Бьефов сопряжение

б

БЬЕФОВ СОПРЯЖЕНИЕ, соединение потоков, находящихся на разных уровнях при различных условиях сопряжения каналов. Изучение вопроса о сопряжении бьефов преследует цель найти такую форму сопряжения бьефов, которая обеспечивала бы наименьший размыв русла и позволяла бы обойтись без особых дорогостоящих мер или приспособлений по предохранению русла от размыва.

Разновидность случаев сопряжения кривых поверхностей воды в верхнем и нижнем бьефах выражается в наличии или отсутствии прыжка воды. Наиболее опасен для сооружения отогнанный прыжок, зависящий от высоты h2 (фиг. 1), наименьшее значение которой находится в зависимости от глубины hС в сжатом сечении струи.

Наиболее опасен для сооружения отогнанный прыжок

Для определения величины hС воспользуемся уравнением Бернулли. Напишем это уравнение для двух сечений АА и СС, тогда получим:

biefof sopr 2

где v0 - скорость подхода, vС - средняя скорость в сжатом сечении, g - ускорение силы тяжести, р0 = РС - атмосферное давление, γ - собственный вес воды, Н - напор над гребнем водослива, hР - превышение гребня водослива над плоскостью сравнения, hf - потеря напора на пути от сечения АА до сечения СС. В этом уравнении

biefof sopr 3

и

biefof sopr 4

где Q - расход жидкости, b - ширина потока поверху в рассматриваемом сечении, ζ - коэффициент местного сопротивления. Обозначив сумму biefof sopr 5 через Н0 и заменив величины hf и vС их значениями, получим:

biefof sopr 6

Т. к. biefof sopr 7 где ϕ - коэффициент скорости, то

biefof sopr 8

Высота h2 уровня воды при прыжке определится по взаимной ее глубине h1 из выражения:

biefof sopr 9

причем max h2 получится при min h1, т. е. в наиболее сжатом сечении hC. Зная величину h2, можно по соотношению этой глубины с бытовой глубиной hб выявить форму струи при сопряжении бьефов; имея в виду, что при hб > h2 прыжок отсутствует, получается т. н. затопленный прыжок, при hб = h2 имеем надвинутый прыжок, а при hб < h2 - отогнанный прыжок. По Базену во всех тех случаях, когда z : hб > 0,75, получается отогнанный прыжок, а когда z : hP < 0,75, получается затопленный прыжок, т. е. прыжок отсутствует. Величина z в данном случае означает разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (перепад). Бытовая глубина hб может быть определена по формуле для равномерного движения воды в канале:

biefof sopr 10

где R0 - гидравлический радиус, i0 - гидравлический уклон, с0 - коэффициент, равный по Маннингу

biefof sopr 11

по Форхгейму

biefof sopr 12

величина n представляет собой коэффициент шероховатости по Гангилье и Куттеру.

Помимо высоты прыжка необходимо знать также длину отгона прыжка. Для этого находим такую длину х (фиг. 2), при которой толщина струи возрастает до некоторой глубины взаимной с бытовой глубиной hб. В этом случае величина hВ м. б. определена по формуле:

biefof sopr 13

Для вычисления длины х отгона прыжка можно воспользоваться уравнением Бресса, имеющим вид:

biefof sopr 14

где индекс «0» показывает, что речь идет о величинах при равномерном движении воды, а индексы «2» и «1» показывают, что величины относятся к соответствующим двум сечениям канала. В данном случае величины i0, с0 и g имеют те же значения, что и выше; h0 = hб; х2 — х1 = х; η2 = hВ/h0; η1 = hС/h0; α - коэффициент, вводимый в уравнение за счет вычисления количества движения по средней скорости; величина ϕ(η) представляет собой формулу Бресса, вычисленную последним для разных значений η. Величина х т. о. определится из выражения:

biefof sopr 15

Уравнение Бресса применимо для широких прямоугольных и сравнительно неглубоких каналов. Для каналов же сравнительно небольшой ширины и достаточно глубоких с очертанием правильным, но сильно разнящимся от прямоугольного или параболического (например, трапецеидальное очертание), следует пользоваться уравнением Бахметева:

Для каналов же сравнительно небольшой ширины и достаточно глубоких с очертанием правильным, но сильно разнящимся от прямоугольного или параболического (например, трапецеидальное очертание), следует пользоваться уравнением Бахметева

где

biefof sopr 17

χ - смоченный периметр; biefof sopr 18 Б (η) - функция Бахметева:

biefof sopr 19

экспонент г представляет собой гидравлический показатель русла; остальные величины имеют то же значение, что и в уравнении Бресса. Длина х отгона прыжка получится поэтому по Бахметеву равной:

Длина отгона прыжка получится поэтому по Бахметеву равной

Для получения затопленного прыжка прибегают в соответствующих случаях к устройству водобойных колодцев, образуемых путем устройства особого углубления в дне канала или путем возведения водобойной стенки. Потребность в таких устройствах является в тех случаях, когда данное сооружение обусловливает наличие прыжка, характеризуемого формой струи при сопряжении бьефов. При отсутствии прыжка надобность в указанном углублении или стенке отпадает.

biefof sopr 21

При наличии прыжка выясняют сначала форму струи при сопряжении бьефов и величины hС и h2, после чего приступают к гидравлическому расчету водобойного колодца, определяя его глубину а и длину l (фиг. 3). Глубину а подбирают так, чтобы

biefof sopr 22

Полученную теоретическим путем величину а увеличивают на 25%. Следовательно

biefof sopr 23

Высота водобойной стенки (фиг. 4) определяется аналогичным образом из условия

biefof sopr 24

где толщина Н1 слоя воды, переливающейся через водобойную стенку, вычисляется по формуле водослива. Для приближенного решения задачи по определению глубины водобойного колодца можно воспользоваться способом Базена, по которому прыжок отсутствует, если относительный перепад biefof sopr 25 где z - разность уровней бьефов, hР - возвышение гребня водослива над дном колодца. По Бахметеву следует, пользуясь способом Базена, учитывать также коэффициент расхода m и отношение напора Н к высоте водослива с низовой его стороны hВ. Длина водобойного колодца I, устраиваемого в особом углублении или образуемого стенкой, определяется по эмпирическим формулам, причем эта длина д. б. такова, чтобы было предотвращено выскакивание струи из колодца. По Блею

biefof sopr 26

По Этчеверри

biefof sopr 27

По Дейщу                        

biefof sopr 28

По Журину

biefof sopr 29

По Ребоку

biefof sopr 30

где l - большая ось эллиптического вальца, а - малая ось этого вальца, Ω - площадь эллиптического сечения вальца, равная:

biefof sopr 31

причем k= 3,6—7,2. Шоклич получил для своего водобойного колодца длину

biefof sopr 32

Совершенно так же, как водобойные колодцы, рассчитываются и перепады.

Указанные методы выявления формы струи, длины отгона прыжка и расчета водобойного колодца одинаково применимы как к струе, ниспадающей с водослива, так и к струе, вытекающей из-под щита (фиг. 5).

biefof sopr 33

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.

Бьефов сопряжение