/ Гидравлика открытого русла: Неравномерное движение жидкости
Установившееся равномерное движение воды в открытых руслах представляет собой наиболее простой случай движения, редко встречающийся в инженерной практике.
Всякая преграда, построенная в русле (плотина, мост), неровности дна, сужение или расширение русла способствуют тому, что формируется неравномерное движение.
Основные понятия в теории неравномерного движения
При неравномерном движении по длине потока меняются все гидравлические элементы:
h - глубина потока;
ω - площадь живого сечения потока;
R - гидравлический радиус;
υ - скорость и т. д.
При неравномерном движении воды в открытых руслах гидравлический уклон J, пьезометрический уклон Jр и уклон дна не равны между собой (рис. 15).
К наиболее важным в практическом отношении случаям неравномерного движения воды в открытых руслах относятся явления подпора, спада, гидравлического прыжка.
Кривая подпора вызывается наличием в реках и каналах поперечных преград и сооружений (рис.16).
При движении воды в реке перегороженной плотиной уровень воды выше плотины поднимается над естественным горизонтом, глубина – h, и площадь живого сечения – ω по направлению потока возрастают, скорость падает. Свободная поверхность в продольном разрезе имеет вид кривой подпора. Например, для Воронежского водохранилища кривая подпора составляет около 35 км.
Кривая спада обуславливается резким увеличением уклона дна потока, или устройством перепада, быстротока или другими гидротехническими сооружениями (рис. 17).
Глубины и площадь живого сечения потока по мере приближения к перепаду убывают, а скорость возрастает.
Гидравлический прыжок возникает в нижнем бьефе гидротехнических сооружений и представляет собой резкий переход потока от малых глубин к большим на коротком расстоянии. Он образуется ниже плотин, водоспусков, перепадов, быстротоков, при истечении воды из под щита (рис. 18).
При изучении неравномерного движения часто встречаются понятия:
- призматическое и непризматическое русло,
- прямой и обратный уклон,
- критический уклон,
- нормальная глубина потока – ho,
- критическая глубина потока – hк.
Призматическое русло, у которого форма поперечного сечения по длине потока не изменяется, а площадь живого сечения (ω) зависит только от глубины потока (h) т. е. ω = f (h).
Непризматическое русло, у которого форма поперечного сечения по длине потока изменяется, а площадь живого сечения (ω) зависит от глубины потока (h) и формы русла.
В теории неравномерного движения чаще всего рассматриваются призматические русла, так как способы расчета значительно упрощаются.
Искусственные каналы чаще всего являются призматическими.
Естественные русла – не призматическими.
В зависимости от уклонов дна в условиях неравномерного движения различают русла (рис. 19):
- Русло с прямым уклоном дна i > 0, у которых падение дна совпадает с направлением движения потока.
- Русло с горизонтальным дном i = 0.
- Русло с обратным уклоном дна i < 0 - падение дна противоположно направлению движения потока.
Наиболее распространенным случаем является (1) русло с прямым уклоном дна.
Нормальная глубина. Нормальной глубиной потока в открытых руслах называют глубину (hо), при которой поток будет пропускать заданный расход (Q) в условиях равномерного движения.
При нормальной глубине гидравлический уклон (J) равен уклону дна (i) J=i. В этом случае расход можно определить по основной формуле равномерного движения
где ωo Co √Ro =К0, К0 – модуль расхода, следовательно, Q=К0√i
Равномерное движение в открытых руслах может иметь место только при прямом уклоне дна i > 0.
Другие понятия неравномерного движения - критическая глубина, критический уклон, спокойное и бурное состояние потока будут рассмотрены после рассмотрения понятия об удельной энергии сечения.
По материалам: Андрющенко П. Ф. Гидротехнические сооружения в садовопарковом и ландшафтном строительстве
