8.3. Водослив с острым порогом

8.3.1. Формы струй

Свободная струя образуется в условиях, когда в пространстве под ней имеется атмосферное давление. Такая струя является весьма устойчивой (рис. 8.6, а).

Отжатая струя образуется в условиях, когда под струей возникает вакуум и струя отжимается в обратном направлении, т.е. в сторону водосливной стенки (рис. 8.6, б). Эта форма струи менее устойчива. Вакуум изменяется (пульсирует). Изменение давления под струей создает непрерывное изменение расхода.

Струя, подтопленная снизу, образуется в условиях, когда вакуум под струей достигает такого значения, что все пространство занято водой (предельное положение предыдущей формы) (рис. 8.6, в).

Прилипшая струя образуется при малых удельных расходах в условиях медленного постепенного нарастания напора на водосливе (рис. 8.6, г). В таком “прилипшем” состоянии струю удерживает поверхностное натяжение. Такая струя характеризуется наименьшей устойчивостью. Если под струю подать воздух, то она оторвется и уже более не возвратится в свое исходное положение.

Волнистая струя образуется при затопленном водосливе (рис. 8.6, д).

По опытам французского ученого Базена свободная поверхность воды начинает снижаться на расстоянии от порога водослива. Эпюра скоростей и давлений приобретает вид, указанный на рис. 8.7.

8.3.2. Основные задачи гидравлического расчета

При расчете водосливов любого типа можно поставить три основные задачи, что непосредственно следует из основной общей формулы расхода (8.1)

,

содержащей три переменные величины Q, b и Н.

Задача I. Найти расход данного водослива Q.

Задача II. Найти ширину водослива (т.е. длину порога) b.

Задача III. Найти напор на водосливе Н.

Решение этих задач в простейшем случае не вызывает затруднений. Некоторые осложнения появляются лишь в связи с определением коэффициента расхода.

8.3.3 Определение коэффициента расхода

При определении коэффициента расхода основными факторами, которые должны быть учтены, являются скорость подхода, боковое сжатие и затопление.

Коэффициент расхода для свободной струи по формуле Базена

. (8.2)

Эта формула справедлива при напоре м.

Учет скорости подхода. Скоростью подхода называется средняя скорость потока в русле перед сооружением (перед водосливом), следовательно,

(8.3)

Здесь Q – расход, а - площадь поперечного сечения потока перед сооружением.

Скорость подхода при прочих равных условиях повышает расходы водослива. Поэтому можно написать:

,

где m₀ определяется по (8.2), как для свободной струи, а m₁>1,0 и определяется по различным эмпирическим формулам, например по формуле Базена: .

Тогда расчетный коэффициент расхода

. (8.5)

Можно поступить иначе. Сохраняя коэффициент расхода m отвечающим свободной струе, напор Н в формуле (8.1) заменить напором Н₀, равным:

,

и тогда расход определить по формуле

. (8.6)

Формула (8.6) используется главным образом при расчете водослива практического профиля и водослива с широким порогом. Для водослива с острым порогом обычно применяется формула (8.5).

Учет бокового сжатия. Явление сжатия при истечении через водослив сводится к уменьшению ширины водосливного потока в сравнении с шириной водосливного отверстия. Физические причины этого явления те же. Что и при истечении из отверстий, - не параллельность элементарных струй перед входом потока на водослив.

рис. 8.8.

Таким образом, можно записать:

, (8.7)

где b_c, ε и b соответственно – ширина струи, коэффициент сжатия и ширина отверстия водослива.

При этом формулу расхода можно представить в таком виде:

(8.8)