измеряло весь диапазон расходов того водотока, на котором устанавливается расходомер;
создавало в водотоке возможно меньший подпор и уж во всяком случае, чтобы максимальный уровень в верхнем бьефе не превышал заданной отметки.

        Первое из этих требований не нуждается в комментариях, а на втором следует остановиться подробнее. Строительство любого водослива неизбежно сопровождается подъемом перед ним уровней воды по сравнению с бытовыми уровнями, соответствующими тем же расходам до возведения сооружения. Этот подъем приводит к образованию в верхнем бьефе расходомера некоторого бассейна, своеобразного водохранилища, обладающего свойством трансформировать сток. Следовательно, при неустановившемся режиме потока (подъем и спад паводка) водослив будет измерять не естественные расходы воды, характерные Для данного створа, а искаженные регулирующим объемом водохранилища, т. е. мы получим трансформированный гидрограф стока, хотя общий его объем будет определен правильно.
        В гидрологии разработаны различные способы так называемого восстановления естественного стока, но эта работа достаточно трудоемкая, поэтому желательно, чтобы расходомеры сразу давали минимально искаженный гидрограф. Степень трансформации стока водохранилищем зависит от объема водохранилища, который, в свою очередь, определяется формой поперечного сечения русла, его продольным уклоном и глубиной воды в створе сооружения. Из перечисленных факторов наиболее легко поддается регулированию только последний, поэтому и стремятся по возможности уменьшать максимальный подпор, создаваемый водосливами. Иногда предельная отметка уровня высоких вод в верхнем бьефе может быть жестко лимитирована теми или иными соображениями, например, недопустимостью подтопления какого-нибудь объекта, угрозой выхода воды за пределы русла или водосбора и т. п.
        Расчет высотного положения водослива и размеров водопропускного отверстия производят по значениям максимального (Qмакс) и минимального (Qмин) расходов (подробнее о величине Qмакс см. в п. 7.2); максимальной бытовой глубине в створе водослива (hб), которая является и максимальной глубиной нижнего бьефа сооружения (t), если за ним не производились расчистка и углубление русла; по профилю поперечного сечения русла и информации о возможности придания подходному участку прямоугольной формы; по наличию ограничений на максимальную отметку уровня или глубину в верхнем бьефе (hв.макс).
        Расчет начинают с вычисления числа Фруда для створа сооружения (3.2) и выяснения возможности использования водослива с тонкой стенкой по критерию турбулентности потока. Если критерий выдерживается, т. е. Fr < 0,6, то переходят к выбору формы выреза водослива. Для этого, используя формулы или расчетные таблицы пропускной способности различных водосливов, по значению Qмакс определяют, какой водослив может пропустить это расход при допустимом значении напора, т. е. не превышающем 1 м. Затем проверяют, будет ли на гребне этого водослива напор более 5 см при пропуске Qмин.
        Для выбранного таким образом водослива устанавливают значение высоты водосливной стенки р, которая и характеризует высотное положение расходомера. Это делается по двум критериям. Во-первых, высота стенки не может быть меньше, чем регламентированная нормами для водослива с соответствующей формой выреза. Напомним, что для прямоугольного и треугольного водослива она составляет 20 см. Во-вторых, тонкостенный водослив должен работать в режиме неподтопленного истечения. Отсюда» согласно (3.1), высота стенки находится по выражению

р = t + 10,

(3.3)

здесь р и t в сантиметрах.
        Далее, используя найденное значение р и ориентируясь на форму поперечного сечения подходного участка, уточняют значения максимального (Qмакс) и минимального (Qмин) напоров; проверяют соблюдение установленных для данного водослива соотношений между его параметрами (H/р и т. д.) и, наконец, проверяют, не превысит ли горизонт воды в верхнем бьефе установленного ограничения (если оно было задано).
        При выполнении всех перечисленных условий размеры и высотное положение водослива считаются определенными. Если какое-то условие не выполняется, то надо попытаться подобрать водослив с другой формой выреза, например, вместо треугольного трапецеидальный. Однако и он может оказаться неприемлемым. Тогда придется отказаться от применения водослива с тонкой стенкой и перейти к изучению возможности установки расходомера другого типа (лотка, водослива практического профиля и др.).
        В заключение подчеркнем, что если водослив с тонкой стенкой удалось подобрать, то при разработке его конструкции высоту выреза водослива (от гребня вверх) надо принимать равной не максимальному расчетному напору для данного сооружения Qмакс, а с запасом не менее 20 см. В целом высота выреза должна обеспечить прохождение через сооружение форсированного (поверочного) расхода (см. п. 7.2). В диапазоне от основного расчетного расхода Qмакс до поверочного водослив может водомерными свойствами не обладать, но при прохождении последнего целостность всех частей сооружения должна сохраняться.
        Пример 1. Подобрать размеры и определить высотное положение тонкостенного водослива для водотока, имеющего примерно трапецеидальную форму поперечного сечения с шириной по основанию 3,5 м и средней отметкой дна в створе сооружения 62,0 м усл. Максимальный и минимальный расходы соответственно равны 2,1 и 0,05 м3/с, отметка наивысшего бытового уровня воды 62,8 м усл., отметка подпорного уровня в верхнем бьефе не может быть более 63,6 м усл. в связи с угрозой подтопления сбросного канала осушительной системы; канализирование, углубление и расчистка русла производиться не будут.
        На основе поперечного профиля устанавливаем, что максимальному бытовому уровню соответствует площадь сечения потока

= 3,6 м2. В этих условиях число Фруда будет

Fr = 2,1/3,6

= 0,2,

т. е. меньше 0,6. Значит, в рассматриваемом створе критерий кинематичности не препятствует установке водослива с тонкой стенкой.
Попробуем взять водослив с треугольной формой выреза и углом при вершине 90

. Однако из табл. 2 приложения 1 видим, что этот водослив может измерить расход не более 1,36 м3/с, а у нас Qмакс = 2,1 м3/с, поэтому данный расходомер нам не подходит.Тогда берем водослив с углом выреза 120

. По табл. 3 приложения 1 выясняем, что он может измерить заданные нам макс и Qмин при напорах соответственно 0,94 и 0,212 м. Отметка гребня этого водослива, согласно (3.3), будет

Гр= 62,8 + 0,1 = 62,9 м усл.; высота водосливной стенки р = 62,9—62,0 = 0,9 м получилась, как и необходимо, больше минимально допустимой (рис. 3.7 а). Отметка наивысшего подпорного уровня в верхнем бьефе составит

НПУ =

Гр + Qмакс = 62,9+0,94 =63,84 м усл., что превышает допустимую по исходным данным. По этой причине от водослива с углом выреза 120

также придется отказаться и перейти к подбору водослива, пропускающему максимальный расход при меньшем напоре.

Рис. 3.7. Схемы к примеру расчета водослива с тонкой стенкой.

Отметку гребня водослива заново определять не надо, так как она не зависит от формы и размеров выреза. Будем выбирать водослив, исходя из того, что напор на его гребне не должен превышать Н = 63,6—62,9 = 0,7 м. Попробуем взять водослив с трапецеидальной формой выреза (рис. 3.76), так называемый водослив Чиполетти, у которого tga = 0,25. Зададимся значением Hмакс = 0,6 м (для гарантии успеха немного меньше, чем требуемые 0,7 м). По табл. 4 приложения I определяем, что при указанном Hмакс и ширине основания выреза 1 м водослив пропустит расход 0,975 мз/c. Для пропуска нашего Qмакс ширина выреза должна быть b = 2,1/0,975 = 2,15 м. Теперь надо определить, сможет ли измерить такой водослив наш Qмин. С этой целью, а также и для последующей эксплуатации расходомера построим кривую Q = f (Н). Сделаем это, задаваясь значениями Н через 1 см и определяя для соответствующих напоров значения Q по формуле Q = qb, где q—удельный расход из табл. 4 приложения 1. Нижняя часть построенной таким образом кривой представлена на рис. 3.8. По ней определяем, что минимальный расход 0,05 м3/c пройдет с напором 0,054 м, т. е. выше минимально допустимого. Наконец, проверим соотношения между параметрами расходомера, которые для водослива Чиполетти должны быть такими: 0,1 b

Hмакс

b/3;b

В — 2 Hмакс и р

0,3 м. У нас первое из этих соотношений имеет значения 0,215

0,65

0,72, второе 2,15

(3,5—2 ? 0,65), а третье р = 0,9 м. Таким образом, все условия выполнены и водослив считается подобранным.

Рис. 3.8. Кривая Q= f (H) к примеру расчета водослива с тонкой стенкой с трапецеидальной формой выреза.

Расчет сопряжения бьефов и крепления дна за водосливной стенкой. В основе этих расчетов лежат понятия, подробно изучаемые в курсе гидравлики. К ним относятся: сопряжение бьефов, взаимные глубины в прыжке, бурное и спокойное состояние потока, критическая глубина, критический уклон, глубина в сжатом сечении.
Итак, струя, ниспадающая с водослива, может иметь различные формы сопряжения с нижним бьефом, которые зависят от соотношения между гидравлическими элементами потока до и после сооружения. Если естественные (бытовые) условия потока в отводящем русле отвечают спокойному состоянию (наиболее характерный случай), т. е. t > hк, где t и hк соответственно бытовая и критическая глубины, то сопряжение происходит по одной из трех форм. При

> t (h"—большая взаимная глубина) получаем сопряжение по типу струи с отогнанным прыжком (рис. 3.9 а); при

= t форма сопряжения называется критической (рис. 3.9 б), а при

< t полученную форму называют сопряжением по типу покрытой струи или по типу (рис. 3.9 в).

Рис. 3.9. Схемы сопряжения бьефов.
а — отогнанный прыжок; б — критическая форма сопряжения; в — затопленный прыжок.

Наиболее неблагоприятной с гидротехнической точки зрения является первая форма сопряжения. Действительно, в пределах кривой подпора с1 поток, находясь в бурном состоянии, обладает большими скоростями и, следовательно, на этом участке, длина которого иногда может быть весьма значительной, требуется прочное крепление русла. При третьей форме скорости течения значительно меньше, и хотя они непосредственно за водосливом все же превышают бытовые скорости, но на сравнительно коротком участке. Вторая форма по своим достоинствам и недостаткам занимает промежуточное положение.
Следовательно, при проектировании водослива возникает необходимость решения таких двух вопросов: 1) какова будет форма сопряжения бьефов; 2) как укрепить русло в нижнем бьефе сооружения. Общий ход расчетов по выяснению формы сопряжения бьефов следующий. Проверяем, действительно Устройство крепления нижнего бьефа расходомера. Как правило, это крепление состоит из двух частей:

водобоя — жесткого покрытия русла непосредственно за водосливной стенкой, выполняемого из того же материала (бетона, дерева), из которого делается несущая конструкция сооружения;
рисбермы — располагаемой за водобоем и представляющей собой так называемое гибкое покрытие, состоящее из каменной наброски или других средств, защищающих русло от размыва (фашин, габионов и др.).

Если гидравлический прыжок затоплен или имеет место критическая форма сопряжения бьефов, то длина водобоя lВ определяется так (рис. 3.13):

lВ =l1+ l2,

(3.5)

где l1 — расстояние от напорной грани до сжатого сечения; l2 — длина прыжка.

Рис. 3.13. Схема к расчету длины крепления нижнего бьефа водослива.

Эти величины рекомендуется находить по следующим формулам (расчет ведется для случая пропуска сооружением максимального расхода):

l1 = 0,3H + 1,25

l2 = (5,2

5,5) t.

Впрочем, нужно иметь в виду, что в работах по гидравлике для определения l2 предлагается еще несколько других формул.
Длину рисбермы в первом приближении иногда назначают равной

lp = (l,0

2,0) lВ.

Более обоснованным является устройство рисбермы в пределах так называемого послепрыжкового участка, протяженность которого можно определить, например, по такой формуле

lп.п = (13,0

15,6) t.

Материал для устройства рисбермы выбирают исходя из ожидаемых средних скоростей течения в нижнем бьефе сооружения при пропуске максимальных расходов воды. Значение скорости находят по формуле v = Qмакс/?, а площадь со определяют по поперечному профилю отводящего участка в начале рисбермы. Допустимые значения скоростей для различных грунтов и креплений приведены в табл. 3.1. Следует иметь в виду, что сочетание скоростей течения и устойчивость естественного русла размыву могут оказаться настолько благоприятными, что устройство специального дополнительного крепления русла не потребуется, т. е. сооружение можно строить без рисбермы.

Таблица 3.1.

Значения допускаемых неразмывающих средних скоростей течения для грунтов и креплений, м/с

Наименование грунтов или типов креплений	Средняя глубина потока, м
Наименование грунтов или типов креплений	0.4	1	2	3 и более
Малоплотные глины и суглинки	0.33	0.40	0.46	0.50
Среднеплотные глины и суглинки	0.7	0.85	0.95	1.1
Плотные глины и суглинки	1.0	1.2	1.4	1.5
Лёссовые грунты средней плотности (непросадочные)	0.6	0.7	0.8	0.85
Дерн плашмя	0.6	0.8	0.9	1.0
Дерн свежий в стенку	1.5	1.8	2.0	2.2
Свежие хворостяные покрытия и хворостяные крепления	1.8	2.2	2.5	2.7
Одиночная мостовая из булыжника размером около 20 см	2.5-2.9	3.0-3.5	3.5-4	3.8-4.3
Двойная мостовая из та кого же булыжника	3.1-3.6	3.7-4.3	4.3-5.0	4.6-5.4
Габионные крепления	до 4.2	до 5.0	до 5.7	до 6.2
Бутовая кладка из сла бой породы на цемент ном растворе	2.9	3.5	4.0	4.4
Тоже из средней породы	5.8	7.0	8.1	8.7
Деревянные лотки	до 25	.	.	.

Если расчет сопряжения бьефов указывает на образование в нижнем бьефе сооружения незатопленного гидравлического прыжка (

> t), то водобой, устраиваемый по изложенному выше принципу в виде ровной бетонной плиты или деревянного настила, получается очень протяженным, так как при определении его длины надо учитывать не только где l1 и l2 (см.
        Расчет размеров противофильтрационных устройств и давлений на сооружение фильтрующейся воды (гидротехнический расчет). Рассматриваемый расчет выполняют после принятия решения о типе несущей конструкции водослива, т. е. будет ли сооружение строиться бетонным (железобетонным) или деревянным (см. рис. 3.4, 3.5). Это позволяет конкретизировать схему подземного контура расходомера и наметить наиболее подходящие для нее противофильтрационные элементы. Так, если сооружение планируется в дереве, то оно практически всегда должно иметь шпунт, который нужен не только для борьбы с фильтрацией, но и как элемент, удерживающий водосливной щит. В бетонных сооружениях шпунт для этого не требуется, поэтому и в качестве противофильтрационных устройств здесь, чаще используются понуры, как более простые и дешевые, но, в принципе, не исключено и применение шпунтов.
        Необходимая минимальная длина подземного контура сооружения, т. е. путь, вдоль которого происходит фильтрация воды, определяется по соображениям исключения возникновения суффозии, т. е. выноса частичек грунта основания фильтрующейся водой. При этом очевидно, что под подземным контуром понимается не просто очертание всех подземных частей сооружения, а непосредственная линия контакта только водонепроницаемых элементов конструкции с грунтами основания. В первом же месте в нижнем бьефе сооружения, где нарушается водонепроницаемость его частей, заканчиваются и подземный контур, и фильтрация воды.
        Гидротехниками, имеющими дело с большими напорами и сложными по форме подземными контурами плотин, разработаны различные по точности получаемых результатов и по трудоемкости методы расчета фильтрации и необходимой длины подземного контура гидротехнических сооружений. Для расчета подземного контура водосливов, являющихся наиболее простой по конструкции и размерам разновидностью водоподпорных гидротехнических сооружений, приемлемые результаты дает так называемый метод линейной контурной фильтрации (метод Блая, усовершенствованный Леном). Согласно этому методу приведенная длина подземного контура Lпp, при которой отсутствует суффозия, должна быть не менее

= С0 Z

(3.7)

где Z – наибольший напор на сооружении; С0 – коэффициент, зависящий от вида грунта; определяемый по табл. 3.2.

Таблица 3.2.

Значения коэффициентов С0 для различных грунтов основания

Грунт	С0	Iср = 1/С0
Песок очень мелкий, ил	8.5	0.12
Песок мелкий	7.0	0.14
Песок средней крупности	6.0	0.17
Песок крупный	5.0	0.20
Гравий мелкий	4.0	0.25
Гравий средней крупности	3.5	0.29
Гравий крупный с галькой	3.0	0.33
Глина мягкая	3.0	0.33
Валуны с галькой и гравием	2.5	0.40
Глина средней плотности	2.0	0.50
Глина плотная	1.8	0.55
Глина очень плотная	1.6	0.67

Переход от приведенной длины контура к реальной и обратно осуществляется на основании выражения

Lпp =

lв + 1/2

lг

(3.8)

где

lв — сумма длин вертикальных участков подземного контура или участков, наклоненных к горизонту под углом более 45

;

lг — то же горизонтальных участков или участков, наклоненных под углом менее 45

.
При подсчете Lпp по формуле (3.8) реальная длина горизонтальных участков уменьшается в 2 раза в связи с тем, что эти участки оказывают примерно вдвое меньшее сопротивление фильтрующейся воде, чем участки вертикальные. Расчет длины подземного контура по рассмотренному методу производится следующим образом. После определения размеров и высотного положения водослива, выбора схемы несущей конструкции и выяснения характера сопряжения бьефов по формулам (3.7) и (3.8) вычисляем

и Lпp. Если окажется, что Lпp

, то никакие дополнительные противофильтрационные элементы не требуются. Если же Lпp <

, то подземный контур требуется удлинить, введя в него противофильтрационные элементы таких размеров, чтобы получить Lпp Lпp

. При этом, с позиций борьбы с фильтрацией, безразлично за счет каких элементов, т. е. шпунтов или понура будет произведено указанное удлинение. В каждом конкретном случае предпочтение отдают тому элементу, который легче и дешевле выполнить.
Пример 2. Спроектировать подземный контур водослива с тонкой стенкой, строительство которого намечено осуществлять в деревянной несущей конструкции. Глубина забивки шпунтовой стенки не может быть более 2 м в связи с тем, что ниже имеются валуны. Грунт в створе строительства—песок мелкий (С0= 7).
Схема проектируемого сооружения со всеми необходимыми для гидротехнического расчета размерами изображена на рис. 3.15. Подземный контур здесь пока представлен только шпунтом. Пронумеруем точки перегиба подземного контура цифрами, ставя их на концах участков.

Рис. 3.15. Схема к примеру расчета длины подземного контура водослива.

У нас всего два участка (две стороны шпунтовой стенки): (1—2) и (2—3), каждый длиной по 2 м. По формуле (3.8) найдем Lпp = lв = 4 м. Определяем

= С0, Z = 7.0 · 0.85 = 5.95 м. Так как Lпp <

, то имеющегося шпунта недостаточно для предотвращения суффозии и подземный контур надо удлинить. Сделаем это за счет строительства глиняного понура. Зададим ему такие размеры (рис. 3.16), чтобы получить Lпp

5,95 м. Подсчет длины нового подземного контура удобно делать по табл. 3.3. Итак, мы получили Lпp = 5,95 м, что удовлетворяет условиям задачи.

Рис. 3.16. Схема к примеру расчета размеров противофильтрационных элементов.