1. Безнапорное движение жидкости. Особенности гидравлики безнапорных потоков

12.5. Водосливы с широким порогом

Для того, чтобы на водосливе с широким порогом движение жидкости хотя бы на части горизонтальной поверхности порога было плавно изменяющимся, необходимо, как показывает опыт, чтобы толщина порога была не менее чем . При меньшей толщине порога условие плавной изменяемости нигде не будет соблюдаться, и характер истечения будет соответствовать водосливу практического профиля прямоугольного очертания.

На неподтопленном водосливе с широким порогом в зависимости от ширины порога могут устанавливаться следующие режимы протекания потока.
При глубина потока на пороге непрерывно понижается (рис. 12.14.а).

Рис. 12.14
При на пороге устанавливается примерно параллельноструйное движение с глубиной меньше критической: (рис. 12.14.б). При на условия протекания начинают влиять силы трения, пропускная способность водослива становится зависимой от потерь энергии по длине и водослив следует рассматривать как короткий канал. В этом случае на пороге в его начале устанавливается сжатая глубина , затем поток путем волнистого гидравлического прыжка переходит через критическую глубину и далее течет в спокойном режиме (рис. 12.14.в).
При течении по поверхности водослива с широким порогом возникают два перепада свободной поверхности: z_в на входе на порог и z_н на сходе с порога (рис. 12.15).

Рис. 12.15

Первый перепад (на входе) возникает потому, что безнапорное спокойное движение воды в верхнем бьефе встречает местное сопротивление: сжатие потока, уменьшение живого сечения. Происходит увеличение скорости потока в месте сжатия, увеличение кинетической и уменьшение потенциальной энергии и обусловленное снижением потенциальной энергии снижение свободной поверхности в месте сжатия. В конце широкого порога при отсутствии подтопления поток сходит с порога водопадом. Так как потерей напора по длине вдоль порога водослива пренебрегают, свободную поверхность потока в пределах гребня водослива считают горизонтальной с постоянной глубиной, т. е. (рис. 12.15)

.
Длина начального участка на пороге водослива, за которым устанавливается параллельноструйное течение, как показывает опыт, равна . Конец горизонтального участка свободной поверхности отстоит от конца порога на расстояние .
Для расчета водослива с широким порогом применим уравнение Бернулли для сечений 0–0 (перед водосливом) и 1–1 (начало горизонтального участка), в качестве плоскости сравнения примем плоскость AB, проведенную через верхнюю грань водослива (рис. 12.15). Потери напора на местном сопротивлении – входе на водослив – выразим как
,
где – скорость на пороге водослива (в любом сечении на горизонтальном участке между сечениями 1–1 и 2–2);
– коэффициент сопротивления входа на водослив.
Уравнение Бернулли запишется следующим образом:
.
Полагаем . Коэффициент сопротивления выразим через коэффициент скорости φ по известной формуле
.
Получим
.
Здесь – полный напор на водосливе.
Для прямоугольного водослива величину расхода Q можно записать через скорость на водосливе
.
Тогда

.

(12.4)

Полученную формулу расхода можно преобразовать к виду, общему с видом формулы для расхода водосливов с тонкой стенкой и практического профиля (12.3). Выполним некоторые преобразования. Умножим и разделим выражение на :
.
Здесь введено обозначение . Подставим полученное выражение в формулу (12.4) и получим
.
Назовем величину

коэффициентом расхода через водослив с широким порогом. Тогда окончательно получим
,
т. е. формулу расхода, по форме совпадающую с формулами для водосливов с тонкой стенкой и практического профиля.
Исходя из опытных данных, принимают следующие значения коэффициента расхода для водослива с широким порогом:

• 
  при закругленном входном ребре m = 0,36;
  
• 
  при незакругленном входном ребре m = 0,32.
  

Как видно из этих величин, водослив с широким порогом дает наименьшие значения коэффициента расхода среди всех типов водосливов.
Водослив с широким порогом становится затопленным тогда, когда уровень нижнего бьефа начинает подтапливать первый перепад на входе водослива. Однако режим затопленного течения на водосливе устанавливается не сразу. Вначале происходит увеличение глубины на нижнем конце порога, причем между нижним сечением и сжатым сечением струи в начале порога образуется прыжок воды (рис. 12.16.а).

Рис. 12.16

По мере повышения уровня нижнего бьефа прыжок все больше приближается к сжатому сечению. Только когда повышение уровня достигнет сжатого сечения, расход через водослив начнет уменьшаться. Схема затопленного водослива с широким порогом показана на рис. 12.16.б. Согласно опытным данным А. Р. Березинского, затопление водослива с широким порогом происходит тогда, когда начинает выполняться условие – это и есть условие затопления.

Расход через затопленный водослив с широким порогом рассчитывается с учетом коэффициента подтопления по уже знакомой нам формуле
.
Значения коэффициента подтопления можно принимать в зависимости от отношения по таблице, составленной А. Р. Березинским на основании опытных данных:

	0,80	0,82	0,84	0,86	0,88	0,90	0,92	0,94	0,96	0,98
	1,00	0,99	0,97	0,95	0,90	0,84	0,78	0,70	0,59	0,40