Размывающая способность потока в пределах послепрыжкового участка
Ограничимся рассмотрением нескольких практических задач, встречающихся при проектировании устройств нижнего бьефа.
1. Подбор крупности материала, покрывающего дно горизонтального русла в пределах послепрыжкового участка Крупность материала (камня, гравия, песка) должна быть подобрана так, чтобы он не размывался потоком и стоимость его была наименьшей. С помощью гидравлического расчета следует установить минимально допустимую крупность такого материала. Поскольку в пределах послепрыжкового участка размывающая способность потока по течению снижается, то, естественно, и искомая минимально допустимая крупность фракций защитного матёриала также должна снижаться по течению.
Рассмотрим случай, когда русло нижнего бьефа горизонтально (ковш, т.е. вторая ступень крепления, отсутствует), причем ниже (по течению) послепрыжкового участка размыв русла не имеет места.
Случай, когда гасители энергии на водобое отсутствуют. Наметим на рис. 16.12 два сечения: 4—4 — в пределах послепрыжкового участка и 6—6 — в пределах русла нижнего бьефа непосредственно за послепрыжковым участком, где уже имеется равномерное движение. Обозначим через «о — среднюю скорость равномерного движения (т. е. среднюю , скорость в сечении 6—6) и через v — среднюю скорость для сечений, намеченных в пределах послепрыжкового участка (см. сечение 4—4), где равномерное движение отсутствует.
Так как глубины воды на длине русла от сечения 2—2 и до.сечения 6—6 (см. рис. 16.12) примерно одинаковы (в частности, fi4~hs), то заключаем, что и средние скорости на длине данного русла также примерно одинаковы, т. е. v = const.
Размывающая способность потока вдоль послепрыжкового участка (по течению) снижается главным обрдзом за счет уменьшения придонных осредненных скоростей и по течению. Имея это в виду, можйо утверждать, что максимально допустимая скорость Wmax вдоль послепрыжкового участка должна по течению увеличиваться — кривая vmaх), относящаяся к некоторой определенной крупности d защитного материала, постоянной вдоль всего русла (d=const).
Д. И. Кумин на основании лабораторных опытов составил график для определения коэффициента k (рис. 16.13), на котором обозначено: h2 — глубина воды на послепрыжковом участке и за ним; х— абсцисса, определяющая положение рассматриваемого живого сечения, намеченного в пределах послепрыж кового участка (см., например, сечение 4—4); абсцисса х измеряется от сжатого сечения 1—1 коэффициент вертикального расширения транзитной струи в пределах прыжка.
Можно для любого сечения послепрыжкового участка определить
Пользуясь этим графиком и решают поставленную задачу:
а) намечают в пределах послепрыжкового участка сечение 4— 4 (см. рис. 16.12), для которого необходимо найти предельно минимальное d (диаметр камня, частиц гравия или песка);б) устанавливают параметры;
в) находят коэффициент k, которым характеризуется данное сечение 4—4
г) определяют среднюю скорость v в сечении
д) полученной средней скорости приписывают значение максимальной допустимой скорости.
е) зная максимально допустимое значение средней скорости Umax для послепрыжкового участка и значение k для сечения 4— 4, определяют соответствующую сечению 4—4 максимально допустимую скорость равномерного движения
ж) наконец, по найденной соответствующей скорости Уотах устанавливают необходимую крупность фракций в рассматриваемом сечении 4—4.
Для решения последнего вопроса необходимо для условий равномерного движения имеет зависимость с помощью которой в случае равномерного движения обычно определяют максимально допустимую скорость Уотах в зависимости от крупности фракций грунта, слагающего дно канала.
В качестве такой зависимости можно пользоваться формулой Д. И.. Кумина.
Наряду с формулой Д. И. Кумина можно также рекомендовать формулу Г. И. Шамова:
Формула Д. И. Кумина, как и формула Г. И. Шамова, применима, строго говоря, только при 0,02 10 см.
Приведенный выше расчет следует проводить для нескольких различных уровней воды в нижнем бьефе, так как заранее нет возможности установить, при каком именно горизонте воды в нижнем бьефе получится наибольшая крупность материала, защищающего русло, т. е. та крупность, исходя из которой И следует окончательно проектировать крепление нижнего бьефа.
Случай, когда в пределах водобоя установлены, гасители энергии. Наличие на водобое удачно запроектированных гасителей энергии уменьшает коэффициент размывающей способности потока k, найденный для данного живого сечения 4—4 в предположении отсутствия гасителей. Однако уменьшение k можно установить только с помощью лабораторных опытов. Приведем ориентировочные рекомендации, которыми можно пользоваться при эскизном проектировании: а) если отметка водобоя рассчитана с учетом установки гасителей энергии (см. прилож. А), то значение коэффициента следует брать по графику на рис. 16.13. Глубииа при наличии гасителей будет несколько меньшей, чем при отсутствии их, поэтому значение k, найденное по графику на рис. 16.13, получи для рассматриваемого сечения 4—4 также несколько меньшее, чем в случае отсутствия гасителей; б) если отметка водобоя рассчитана (см. прилож. А) без учета установки гасителей (гасители поставлены только для успокоения потока и диссипации избыточной энергии), то коэффициенты, найденные по графику на рис. 16.13, следует уменьшать на 10...20 %. Далее расчет крупности материала, образующего дно, следует вести, как указано в предыдущем пункте.
2. Определение крупности устойчивого камня для поверхности дна ковша. Глубина воронки размыва v
Случай вертикального предохранительного откоса АВ. Расчет глубины воронки размыва. Общий ход расчета минимального диаметра d устощ чивого камня в случае схемы на рис. 16.14, а может быть намечен следующий:
Обратимся теперь к расчету глубины воронки размыва, образующейся за укзрэченным креплением, причем будем рассматривать только случай, когда венное русло образовано несвязным (сыпучим) грунтом.
Необходимо подчеркнуть, что с некоторым приближением минимальную крупность камня (или песка, или гравия), являющегося устойчивым на дне воронки размыва (см. рис. 14.14,6), можно определить по рис. 16.14, а, т. е. при расчете полагают естественный откос АВ воронки размыва вертикальным. Определив таким образом dB, можно утверждать следующее: если найденное значение dB окажется равным диаметру частиц естественного песка, слагающего дно ковшар, то на дне ковша можно не делать крепления. В этом случае ак представляет собой глубину воронки размыва, образующейся в конце укороченного крепления.
Случай наклонного предохранительного откоса. Для приближенного определения диаметра устойчивого камня следует поступать точно так же, как и в случае вертикального откоса АВ (см. рис.16.14, а), с той только разницей, что коэффициент р, найденный по графику на рис. 16.15, должен уменьшаться: на 20% при т = 3; на 40% при т=4; на 60% при т=5, где m=ctg9; О — угол Наклона предохранительного откоса к горизонту.