4. Выявление форм кривых свободной поверхности потока на участках канала
При анализе форм движения потока воды на участках рассматриваемого канала важную роль играет образованное в непосредственной близости от щита сжатое сечение с–с с глубиной hc.В сжатом сечении наблюдается наибольшая скорость течения и поток имеет наибольшую удельную кинетическую энергию, расходуемую затем на преодоление гидравлических сопротивлений по длине на участках канала.
Расстояние от щита до сжатого сечения (равно примерно высоте отверстия) обычно невелико по сравнению с длиной горизонтального участка. Поэтому в дальнейшем принимаем длину L1 горизонтального участка, равной расстоянию от сжатого сечения с глубиной hс до перелома дна канала с глубиной hпер.
Оказывается, при заданных условиях, когда для расчетных значений глубин hкр, h02, hс выполняются соотношения hс < h02< hкр, формы свободной поверхности потока на обоих участках канала и наличие или отсутствие гидравлического прыжка самым существенным образом зависят от длины горизонтального участка, что усматривается на рисунках 1 – 6.
Как частный случай истечения из прямоугольного отверстия (истечения из-под щита) в канал с двумя участками на рисунке 1 представлен случай, когда горизонтальный участок имеет нулевую длину. Здесь сразу за сжатым сечением в пределах наклонного участка устанавливается кривая подпора с2, в низовой части асимптотически приближающаяся (снизу) к линии нормальных глубин N-N. Отметим что, на наклонном участке канала движение жидкости осуществляется за счет кинетической энергии, запасенной в сжатом сечении, и работы силы тяжести жидкости.
Введем в рассмотрение критическую длину Lкр горизонтального участка, которую будем определять по формуле (3.4)
при h1 = hc, h2 = hкр. Далее проведем анализ возможных форм движения потока на участках канала уже в зависимости от условий L1 ≤ Lкр. и L1 Lкр,
На каждом из рисунков 2,3,4,5 представлена схема канала с “укороченным” горизонтальным участком, когда L1 ≤ Lкр и запас кинетической энергии в сжатом сечении оказывается достаточным для пребывания потока в бурном состоянии (при глубинах h ≤ hкр) на всем протяжении канала без образования гидравлического прыжка. В каждом из этих случаев, начиная от сжатого сечения вниз по течению, устанавливается кривая подпора