Вырез водослива может иметь полигональную или криволинейную форму (рис. 3.2). К полигональным водосливам относятся прямоугольные, треугольные и трапецеидальные (суживающиеся книзу или кверху), а к криволинейным — параболические, радиальные и пропорциональные.

Рис. 3.2. Формы вырезов водосливов с тонкой стенкой.
а — прямоугольный; б — треугольный; в, г — трапецеидальные; д — параболический; е — радиальный; ж — пропорциональный.

Пропорциональным называется водослив, характеризующийся линейной зависимостью между напором и расходом воды. Таким, кроме водослива, изображенного на рис. 3.2 ж, является и водослив на рис. 3.2 г. Водосливы с тонкой стенкой с треугольной и прямоугольной формой выреза обладают наиболее высокой точностью по сравнению со всеми другими гидрологическими расходомерами.
При строительстве водослива отверстие необходимой формы всегда делается в металлическом щите, который затем крепится в деревянной или железобетонной несущей конструкции сооружения. В зависимости от размеров щита для его изготовления используется металл (сталь или латунь) толщиной 3—5 мм. Кромку водосливного отверстия (ребро) обрабатывают в соответствии со схемой, показанной на рис. 3.3 а.

Рис. 3.3. Кромка водосливного щита (а) и схемы течения воды через нее (б, в).

Для использования в гидрометрических целях любой водослив с тонкой стенкой должен работать в режиме свободного неподтопленного истечения, что достигается при выполнении двух условий: а) в пространство под струю с боков обеспечен свободный доступ воздуха; б) уровень воды нижнего бьефа непосредственно за водосливной стенкой (рис. 3.3 б) располагается ниже гребня водослива по крайней мере на 0,1 м

а > 0,1 м.

(3.1)

Струя воды, переливающаяся через водослив, должна падать свободно, не прилипая к щиту со стороны нижнего бьефа (рис. 3.3 в), так как в противном случае коэффициент расхода во» Дослива оказывается неустойчивым и водомерные свойства сооружения резко ухудшаются. Во избежание прилипания струи минимальный напор на гребне водослива не должен быть менее 5 см; кроме того необходимо следить за состоянием поверхности щита, которая должна быть гладкой, что достигается окрашиванием ее масляной краской. Это имеет и другую цель — предохранить металл от ржавления (латунные щиты не красят).
Также по причине отрицательного влияния на стабильность коэффициента расхода недопустим бурный пульсирующий подход воды к водосливу. Как известно из гидравлики, основным критерием, определяющим границы спокойного и бурного течения, является число Фруда:

(3.2)

где (* - площадь поперечного сечения подводящего участка; hб— бытовая глубина в потоке (до установки водослива). Водосливы с тонкой стенкой рекомендуется устанавливать в потоках, где Fr

0,6.
Равномерному распределению скоростей по живому сечению потока перед водосливом способствует характер подходного участка, который должен быть прямолинейным по крайней мере на расстоянии (7—10)В, где В — ширина подходного участка по дну. Место измерения напора на гребне водослива должно находиться в верхнем бьефе на расстоянии не меньшем чем 3Hмакс от водосливной стенки, т. е. в створе, где еще не начинается заметного спада свободной поверхности (рис. 3.1 а)

lв

3Hмакс

        Практика рекомендует иметь скорости течения в этом створе при прохождении наибольших расходов не выше 0,5 м/с.
        Однако, как бы медленно и плавно вода не подходила к водосливному щиту, переливается она через него струёй, кинетическая энергия которой может быть достаточна для размыва дна не только непосредственно за сооружением, но и на некотором расстоянии вниз по течению от расходомера, что небезопасно для его устойчивости. Поэтому русло водотока за водосливной стенкой должно быть тем или иным способом защищено от размыва. Специальные гидравлические расчеты (см. п. 3.2.2) позволяют определить скорости течения за расходомером и в зависимости от их значений принять меры по креплению русла. В простейшем случае для этого может быть достаточно каменной наброски, но нередко возникает необходимость строительства таких элементов, как водобойный колодец.
        Водосливы относятся к напорным сооружениям, так как имеют разные уровни воды в верхнем и нижнем бьефах (бьеф - часть водотока, примыкающая к верхней или нижней по течению части сооружения). Под действием на водослив напора Z (рис. 3.1 а), равного разности уровней воды до и после стенки (не путать с напором на гребне водослива) в грунтах основания сооружения и в обход его в берегах возникает фильтрация, т. е. утечка воды, которая недопустима по трем соображениям:

фильтрующаяся вода минует водосливное отверстие, поэтому расходомер не полностью учитывает сток водотока;
фильтрационный поток оказывает дополнительное гидродинамическое давление на сооружение, уменьшая его устойчивость;
фильтрующаяся вода может выносить с собой частички грунта из-под сооружения, разрушая его основание (этот процесс называется суффозия), что грозит аварией расходомера.

Поэтому в конструкции водослива необходимо иметь устройства, препятствующие возникновению фильтрации или по крайней мере снижающие ее до безопасного уровня. Основным приемом борьбы с фильтрацией является удлинение ее путей, или, как говорят гидротехники, развитие подземного контура сооружения, который может развиваться в горизонтальном и вертикальном направлениях. В первом случае это достигается путем устройства понура, представляющего собой водонепроницаемое покрытие (из бетона, глины и т. п.) дна водотока перед сооружением. Во втором случае в дно поперек русла забивают специальные деревянные доски, образующие водонепроницаемую шпунтовую стенку, или устраивают бетонные зубья, которые располагают так же, как и шпунты, но они имеют меньшую глубину.
На одном сооружении можно устанавливать какой-то один тип противофильтрационного устройства, но можно и совмещать их типы в различном сочетании. На рис. 3.4 и 3.5 показаны схемы водосливов в деревянной и железобетонной несущих конструкциях с разными противофильтрационными элементами. Их размеры определяют на основании расчетов, рассматриваемых в п. 3.2.2.

(a)

(б)

Рис. 3.4. Пример водослива с тонкой стенкой в деревянной несущей конструкции.

Рис. 3.5. Пример водослива с тонкой стенкой с прямоугольной формой выреза в железобетонной несущей конструкции.

        Точность измерения расходов воды водосливами обеспечивается не только выполнением указанных выше требований, но еще и соблюдением заданных соотношений между различными параметрами конструкции, например, между высотой водосливной стенки р и напором на гребне Н (см. рис. 3.1) и др. Роль этих соотношений заключается в том, что от их значения зависит коэффициент расхода водослива, а его правильное определение непосредственно влияет на точность вычисления расхода воды.
        Рекомендуемые диапазоны размеров рассматриваемых параметров и их соотношений имеются в различной нормативной литературе по расходомерам, в частности в [3]. Однако нужно иметь в виду, что эти рекомендации получены на основе лабораторных опытов, проводившихся всегда в лотках прямоугольного сечения, где идеальные условия подхода воды к щиту как раз и обеспечивали сравнительно высокую стабильность коэффициента расхода. Для воспроизведения таких же условий на естественных водотоках потребовалось бы превращение участков русел перед водосливами в каналы с вертикальными стенками, что в большинстве случаев обходилось бы дороже строительства собственно расходомеров. Поэтому в полевых условиях чаще всего приходится устанавливать водосливы в руслах с естественной формой поперечного сечения, расплачиваясь за это снижением точности определения расхода воды.
        Ниже для примера приводятся требования к параметрам водосливов с двумя различными формами выреза. Водослив с прямоугольной формой выреза (прямоугольный водослив). Различают прямоугольные водосливы без бокового сжатия, когда ширина выреза в равна ширине подходного участка В, и прямоугольные водосливы с боковым сжатием, когда ширина выреза меньше ширины участка (рис. 3.6). Первые, естественно, могут быть только в каналах (лотках) прямоугольного сечения. Вторые, в принципе, можно построить на водотоках и с другой формой поперечного сечения, что иногда и делается. Тогда в расчетах принимается некоторое среднее значение В, но точность измерения расходов в этом случае, как отмечалось выше, понижается.

Рис. 3.6. Схема водослива с тонкой стенкой с прямоугольной формой выреза с боковым сжатием.

Важнейшие параметры этих водосливов должны отвечать следующим условиям: минимальное расстояние от гребня водослива до дна подходного участка р—0,2 м; Н/р

2; b

0,15 м; b/В = 0,2

0,8; Hмакс

1,0 м, гребень водослива должен быть строго горизонтальным. Отклонение от горизонтальной плоскости допускается не более 0,5 мм на 1 м ширины отверстия водослива. Осевая плоскость отверстия водослива с боковым сжатием должна совпадать с осевой плоскостью подводящего канала. Расход воды, протекающий через прямоугольный водослив (Q м/с) определяют по формуле

Q = mb

H3/2

где m—коэффициент расхода; g —ускорение свободного падения, м/с2.
Значение коэффициента расхода зависит от H/p и b/В и может быть определено по формулам или таблицам, имеющимся в гидравлических справочниках [6] и руководствах по расходомерам [3]. Средняя квадратическая относительная погрешность (

%) этого коэффициента по лабораторным данным составляет 1 %.
При использовании указанных водосливов в условиях, близких к лабораторным, для повышения точности определения расхода воды в значения b и Н вводятся специальные поправки, значения которых даны в указанных выше работах. Если же расходомер построен и эксплуатируется с отклонениями от требуемых параметров, то введение таких поправок не имеет смысла. В этом случае необходима полевая натурная градуировка сооружения.
Водослив с треугольной формой выреза (треугольный водослив, см. рис. 3.26). В полевой гидрометрии получили распространение треугольные водосливы с углом 9 при вершине равным 45, 60, 90 и 120

. Отклонения действительного значения угла от расчетного не должны превышать 10

. Водослив следует установить в подходном канале прямоугольного сечения шириной В так, чтобы биссектриса центрального угла не отклонялась от вертикали более чем на 1

, а осевая плоскость водосливного отверстия совпадала с осевой плоскостью канала. Минимальное расстояние от гребня водослива до дна подходного участка р

0,2 м, максимальный напор на гребне водослива Hмакс

1,0м.
Значение расхода воды, протекающей через треугольный водослив, вычисляется по формуле

Q =

/2H5/2.

Коэффициент расхода m при установке водослива в канале прямоугольного сечения определяется по таблицам [3] в зависимости от

, H/p и р/В. В этом случае его средняя квадратическая относительная погрешность составляет 1 %.
При установке водослива в русле, имеющем поперечное сечение, отличное от прямоугольного, коэффициент расхода принимается постоянным, а расход воды через сооружение зависящим только от угла выреза

и напора Н. Как отмечалось выше, водомерные свойства водослива в этом случае ухудшаются.
В целях удобства определения расходов воды для водосливов с различным углом выреза составлены расчетные таблицы, в каждой из которых расход является только функцией напора. Некоторые из таких таблиц приведены в приложении 1.