12.2. Гасители энергии потока

Как уже отмечалось выше, при сопряжении бьефов может возникнуть опасность размыва русла в нижнем бьефе. Если установлено, что скорость потока в нижнем бьефе будет больше допускаемой величины для данного русла, необходимо принять меры по защите русла от размыва. Одним из способов защиты является укрепление русла, например, бетонирование – покрытие поверхности русла слоем бетона, или мощение камнем. Укрепление русла повышает величину допускаемой скорости потока.

Вместо укрепления русла возможно сооружение гасителей энергии потока.

Наиболее часто применяемыми гасителями являются водобойные колодцы, водобойные стенки и специальные гасители в виде многочисленных небольших препятствий на пути потока в нижнем бьефе.

Схема водобойного колодца представлена на рис. 12.3, а. Гашение энергии потока в водобойном колодце достигается затоплением гидравлического прыжка. Иначе говоря, водобойный колодец обеспечивает сопряжение бьефов с затопленным ГП. Водобойный колодец представляет собой искусственное углубление русла в нижнем бьефе. Глубина колодца а_кол и длина L_кол определяются гидравлическим расчетом. Для затопления ГП необходимо, чтобы глубина потока в колодце была больше расчетной второй сопряженной глубины надвинутого ГП (прыжка в сжатом сечении потока), то есть (h_н + а_кол) > h’’.

Если по каким-либо причинам углубление русла в нижнем бьефе затруднительно, вместо водобойного колодца применяется водобойная стенка, схема которой показана на рис. 12.3, б. Стенка представляет собой водослив. Затопление ГП обеспечивается, если сумма геометрического напора на водосливе и высоты водобойной стенки больше расчетной второй сопряженной глубины надвинутого ГП (H + а_ст) > h”.

Иногда применяется водобойный колодец комбинированного типа (рис. 12.3, в). В этом случае для затопления ГП необходимо, чтобы сумма глубины колодца, высоты стенки и геометрического напора на водосливе была больше расчетной второй сопряженной глубины надвинутого ГП

(а_кол + а_ст + H) > h”.

На рис. 12.3, г показана схема одного из возможных специальных гасителей энергии потока в виде расположенных в шахматном порядке бетонных столбов в русле нижнего бьефа. Столбы препятствуют движению потока и уменьшают его скорость.

Рис. 12.3 Гасители энергии в нижнем бьефе гидротехнического сооружения.

13. Плавно изменяющееся установившееся безнапорное движение грунтовой воды

13.1 Основные понятия

Любой зернистый материал, включая грунт, состоит из отдельных частиц, между которыми имеются поры. Движение воды в этих порах называется фильтрацией.

Скорость фильтрации.

Рассмотрим трубу диаметром D, заполненную песком (рис. 13.1). Предположим, что вода в трубе находится под давлением, которое изменяется по длине трубы, и поэтому вода, заполняющая поры в песке, движется в этих порах. Рассмотрим живое сечение А-А. Здесь можно выделить три различные площади:

- площадь сечения пор грунта , которую можно рассматривать как площадь действительного живого сечения потока;

- площадь сечения частиц грунта ;

- площадь сечения всей трубы .

При этом

Рассмотрим трубу диаметром D, заполненную песком (рис.13.1). Предположим, что вода в трубе находится под давлением, которое изменяется по длине трубы, и поэтому вода, заполняющая поры в песке, движется в этих порах. Рассмотрим живое сечение А-А. Здесь можно выделить три различные площади:

- площадь сечения пор грунта ω_пор, которую можно рассматривать как площадь действительного живого сечения потока;

- площадь сечения частиц грунта ω_част;

- площадь сечения всей трубы ω_геом.

При этом

Рис. 13.1. Фильтрация в зернистых материалах.

Исследования структуры течения в пористых средах свидетельствуют о наличии струйного характера движения воды в фильтрационных ходах при ламинарном режиме. Струи изолированы друг от друга застойными зонами. Скорости по поперечному сечению фильтрационного хода распределены неравномерно. Однако в практике не считаются с неравномерностью распределения скоростей в порах и действительной скоростью движения воды в порах грунта называют величину

где Q – расход воды, движущейся в трубе, см³/с.

Наряду с этим вводят понятие скорости фильтрации:

Как видно, скорость фильтрации u есть воображаемая скорость, получающаяся в том случае, если мы принимаем, что вода движется не только через поры, но и через тельца частиц грунта, причём расход воды равен действительному расходу. При этом между скоростью фильтрации и действительной средней скоростью движения воды в порах грунта существует следующая связь:

откуда

Так как n < 1, то скорость фильтрации u по величине всегда меньше действительной скорости u’.

Движение грунтовых вод может быть напорным, т.е. без свободной поверхности, например, движение воды в прослойке песка или другого крупнозернистого грунта, расположенной между двумя слоями глины. Безнапорное движение воды в грунте характеризуется наличием свободной поверхности, называемой депрессионной. Кривая пересечения свободной поверхности безнапорного фильтрационного потока с вертикальной плоскостью, располагающейся вдоль него, называется кривой депрессии.

При изучении ряда вопросов фильтрации целесообразно исходить из фильтрационной модели грунта в виде совокупности криволинейных фильтрационных ходов.

В зависимости от размеров и формы частиц, а следовательно, и пор грунты обладают различными фильтрационными свойствами. Движение грунтовых вод может быть ламинарным и турбулентным.

Фильтрационная модель грунта в виде совокупности криволинейных фильтрационных ходов позволяет не только объяснить, почему при фильтрации в зернистых средах отклонение от линейного закона сопротивления наступает при гораздо меньших скоростях, чем при прямолинейном движении, но и получить расчётную зависимость для определения критического числа Рейнольдса при фильтрации.

На каждую частицу воды, движущуюся в искривлённом фильтрационном ходе, действует центробежная сила. Эта сила тем больше, чем больше скорость частицы. Поэтому на частицы, находящиеся вблизи оси фильтрационного хода, действуют большие центробежные силы, чем на частицы, находящиеся вблизи стенки, где скорость течения мала. Под действием центробежных сил частицы воды в середине фильтрационного хода движутся по направлению от центра его кривизны, а частицы у стенки, вытесняемые частицами, проникшими из середины фильтрационного хода, движутся к центру кривизны. Следовательно, в фильтрационном ходе возникает поперечная циркуляция, которая выполняет роль своеобразного турбулизатора. При этом распределение скорости и закон сопротивления изменяются, и критическое число Рейнольдса, отнесённое к диаметру фильтрационного хода и скорости фильтрации, будет намного меньше критического числа Рейнольдса для фильтрационного хода с прямолинейной осью.

Рис. 13.1 Фильтрация в зернистых материалах

Исследования структуры течения в пористых средах свидетельствуют о наличии струйного характера движения воды в фильтрационных ходах при ламинарном режиме. Струи изолированы друг от друга застойными зонами. Скорости по поперечному сечению фильтрационного хода распределены неравномерно. Однако в практике не считаются с неравномерностью распределения скоростей u в порах и действительной скоростью движения воды в порах грунта называют величину

где Q – расход воды, движущейся в трубе, см³/с.

Наряду с этим вводят понятие скорости фильтрации:

Как видно, скорость фильтрации u есть воображаемая скорость, получающаяся в том случае, если мы принимаем, что вода движется не только через поры, но и через тельца частиц грунта, причём расход воды равен действительному расходу. При этом между скоростью фильтрации и действительной средней скоростью движения воды в порах грунта существует следующая связь:

откуда

Так как n < 1, то скорость фильтрации u по величине всегда меньше действительной скорости u’.

Движение грунтовых вод может быть напорным, т.е. без свободной поверхности, например, движение воды в прослойке песка или другого крупнозернистого грунта, расположенной между двумя слоями глины. Безнапорное движение воды в грунте характеризуется наличием свободной поверхности, называемой депрессионной. Кривая пересечения свободной поверхности безнапорного фильтрационного потока с вертикальной плоскостью, располагающееся вдоль него, называется кривой депрессии.

При изучении ряда вопросов фильтрации целесообразно исходить из фильтрационной модели грунта в виде совокупности криволинейных фильтрационных ходов.

В зависимости от размеров и формы частиц, а следовательно, и пор грунты обладают различными фильтрационными свойствами. Движение грунтовых вод может быть ламинарным и турбулентным.

Фильтрационная модель грунта в виде совокупности криволинейных фильтрационных ходов позволяет не только объяснить, почему при фильтрации в зернистых средах отклонение от линейного закона сопротивления наступает при гораздо меньших скоростях, чем при прямолинейном движении, но и получить расчётную зависимость для определения критического числа Рейнольдса при фильтрации.

На каждую частицу воды, движущуюся в искривлённом фильтрационном ходе, действует центробежная сила. Эта сила тем больше, чем больше скорость частицы. Поэтому на частицы, находящиеся вблизи оси фильтрационного хода, действуют большие центробежные силы, чем на частицы, находящиеся вблизи стенки, где скорость течения мала. Под действием центробежных сил частицы воды в середине фильтрационного хода движутся по направлению от центра его кривизны, а частицы у стенки, вытесняемые частицами, проникшими из середины фильтрационного хода, движутся к центру кривизны. Следовательно, в фильтрационном ходе возникает поперечная циркуляция, которая выполняет роль своеобразного турбулизатора. При этом распределение скорости и закон сопротивления изменяются, и критическое число Рейнольдса, отнесённое к диаметру фильтрационного хода и скорости фильтрации, будет намного меньше критического числа Рейнольдса для фильтрационного хода с прямолинейной осью.