Глубина воды на выходе из быстротока определяется из уравнения Б.А. Бахметьева

2. Глубина воды на выходе из быстротока определяется из уравнения Б.А. Бахметьева

 = h₂  - h₁ - (1 - j)[ j(h₂) - j(h₁)], (4.16)

где i₀ - уклон дна быстротока;

l - длина быстротока;

h₀ - нормальная глубина (при равномерном движении потока на быстротоке);

h_{1 =}  , h₂ =  - относительные глубины в начале и в конце быстротока;

j(h₁), j(h₂) - функции относительных глубин, определяемые по таблице 9.3 с 111 [6];

j =

- смоченный периметр.

3. Подбором, задаваясь рядом значений глубины потока на быстротоке, определяют нормальную глубину из условия равенства модуля расхода, вычисленного по зависимостям

k = (4.17)

k = wc (4.18)

Величина j определяется по средним значениям c, b_б и c в начале и в конце быстротока, принимая в первом приближении глубину в конце быстротока h₂  = h₀

 j = (4.19)

Гидравлический показатель русла х определяется из соотношения модулей расхода и глубин в начале и в конце быстротока

( , (4.20)

По таблице 9.3 [6] определяются значение функции j(h₁)

и все найденные величины подставляются в уравнение (4.16), решая подбором которое определяют значение функции j(h₂).

7. По найденному значению j(h₂) определяется относительная глубина h₂ и находится глубина воды в конце быстротока h_2.

8. Максимальная скорость в конце быстротока определяется по зависимости

V_max = , (4.21)

величина которой не должна превышать допустимого значения, равного 14...15м/с.

9.Глубина в конце быстротока принимается в качестве первой сопряженной (h_{2 =} h') и определяется вторая сопряженная глубина

(4.22)

Если , где h_нб -глубина воды в нижнем бьефе при пропуске расчетного паводкового расхода, (определяется по кривой связи Q = f(h), то гидравлический прыжок будет затоплен и не требуется устанавливать гасители кинетической энергии потока на водобое. Если , то для затопления гидравлического прыжка необходимо запроектировать гаситель кинетической энергии потока (водобойный колодец или стенку).

Глубина водобойного колодца определяется как

d_к = - Dz, (4.23)

где Dz - перепад, образующийся при выходе потока из колодца в НБ. На практике величиной Dz можно пренебречь, выполняя расчет с "запасом". Длина водобойного колодца, когда струя входит в колодец не отрываясь от сливной грани (без уступа), определяется по формуле

l_к = (0,75...1)l_{пp ,} (4.24)

а длина водобоя при отсутствии на нем гасителей кинетической энергии потока равна

l _в= (1...1,25)l_{пp ,} (4.25)

где l_пр - длина гидравлического прыжка

l_пр = 5( - h₂), (4.26)

 

 

На скальных грунтах при значительных скоростях в конце быстротока чаще всего применяются трамплины для отброса струи в НБ.

Быстроток с усиленной шероховатостью. В том случае, когда скорость потока на быстротоке превышает допустимую, а уменьшение его уклона нецелесообразно, устраивается быстроток с усиленной шероховатостью. Искусственная шероховатость выполняется в виде поперечных ребер, прямолинейных, ломаных или зигзагообразных, устраиваемых на дне, а иногда и на боковых стенках лотка быстротока.

Расчет ребристой донной шероховатости квадратного сечения (D´D) с расстояниями между осями ребер d = 8D и при i_кр < i₀<0,6 выполняется по методу О.М.Айвазяна. Расчет, ведется для условий равномерного движения по зависимостям:

1 -  = i₀ (4.27)

= 0,04 + 2,29i₀²  + Ki₀^0,1, (4.28)

 где Q - расчетный расход,

V- скорость потока на быстротоке;

D - высота ребер усиленной шероховатости;

i₀  - уклон дна быстротока;

w,c ,R - соответственно площадь живого сечения, смоченный

периметр и гидравлический радиус потока;

К - опытный коэффициент, зависящий от типа шероховатости (К = 0,88 - для прямолинейных ребер; К = 1,85- для зигзагообразных ребер).

Порядок расчета. Задаются значения скорости потока на быстротоке для условий его равномерного движения v = 6... 8 м/с. По формуле (4.27) находится глубина потока, а по (4.28) вычисляется высота ребер искусственной шероховатости.

Консольный перепад. В состав консольного перепада входят лоток быстротока и консольная часть, служащая для отброса

струи воды на безопасное расстояние с точки зрения подмыва сооружения (рис.4.2б). Чаще всего консоль располагается горизонтально, иногда ей придается обратный уклон от 0⁰ до 15⁰. Длина обычно 1...2 м. В зависимости от геологических условий и размеров консоли конструкция ее опор может быть свайной, стоечной или рамной. Подошва крайних опор назначается ниже дна воронки размыва.

Гидравлический расчет консольного перепада заключается в расчете быстротока, определении дальности полета струи и размеров воронки размыва.

Дальность полета струи при горизонтальной консоли

L₁ = 0,45jV, (4.29)

где j - коэффициент скорости;

h - глубина воды в конце консоли (принимается равной глубине, вычисленной в конце быстротока h₂);

V - скорость в конце быстротока;

р - высота падения струи.

В случае если консоль имеет обратный уклон, дальность полета струи

l₁ = j, (4.30)

где b - угол наклона консоли к горизонту.

Скорость входа падающей струи в воду воронки размыва

V₀ = , (4.31)

где V_x, V_y - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости входа в воронку размыва, м/с.

Горизонтальная составляющая определяется по формуле

 V_x = jV, (4.32)

 а вертикальная - по формуле

V_у = j. (4.33)

Угол наклона струи, входящей в воронку размыва, к горизонту

tga = V_у/V_х = . (4.34)

Длина растекания падающей струи в воронке размыва

L = 1,4qlg,  (4.35)

где q - удельный расход в месте падения струи в воду воронки размыва, м²/с; V_доп  - допустимая скорость для грунта в воронке размыва, м/c; К = 0,7...0,8 - коэффициент уменьшения допускаемой скорости.

 Наибольшая глубина воды в воронке размыва

t = АК_р = , (4.36)

где А - коэффициент аэрации;

К_р - коэффициент размыва.

Коэффициент аэрации в зависимости от глубины воды (h) и скорости (V) в конце консоли принимается по таблице 4.3.

Коэффициент аэрации А

Таблица 4.3

h,м	Значения А при V, м/c
	5	10	15	20	25
0,2	0,70	0,64	0,62	0,61	0,60
0,5	0,88	0,71	0,66	0,63	0,52
0,7	1	0,90	0,70	0,66	0,64

Коэффициент размыва в зависимости от рода грунта и угла наклона струи, входящей в воронку размыва, принимается по таблице 4.4.

 Коэффициент размыва К_р

Таблица 4.4.

Род грунта	Значения Кр при a0
	0	12	25	40	60	90
Очень слабые грунты (плывуны)	1,4	1,8	2,4	2,8	3,3	4,5
Прочие грунты и скала (после длительного размыва)	1,4	1,7	2,0	2,4	2,7	3,3

Глубина воронки размыва (от дна отводящего канала)

t₁ = t – h_НБ, (4.37)

4.2.4. Многоступенчатый перепад устраивается при значительных (более 0,25) уклонах местности по трассе водосброса. Многоступенчатый перепад представляет собой ряд ступеней из одинаковых по размерам колодцев, образованных продольными (боковыми) и поперечными (водобойными) стенками (рис.4.2а). Размеры колодцев и высоты водобойных стенок определяются на основании гидравлического расчета из условия полного гашения энергии потока.

Высота ступеней обычно назначается 2...4 м. Для лучшего гашения энергии потока дну колодца может придаваться обратный уклон.

На нескальных и полускальных грунтах продольные и. поперечные стенки отделяются от водобойной плиты вертикальными деформационными швами. Все швы оборудуются противофильтрационными уплотнениями. Толщина водобойной плиты и стенок определяется расчетам на устойчивость, предварительно назначая их в соответствии со следующими рекомендациями:

водобойная плита - 0, 5...1,0 м;

продольная стенка: поверху - 0,3...0,7 м;

понизу - 1...2 м;

 водобойная стенка: поверху - 0,5...0,7 м

понизу - 1,2...2,0 м.

В скальных породах водобойные плиты могут не устраиваться или может выполняться выравнивающая облицовка толщиной 0,3…0,4 м.

В многоступенчатых перепадах гидравлический расчет (определение длины ступени и высоты водобойной стенки) выполняется только для первой, второй и последней ступеней (размеры всех остальных ступеней принимаются такими же как, размеры второй ступени) в следующей последовательности:

Глубина на ступени в сжатом сечении (h₁) определяется подбором по формуле

Q = jh₁b (4.38)

и принимается в качестве первой сопряженной глубины

где Q - расчетный расход;

b - ширина перепада;

Р - высота ступени перепада;

Н₀  - напор на ступени с учетом скорости подхода определяется по (4.4)

j - коэффициент скорости, принимаемый в зависимости от высоты ступени по таблице 4.5

Таблица4.5

Р,м	1	2	3	4	5
j	0,97...0,96	0,95...0,91	0,91...0,88	0,88...0,86	0,86...0,85

Сопряженную с() глубину () находят по формуле (4.22)

Глубина воды над порогом водослива в начале следующей ступени (H₁) определяется как

H₁ = H₀ - , (4.39)

где H^3/2₀ =  (4.40)

здесь: V₀ =  - скорость подхода;

e = 0,97 - коэффициент бокового сжатия потока;

М = m = 1,62

Глубина водобойного колодца на ступене равна

d =  - H₁ (4.41)