Коэффициент подтопления водослива

	0,050	0,100	0,200	0,300	0,400	0,500	0,600	0,700
	0,997	0,995	0,985	0,972	0,957	0,935	0,906	0,856

Продолжение табл. 5.3

	0,800	0,850	0,900	0,925	0,950	0,975	0,990	0,995	1,000
	0,776	0,710	0,621	0,555	0,470	0,319	0,170	0,100	0,000

7. Вычисляются удельные расходы водослива.

8. В случае равенства удельного расхода водослива заданному значению расчет останавливается.

Пример 8. Определить высоту водобойной стенки для исходных данных примера 7.

Решение

Выполняется расчет сжатой, критической и сопряженной сжатой глубины аналогично предыдущему примеру. Дается заключение о виде сопряжения бьефов.

Затем определяется скорость подхода к водобойной стенке

м/с.

По формуле (5.14) вычисляется скоростной напор

м.

Находится полный напор на водосливной стенке по формуле (5.12)

м.

Геометрический напор на водосливной стенке определяется по (5.13)

м.

Определяется высота водобойной стенки при условии, что водослив не подтоплен

м.

Так как , водослив является подтопленным.

Дальнейший расчет проводится в табл. 5.4. Задаются рядом высот водобойной стенки (0,6; 0,7; 0,8 м). Для этих высот вычисляются: геометрический H и полный H₀ напоры на водосливе; высоту подтопления водослива h_п и отношение высоты подтопления водослива к геометрическому напору на водосливе. Интерполяцией данных табл. 5.3 определяется коэффициент подтопления . Находится удельный расход водобойной стенки. По данным табл. 5.4 строится график зависимости удельного расхода от высоты стенки (рис. 5.11). Отложив значение удельного расхода, находят высоту стенки – 0,713 м. Погрешность вычисления составила минус 0,06 %.

Таблица 5.4

Определение высоты водобойной стенки

, м	, м	, м	, м			, м2/с
0,6	1,191	1,261	0,800	0,672	0,870	2,292
0,7	1,091	1,161	0,700	0,641	0,885	2,060
0,8	0,991	1,061	0,600	0,605	0,903	1,837
0,727	1,064	1,134	0,673	0,632	0,890	1,999

q_ст, м²/с с, м

Рис. 5.11. Определение высоты водобойной степени

Длина гидравлического прыжка

м.

Высота центра тяжести струи

м.

Дальность отлета струи

м.

Длина водобойного колодца

м.

Основные размеры водобойного колодца представлены на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема водобойной стенки

Перепады

На каналах, проходящих по местности с большим уклоном, чтобы исключить движение воды со скоростями больше допустимых, устраивают сопрягающие сооружения. К таким сооружениям относятся перепады. В зависимости от количества ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые перепады.

Одноступенчатый перепад состоит из следующих частей: входа; стенки падения; водобоя и выхода.

При уклоне дна верхнего бьефа меньше критического в конце канала верхнего бьефа получается кривая спада b1, причем на водосливной грани устанавливается глубина, примерно равная критической.

В связи с тем, что глубины в конце канала верхнего бьефа уменьшаются, скорость движения воды увеличивается. Поэтому русло на этом участке необходимо укреплять. Иногда входную часть выполняют в виде водослива практического профиля. Это приводит к увеличению глубин в конце верхнего бьефа и, следовательно, к уменьшению скорости движения воды.

Стенка падения может быть как вертикальной, так и наклонной. Русло водобойной части перепада также укрепляется. Выходная часть представляет собой водобойный уступ или водобойную стенку. Расчет одноступенчатого перепада описан выше.

Многоступенчатые перепады бывают колодезного и бесколодезного типа.

При гидравлическом расчете многоступенчатого колодезного перепада (рис. 5.13) предполагают, что высота ступеней и ширина перепада задана.

В результате расчета устанавливают высоту водобойных стенок и длину колодцев.

Рис. 5.13. Многоступенчатый колодезный перепад

Расчету подвергают первую, вторую и последнюю ступени. Каждую из ступеней рассчитывают как одноступенчатый перепад. Размеры остальных ступеней назначаются такими же, как второй.

Расчет многоступенчатого бесколодезного перепада (рис. 5.14) заключается в определении длины ступеней.

Рис. 5.14. Многоступенчатый бесколодезный перепад

Длину ступеней назначают из условия установления в конце ступени глубины, равной критической. в этом случае энергия потока минимальна

, (5.16)

где l – длина кривой подпора c₀, сопрягающая сжатую глубину с критической; l_з – запас, принимаемый равным .

Контрольные вопросы

1. Какая глубина называется сжатой?

2. Какая глубина называется бытовой?

3. Какой гидравлический прыжок называется отогнанным?

4. Какой гидравлический прыжок называется затопленным?

5. Какие существуют способы гашения энергии потока?

6. В чем заключается принцип действия водобойного колодца?

7. В чем заключается принцип действия водобойной стенки?

8. Какой вид сопряжения бьефа будет, если вторая сопряженная глубина больше бытовой?

9. Необходим ли гаситель энергии, если вторая сопряженная глубина меньше глубины воды в нижнем бьефе?

10. Изложите порядок расчета водобойного колодца.

11. Изложите порядок расчета водобойной стенки.

12. Из каких соображений назначают длину ступеней многоступенчатого бесколодезного перепада.

МАЛЫЕ МОСТЫ

Малыми мостами называют мосты с длиной пролетов до 25 м. Они устраиваются на постоянных и периодически действующих водотоках с расходами 10÷100 м³/с, при высоте насыпи дорог 2÷8 м, когда строительство водопропускных труб по технико-экономическим параметрам оказывается менее выгодно.

Основными характеристиками малых мостов являются: форма и размеры поперечного сечения отверстия, высота до низа пролетного строения, длина и вид укрепления подмостового русла, его уклон, конструктивные особенности входного и выходного участков. Малые мосты бывают одно- и многопролетными, с вертикальными и вертикально-откосными устоями, с прямоугольной или трапецеидальной формой поперечного сечения потока.

С гидравлической точки зрения малый мост работает как бесступенчатый водослив с широким порогом.

Гидравлический расчет малого моста начинается с определения бытовой глубины и соответствующего ей значения средней скорости потока, а также допустимого значения скорости для грунта в естественном русле.

Если допустимая скорость оказывается больше скорости, соответствующей бытовой глубине, то ширину отверстия моста можно уменьшить вплоть до выполнения условия .

Если по технико-экономическим соображениям целесообразно сооружать мост с меньшим отверстием, то приходится дно русла укреплять. Для укрепления дна можно использовать: посев трав; каменную наброску, укладку бетонных плит и т. д.

Затем определяется величина критической глубины

. (6.1)

Определяется схема протекания вод в подмостовом русле. Если выполняется условие , то мост работает как свободный водослив (рис. 6.1, а), в противном случае – как подтопленный (рис. 6.1, б).

Дальнейший расчет выполняется в соответствии с табл. 6.1.

а

б

Рис. 6.1. Схема протекания воды в подмостовом русле: а – свободный водослив; б – подтопленный водослив

Таблица 6.1

Расчетные формулы

Параметр	(отверстие моста работает как свободный водослив)	(отверстие моста работает как подтопленный водослив)
Отверстие моста b, м	(6.2)	(6.5)
Фактическая скорость в подмостовом русле v, м/с	(6.3)	(6.6)
Глубина воды в верхнем бьефе Н, м	(6.4)	(6.7)

Многочисленными исследованиями установлено, что картина протекания воды в подмостовом русле несколько отличается от ранее рассмотренной.

В процессе протекания потока в неподтопленном отверстии в конце входного участка устанавливается глубина , меньшая критической
(рис. 6.2). Эту глубину находят из соотношения .

Рис. 6.2. Неподтопленное отверстие моста

Для случая подтопленного водослива в конце входного участка устанавливается глубина, несколько меньшая бытовой (рис. 6.3) .

Рис. 6.3. Подтопленное отверстие моста

Пример 9. Для пропуска воды под железнодорожным полотном проектируется малый однопролетный мост, имеющий прямоугольное отверстие. Дно русла в пределах пролета моста укрепляется каменной наброской. Расход воды 15 м³/с. Бытовая глубина 0,7 м. Для моста с конусами коэффициент сжатия струи , коэффициент скорости .

Определить ширину отверстия моста. Найти глубину воды перед мостом при пропуске через отверстие заданного расхода.

Решение

1. Определяется критическая глубина в подмостовом русле по формуле (6.1). Для каменной наброски величина допустимой скорости принимается равной 2,5 м/с

м.

2. Определяется условие подтопления

.

3. Следовательно, протекание происходит по схеме свободного водослива с широким порогом.

4. Находится ширина отверстия моста по формуле (6.2)

м.

5. Назначается ближайшая большая ширина отверстия типового моста 11,3 м.

6. По формуле (6.3) вычисляется фактическая скорость движения воды в подмостовом русле

м/с.

7. Уточняется значение критической глубины

м/с.

8. Проводится проверка условия подтопления водослива

.

Следовательно, условия протекания не изменились.

9. Определяется глубина воды перед мостом по формуле (6.4)

м.

10. Высота низа пролетного строения моста должна быть не ниже

м.

11. Определяется глубина на выходе из отверстия моста

м.

12. Проверяется значение скорости на выходе из отверстия моста

м.

Значение скорости на выходе из отверстия моста превышает допустимое значение для каменной наброски, поэтому принимается решение о устройстве на этом участке двойного каменного мощения с м/с.

Пример 10. Выполнить гидравлический расчет малого моста для данных из примера 9 при бытовой глубине, равной 1 м.

Решение

1. Проводится проверка условия подтопления водослива

.

Следовательно, протекание будет происходить по схеме подтопленного водослива.

2. Находится ширина отверстия моста (6.5)

м.

3. Принимается ближайшая бóльшая ширина отверстия типового моста равная 7,3 м.

4. Вычисляется фактическая скорость движения воды в подмостовом русле (6.6)

м/с.

5. Определяется глубина воды перед мостом

м.

6. Высота низа пролетного строения моста должна быть не ниже

м.

Контрольные вопросы

1. Какие задачи решают при гидравлическом расчете малых мостов?

2. Какие из малых дорожных сооружений работают по принципу водослива с широким порогом, насадка или короткого трубопровода, отверстия в тонкой стенке?

3. При каком условии протекания воды через малый мост он оказывается подтопленным?

4. Каков порядок расчета малого моста?

5. Для чего требуется знать значение скорости на выходе из отверстия моста?

6. Как определяется минимальная высота насыпи у малого моста?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материал, изложенный в пособии, поможет студентам усвоить основные законы равновесия и движения жидкости. Рассмотрен обширный круг теоретических и практических вопросов, которые должны изучить студенты для лучшего понимания сути различных гидравлических явлений и процессов.

Методическое построение учебного пособия дает возможность студентам познать основные законы в их взаимосвязи. По каждому разделу изложены теоретические, практические и справочные материалы, необходимые для самостоятельного решения задач по гидравлике, возникающих в инженерной практике.