположенные параллельно движению потока (рис. 5.6в), криволинейные (рис. 5.6г));

 

Рис. 5.6. Классификация водосливов по расположению порогов в плане:

а) прямой; б) косой; в) боковой; г) криволинейный

 

б) по условиям подхода потока к водосливу (без бокового сужения струи и с ее боковым сужением). Боковое сжатие затрудняет протекание воды через водослив, что приводит к уменьшению расходов;

в) по влиянию нижнего бьефа на расход (неподтопленные – глубина в нижнем бьефе не влияет на расход и условия протекания потока через водослив, и подтопленные, если влияние имеет место)

г) по форме водосливного отверстия (прямоугольные, треугольные, трапецеидальные, криволинейные и тд.).

 

Наиболее часто встречаются прямые водосливы с прямоугольным вырезом.

Гидравлический расчет водосливов основывается на базовом уравнении, представляющем собой соотношение между расходом потока Q, параметрами водослива (рис. 5.7) (ширина выреза b; ширина русла B, по которому вода подводится к водосливу; высота порога со стороны верхнего бьефа Св; высота порога со стороны нижнего бьефа Сн), параметрами потока (превышение отметки потока в верхнем бьефе над отметкой порога Н; превышение отметки потока в нижнем бьефе над отметкой порога h_n) и величинами, характеризующими инерцию и весомость воды (плотность и удельный вес).

 

Рис. 5.7 Водослив с широким порогом

В гидравлике принято базовое уравнение представлять в виде, удобном для определения расхода, т.е. в виде зависимости:

где в общем случае:

Величина m называется коэффициентом расхода водослива. Применительно к водосливам с тонкой стенкой в результате обработки опытных данных получено следующее выражение для коэффициента расхода m:

Эта формула применима для неподтопленных водосливов без бокового сужения струи со свободным доступом воздуха под струю (влияние h_n / H и C_H / h_п отсутствует, В/b = 1). Указанный тип водосливов с тонкой стенкой обычно называют нормальным водосливом и для коэффициента расхода используют обозначение m_н.

Водосливы с широким порогом могут быть подтопленными и неподтопленными. Расход в каждом случае рассчитывается по разным формулам. Для неподтопленных водосливов с широким порогом (в этом случае h_n / H₀ < 0,8) формулу расхода принято записывать в виде:

где:

- полный напор над порогом водослива, м;

V – средняя скорость потока в верхнем бьефе, м/с;

b - ширина порога, м.

Опыты показали, что для водослива с широким порогом коэффициент расхода m в основном определяется формой входного ребра порога и в зависимости от степени его скругления изменяется в пределах m=0,32...0,36 (меньшее значение соответствует прямоугольной форме входного ребра порога).

Расход для подтопленных водосливов с широким порогом (h_n/H₀ >0,8) определяется по формуле:

Для неподтопленного водослива с тонкой стенкой и вырезом в виде угла (бычно угол берется равным 90⁰) исследования Томсона при напорах Н = 0,05...0,25 м показали, что формулу расхода можно взять в виде:

Здесь напор Н в м, расход воды Q в м³/с.

 

Боковое сжатие струи

Если водослив расположен в канале, ширина русла которого В больше ширины отверстия водослива b, то в расчетах следует учитывать боковое сжатие. Для водослива с тонкой стенкой этот фактор оценивается влиянием относительной ширины отверстия b/В на изменение коэффициента расхода водослива:

m₀=(0,405 + 0,003/ Н – 0,03(1 - b/В)) * (1 + 0,55(b/В)²(Н/ (Н+Р))²)

 

При малых напорах (Н = 0,05…0,07 м) характер протекания через водослив изменяется, наблюдается «прилипание» струи, т.е. струя не отрывается от стенки, а стекает по ней. Такое же явление наблюдается в случае, когда не обеспечивается свободный доступ воздуха под струю.