2.5. Расчет выходной части быстротока.

В пределах выходной части быстротока происходит переход потока из бурного состояния на водоскате быстротока в спокойное состояние в отводящем канале с продольным уклоном меньше критического. Такой переход осуществляется через гидравлический прыжок, который может образоваться как в пределах выходной части, так и на самом водоскате.

При выполнении гидравлических расчетов необходимо выяснить, какая из форм сопряжения бьефов будет иметь место при выбранных геометрических характеристиках быстротока и гидравлических параметрах потока.

Обычно ширина канала понизу b₀ больше ширины водоската b. Уголок роспуска образующейся при этом воронки, схема которой приведена на рисунке 2. , принимается Θ , из условий отсутствия сбоя потока, отрыва струй от стенок и обеспечения плавного растекания потока в воронке.

Угол Θ может быть определен выражением:

, (2.35)

где

Длину расширяющейся части следует назначать по рекомендации Ф.И. Пикалова:

; (2.36)

где - длина гидравлического прыжка в расширяющемся русле.

Длина гидравлического прыжка, образующегося в непризматическом расширяющемся русле, может быть определена по формуле О.Ф. Васильева:

, (2.37)

где , - длина гидравлического прыжка в призматическом русле прямоугольной формы поперечного сечения.

Длина прыжка в призматическом русле может быть вычислена по формуле М.Д. Чертоусова:

, (2.38)

где - в рассматриваемом случае равна глубине в сжатом сечении и приблизительно равна глубине в конце водоската быстротока.

По принятой величине длины воронки определяется ширина понизу отводящего канала по формуле:

, (2.39)

Для вычисления характера сопряжения бурного потока со спокойным следует определить глубину (сопряженную с глубиной в конце водостока), которая может быть определена подбором из уравнения Ф.И. Пикалова для гидравлического прыжка в непризматическом русле:

, (2.40)

где - ширина потока по основанию в конце прыжка.

Вторая сопряженная глубина и длина пространственного прыжка в расширяющемся русле меньше, чем и для прыжка в призматическом русле при одинаковых условиях в начальном сечении. Последнее обстоятельства должно учитываться при назначении глубины в процессе подбора. Вторая сопряженная глубина в призматическом русле определяется из формулы:

, (2.41)

где - критическая глубина, вычисленная для водоската быстротока постоянной ширины.

Прежде чем выяснить форму гидравлического прыжка, необходимо определить нормальную глубину в трапецеидальном отводящем канале при расходе Q_в; ширина понизу b₀ : значение коэффициента откоса m₀ и уклона дна i₀ , соответствующих указанным в задании.

Нормальная глубина в отводящем канале h₀₂ может быть определена графо - аналитическим способом, порядок построения которого описан выше ( см. таб. 1.1).

Расчет сведен в таблицу 2. . :

Вопрос о форме сопряжения ( типе гидравлического прыжка) решается следующим образом;

если - прыжок отогнан;

если - прыжок в критическом состоянии;

если - прыжок затоплен.

Т.к. выполняется условие , ( ) , то в целях более быстрого перехода потока из бурного в спокойное состояние в пределах выходной части устанавливается водобойные устройства простейшего типа в виде водобойных колодцев и стенок.

В случае устройства водобойного колодца выходная часть быстротока без стенки падения может быть решена по схеме:

Глубина водобойного колодца с учетом перепада на выходе , образующегося при движении потока через порог водобойного колодца, определяется по формуле:

, (2.42)

где σ – коэффициент запаса, принимаемый равный ;

, (2.43)

где .

м.

.

Длина водобойного колодца принимается равной:

. (2.44)

В случае устройства водобойной стенки определение ее высоты выполняется одним из следующих способов, например, как это показано ниже.

Предварительно необходимо определиться с формой поперечного сечения водобойной стенки, представляющей собой полигональный водослив практического профиля. Полагая водобойную стенку прямоугольной, следует принять коэффициент расхода и коэффициент скорости

Напор над стенкой определяется следующим образом:

, (2.45)

где - коэффициент подтопления стенки, который в первом приближении принимается .

Скорость потока перед стенкой:

. (2.46)

Без учета скоростного напора геометрический напор над стенкой составит:

, (2.47)

,

Тогда высота стенки будет:

, (2.48)

Расстояние от конца водоската до стенки следует принять равным длине прыжка ( =6,96) .

Далее следует выяснить характер сопряжения потока за стенкой, для чего необходимо определить вторую сопряженную глубину за стенкой, рассматривая ее как водослив с коэффициентами расхода и скорости , и пользуясь методом И.И. Агроскина.

Расчет глубины в сжатом сечении производится в следующей последовательности:

а) определяется значение функции относительной глубины потока по формуле:

, (2.49)

где q – удельный расход в сечении установки стенки, ;

- коэффициент скорости;

E₀ – удельная энергия в верхнем бьефе относительно дна нижнего бьефа;

б) для случая расчета водобойной стенки, выяснения условий сопряжения потока за ней, величина и q_i определяется по формулам:

(2.50)

в) по значению , пользуясь таблицей, находится глубина в сжатом сечении из зависимости

, (2.51)

г) вторая сопряженная глубина в сжатом сечении определяется по значению с помощью таблиц следующим образом: по значению находится . Тогда вторая сопряженная глубина определяется по зависимости:

. (2.52)

.

,

,

.

Т.к. , то за стенкой образуется отогнанный гидравлический прыжок и следует установить еще одну водобойную стенку, которая обеспечит затопление прыжка и водобойной стенки. В этом случае водобойная стенка будет работать как водослив затопленный, и необходимо уточнить величину , поскольку коэффициент подтопления . Величину рекомендуется определять по графику А.А, Угинчуса .

Длина воронки при n водобойных стенок определяется по формуле:

, (2.53)

где - сумма расстояний между стенками;

Для определения коэффициента предварительно вычисляется и . Критическая глубина потока в расширяющемся русле выходной части быстротока определяется формулой:

. (2.54)

Высота второй водобойной стенки С₂ определяется из формулы:

. (2.55)

где , .

Скорость водного потока между первой и второй стенкой определяются из формулы:

, (2.56)

где ; ;

В приведенной формуле определяет расстояние между первой и второй стенками, которое определяется выражением:

, (2.57)