Виды сопряжения бьефов

Бьефом называется часть потока до или после гидротехнического сооружения, соответственно различают верхний и нижний бьефы.

При падении струи потока с порога перепада (рис. 5.1) или перелива скорость движения воды увеличивается и, как следствие, уменьшается живое сечение. Наименьшего значения живое сечение достигает у дна. Данное сечение получило название, сжатое сечение, а глубина потока в сжатом сечении называется сжатой глубиной. Как правило, сжатая глубина всегда меньше критической глубины, т. е. имеет место бурное движение.

Рис. 5.1. Сопряжение бьефов. Перепад

В нижнем бьефе уклон дна часто меньше критического, следовательно, глубина воды в нижнем бьефе больше критической, а поток находится в спокойном состоянии. Величина глубины в нижнем бьефе в естественных руслах находится в ходе гидрологических изысканий. В литературе можно встретить название данной глубины – «бытовая». В искусственных, призматических руслах, глубина воды в нижнем бьефе находится из уравнения равномерного движения.

Переход потока из бурного состояния в спокойное сопровождается гидравлическим прыжком. В зависимости от соотношения второй сопряженной глубины и глубины потока в нижнем бьефе возможны три вида сопряжения бьефов.

Отогнанный прыжок. Если глубина, сопряженная сжатой, оказывается больше бытовой глубины, то сопряжение бьефов осуществляется в виде отогнанного прыжка (рис. 5.2). В этом случае гидравлический прыжок начинается на некотором расстоянии от сжатого сечения, это расстояние получило название длины отгона l_отг. На этом участке глубины возрастают от h_c до h₁. Сопряжение гидравлического прыжка со сжатым сечением осуществляется в виде кривой подпора с₁. Длина кривой подпора рассчитывается аналогично рассмотренному материалу в разд. 4. Движение воды на участках отгона, гидравлического прыжка и послепрыжкового участка характеризуется большими придонными скоростями, а также значитель­ными пульсациями скоростей и давлений. Это приводит к необходимости укрепления русла на значительном по длине участке. Поэтому на практике стараются избегать данного вида сопряжения бьефов.

Рис. 5.2. Сопряжение бьефов при отогнанном прыжке

Затопленный прыжок. Если глубина нижнего бьефа больше второй сопряженной глубины, то происходит затопление сжатого сечения, прыжок пододвигается к перепаду (рис. 5.3). Этот вид сопряжения бьефов является наиболее приемлемым.

Рис. 5.3. Сопротивление бьефов при затопленном прыжке

Прыжок в сжатом сечении. В этом случае вторая сопряженная глубина равна глубине в нижнем бьефе. Длина отгона равна нулю. Нет также и затопления прыжка.

Расчет сопряжения бьефов выполняется в следующей последовательности: определяется сжатая глубина; устанавливается вид сопряжения и если сопряжение осуществляется не в виде затопленного прыжка, производится расчет гасителя энергии потока.

Сжатая глубина

Для нахождения сжатой глубины запишем уравнение Бернулли. Сечение 1–1 проведем перед перепадом (см. рис. 5.1). Сечение 2–2 проведем через сжатое сечение с–с. Плоскость сравнения 0–0 пройдет на уровне дна в нижнем бьефе. Потери напора между сечениями 1–1 и с–с запишем как ,

тогда , (5.1)

или

, (5.2)

где E₀ – полный напор в сечении 1–1.

Так как , (5.3)

и , (5.4)

то , (5.5)

или . (5.6)

Уравнение (5.6) является кубическим относительно сжатой глубины, поэтому оно имеет три корня: первый корень является отрицательным; для второго корня выполняется условие ; третий корень больше критической глубины. Уравнение (5.6) не имеет аналитического решения, следовательно, его можно решить численно, графически или подбором. Необходимо отметить, что для сжатой глубины обязательно выполнение условия .