Водосливы

На основе методов гидравлики решаются задачи, связанные с водоснабжением, теплоснабжением и канализацией городов и отдельных объектов железнодорожного транспорта и многие другие.

Гидравлические явления, которые встречаются при решении технических задач, связанных с движением жидкости и ее взаимодействием с конструкциями, сооружениями, грунтами и пр., отличаются большим многообразием и сложностью с точки зрения происходящих физических процессов. Диапазон изменения характеризующих их параметров также весьма широк.

Водоснабжение, как специальная дисциплина, изучает источники централизованного водоснабжения, устройство и расчет водозаборных сооружений, в том числе из подземных источников, системы и схемы водоснабжения населенных пунктов, предприятий промышленности, в т.ч. железнодорожного транспорта, нормы и режимы водопотребления, основы трассировки и проектирования водоводов и водораспределительных сетей и сооружений на них выбор оптимальных режимов работы систем подачи и распределения воды; основные технологические схемы и сооружения по улучшению качества воды, соответствующего современным нормативам, их проектирование и расчет; основы изысканий и проектирования водоснабжения.

Многолетний опыт показывает, что большое число выпускников университета по долгу службы занимается проектированием, строительством или эксплуатацией систем водоснабжения населенных пунктов и объектов железнодорожного транспорта.

Чтобы компетентно и умело решать вопросы проектирования, строительства, приемки и эксплуатации системы водоснабжения инженер-строитель должен обладать соответствующими теоретическими знаниями и практическими навыками по этим вопросам, знать «Гидравлические основы расчета систем водоснабжения».

1. ВОДОСЛИВЫ

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1.1. Основные определения

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).

1.1.2. Классификация водосливов

1. По типу порога водослива:

а) водосливы с тонкой стенкой (рис. 1 – 1,а,а1). Струя не прилипает к оголовку.

S £ (0,1 … 0,5).H.

в) водосливы с широким порогом

- с острой передней кромкой

2H £ S £ 10H;

- с закругленной передней кромкой

2,5H £ S £ 15H

г) водослив практического профиля (рис. 1 – 1,б).

Если струя прижимается к сливной грани водослива (давление во всех точках больше атмосферного) – водослив безвакуумного профиля.

2. По типу сопряжения струи с потоком в нижнем бьефе:

а) незатопленные (неподтопленные) водосливы, уровень воды в нижнем бьефе не влияет на расход воды через водослив (рис. 1 – 1);

б) затопленные (подтопленные) водосливы (рис. 1 – 5, 1- 9); h_п = H – z – высота подтопления (глубина подтопления) водослива (у незатопленных водосливов H £ z, h_п = 0);

3. В зависимости от соотношения ширины отверстия водослива b и ширины потока B:

а) водосливы без бокового сжатия - b = B (рис. 1 – 2,а);

б) водосливы с боковым сжатием – b < B; b_c – ширина струи в сжатом сечении (1 – 2,б).

4. По геометрической форме водосливного отверстия (рис. 1 – 3):

а) прямоугольные;

б) треугольные;

в) трапецеидальные;

г) круговые;

д) параболические и т.д.

5. В зависимости от расположения водослива в плане (рис. 1 - 4):

а) прямые или лобовые;

б) косые;

в) боковые.

1.2. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЧЕРЕЗ ВОДОСЛИВ

1.2.1. Расход через прямоугольный водослив

Прямоугольный водослив.

Для прямоугольного водослива расход определяется по формуле

(1 – 1)

где: m_пл – коэффициент расхода водослива; для водослива с широким порогом: при P_в.б./H = 0 m_пл = 0,385; при P_в.б./H = 3 m_пл = 0,32 при острой входной кромке и m_пл = 0,35 при закругленном ребре (рис 1 – 5);

s_с - коэффициент бокового сжатия (приближенно можно считать s_с = 1);

s_з – коэффициент затопления (для незатопленных водосливов s_з = 1);

b – ширина водослива (если отверстий несколько – суммарная ширина всех отверстий;

H_o – полный напор (H_o@ H).

С помощью приведенной формулы можно решать три задачи:

- определять расход Q;

- определять требуемую ширину отверстия b;

- определять требуемый напор H.

При проектировании новых водосливов практически по заданному расходу Q определяют оптимальные размеры b и H.

Неподтопленный прямоугольный водослива с тонкой стенкой.

Для неподтопленного прямоугольного водослива с тонкой стенкой (рис. 1 – 1,а) расход определяется по формуле

Скорость подхода учтена в коэффициенте расхода водослива m_o, поэтому в формуле стоит не H_o, а статический напор H.

Прямоугольный неподтопленный водослив с тонкой без бокового сжатия называется нормальным. Для нормального водослива m_o определяется по эмпирическим формулам:

или

(при P_в ³ H и H ³ 0,1 м).

Для водослива с боковым сжатием m_o определяется по формуле:

Точность приведенных формул, относящихся к нормальному водосливу достаточно высока. Поэтому они применяются в качестве измерительных водосливов.

Неподтопленный прямоугольный водослив с широким порогом (рис. 1 – 6)

Такой водослив характеризуется наличием двух перепадов свободной поверхности Z_в и Z_н. В случае спокойного потока в местах стеснения потока всегда получается снижение его свободной поверхности – скорость течения увеличивается, а потенциальная энергия падает. Потери энергии потока (напора) на пороге малы, поэтому поверхность воды над порогом в средней его части горизонтальна, глубина потока постоянна.

Расход воды, протекающей через водослив, определяется по формуле

или без учета скорости подхода

Эти формулы получаются из общей формулы (1 – 1) при s_с = s_з = 1. Приближенно коэффициент расхода m можно принимать равным 0,32 и 0,35 (рис. 1 – 5).

Глубину на пороге можно найти по формуле

где коэффициент k равен 0,453 для порога а) и 0,498 для порога б) (рис. 1 – 5).

При этом h < h_к , т.е. поток на пороге бурный (на рис. 1 – 6 пунктирной прямой к – к показан уровень воды при критической глубине h_к .

Подтопленный прямоугольный водослив с широким порогом (рис. 1 – 7)

Водослив с широким порогом получается подтопленным, если уровень воды нижнего бьефа поднимается выше того горизонта воды, который сам собой устанавливается на пороге неподтопленного водослива (т.е. при глубине в нижнем бьефе h_н> c_{н +}h_к).

При истечении воды через подтопленный водослив с широким порогом наблюдается один положительный и один отрицательный перепад. Последний называется перепадом восстановления. Этим перепадом при расчете часто пренебрегают (рис. 1 – 7,б).

Водослив будет подтопленным при выполнении условия

h_п> n.H_o, или h_н >(c_н + n.H_o),

где n = 0,85…0,75 (в среднем n = 0,80).

Если это условие не выполняется, то при h_п > h_к на пороге водослива возникает гидравлический прыжок (рис. 1 – 8), и сечение 1 – 1 может оказаться не покрытым горизонтом воды нижнего бьефа.

Расход в случае неподтопленного водослива определяется по формуле

где коэффициент j равен 0,84 для водослива с острой передней кромкой j = 0,93 для водослива с закругленной передней кромкой (рис. 1 – 5).

Последнюю формулу можно привести к общей формуле (1 – 1) (при s_с = 1):

откуда получим

Для водослива с острой кромкой (рис. 1 – 5) m = 0,32 , j_п = 0,84, тогда

Заметим, что коэффициент затопления всегда меньше единицы для подтопленных водосливов и равен 1 для неподтопленных водосливов. Из уравнения

следует, что минимальное значение , при котором s_з = 1, равно примерно 0,80. При меньших значениях h_п/H_o водослив будет неподтопленным, что соответствует приведенному выше критерию подтопляемости водосливов с широким порогом.

1.2.2. Бреши в плотинах. Расход воды через бреши

Под брешью понимают сквозной пролом в плотине при ее частичном разрушении.

Бреши в плотинах могут быть весьма разнообразными по форме и размерам и изменяться во времени. С гидравлической точки зрения брешь представляет собой водослив сложной пространственной формы. Поэтому расход воды через брешь может быть определен лишь приближенно.

В основу формулы для расхода воды через брешь положена приведенная выше формула (1 – 1) для расхода через прямоугольный водослив. В этой формуле все коэффициенты m_пл,s_с,s_з, множитель заменяются одним коэффициентом m. Кроме того, коэффициентом m учитывается форма бреши. Т.о. расход через брешь