Быстротоки
Быстроток представляет собой (рис. 8.36,а; 6.1, а) облицованный лотковый или трубчатый канал постоянной или переменной ширины с вертикальными, откосными или замкнутыми в своде криволинейными стенками и с уклоном дна больше критического. Значительный уклон обусловливает бурный или сверхбурный режим движения потока на быстротоке. Благодаря простой, технологичной и весьма экономичной конструкции быстротоки являются самыми распространенными сопрягающими сооружениями. Размеры поперечного сечения и уклон дна быстротока определяют гидравлическими расчетами в увязке с топографическими и геологическими условиями района их строительства [108, 126]. Вопросы управления бурными потоками, прогноза аэрации и возникновения катящихся волн на быстротоках рассмотрены в главах 4.1, 4.2 и в разделе 6, а оценки кавитационной обстановки и разработки противокавитационных мероприятий на элементах конструкций быстротоков — в главе 4.3.
Быстроток состоит из входного, транзитного и концевого участков (рис. 8.36). Входной участок чаще всего представляет собой открытый регулятор. Размеры пролетов этого регулятора определяются стремлением иметь небольшие затворы, оборудованные электрифицированными или ручными подъемниками. Для поддержания на верхнем участке канала заданных уровней входной участок быстротока может быть выполнен, как и в случае перепада, в виде щелевого водослива (рис. 8.37, а). Для устранения резкой неравномерности глубин при переходе потока из канала к быстротоку входной участок стремятся выполнить в плане в виде плавноочерченной конфу- зорной воронки. При неплавном входе (как отмечалось в гл. 4.2) на быстротоке возникают стоячие волны и косые прыжки, а также наблюдается отжим потока от стенок. Эти явления существенно ухудшают режим работы сооружения и условия работы бетонной облицовки его стенок, дна и водобойной (концевой) части.
Транзитный участок (водоскат, лоток) быстротока — наиболее длинная часть сооружения. При его трассировке стремятся к тому, чтобы он имел минимальную длину и уклон, соответствующий естественному уклону местности. Наименьший объем земляных работ бывает в тех случаях, когда ось трассы перпендикулярна горизонталям. Материал, из которого изготовлены дно и борта транзитного участки, должен соответствовать условиям течения потока с весьма большими скоростями (12...13 м/с и более). При значительных уклонах дна (более 0,15) и большой длине транзитного участка быстротоки выполняют с искусственной шероховатостью дна. Методы гидравлического расчета таких быстротоков обстоятельно рассмотрены в специальной литературе [108, 126 и др.].
Поперечное сечение транзитного участка может быть прямоугольным, трапецеидальным, треугольным, полигональным или другой сложной формы. По гидравлическим условиям работы лучшим считается прямоугольное, так как при других сечениях происходит концентрация струй на осевой части и увеличивается вероятность более интенсивного возникновения стоячих волн, образования боковой раскачки потока. С точки зрения возникновения катящихся волн наихудшими будут прямоугольное и трапецеидальное сечения, а треугольное, полигональное и другие сложных очертаний принадлежат к числу «безволновых» профилей поперечных сечений (гл. 6.2, рис. 6.7,а). По технологии строительства и расходу строительных материалов наиболее целесообразны трапецеидальные сечения. По длине лоток разрезают продольными и поперечными деформационными швами (рис. 8.36,6). Поперечные швы выполняют через 5...20 м в зависимости от конструкции боковых стенок (подпорных стенок, плит крепления откосов). Продольные швы отделяют плиты дна от подпорных стенок или плит крепления откосов. Основные требования к швам: водонепроницаемость; обеспечение независимой осадки соединяемых элементов и др. Некоторые швы можно выполнять и водопроницаемыми, но с обязательным устройством обратного фильтра под ними. Для снятия давления фильтрационного потока со дна и боковых стенок выполняют застенный дренаж с выводом его в лоток быстротока или в отводящий канал.
Толщина плиты дна быстротока из монолитного бетона составляет 0,3... 0,5 м. Поворот оси быстротока в плане осуществляют так же, как транзитных частей открытых береговых водосбросов (гл. 6.2 и 4.2, рис. 6.7, б и 4.20).
Концевые части быстротоков выполняют аналогично концевым частям открытых береговых водосбросов (гл. 4.4 и 6.2). Их особенность состоит в том, что сопряжение бьефов происходит между высокоскоростным бурным потоком, сходящим с бетонного водоската, и потоком с небольшими скоростями (0,5...1,5 м/с), движущимся чаще всего в земляном необлицованном русле. Это вызывает необходимость устройства крепления с водобойным колодцем, устроенным по типу воронки, и рисбермой за ним. Во избежание отрыва потока от расширяющихся в плане стенок колодца и образования сбойного течения необходимо ограничивать углы расширения. Рекомендуется принимать угол расширения р одной из стенок таким образом
Верхняя плоскость открылков может быть горизонтальной или наклонной (1:1). Следует избегать устройства открылков, параллельных оси колодца и заканчивающихся по типу ныряющей стенки. Длину колодца можно уменьшить устройством, кроме обратного уступа, концевого порога и водобойной стенки; непосредственно на водобойной нлите размещают 1...2 ряда шашечных гасителей (рекомендации по их размещению и размерам даны в гл. 4.4). Условия растекания можно улучшить устройством криволинейной в плане водобойной стенки, очерченной по дуге круга, центр которого располагается в точке пересечения лучей, являющихся горизонтальными проекциями вертикальных плоскостей боковых стенок колодца.
На быстротоках, которые могут работать в режиме волнообразования, надо предусматривать гасители энергии специальных конструкций или решетчатые трамплины (гл. 6.2, рис. 6.6,6).
Параметры плит дна, откосов и подпорных стенок следует принимать на основе расчетов их на устойчивость и прочность с учетом всех действующих нагрузок (статических и гидродинамических), а также в увязке с принятой технологией строительства и местными геологическими условиями.
В последнее время широкое распространение получили трубчатые быстротоки с безнапорным режимом течения потока в сборных или монолитных трубах. Применение этих конструкций позволяет практически исключить явления, как разбрызгивание воды из лотка, переувлажнение грунта обратных засыпок, подъем вследствие этого уровня грунтовых вод и т.д.
Быстротоки сборных конструкций строят из унифицированных элементов, число типоразмеров которых увязано с повторяемостью их применения на единицу мелиорируемой площади: чем меньше повторяемость применения, тем меньшее число типоразмеров принято, и наоборот. Сооружения небольшой повторяемости строят сборно-монолитными или монолитными. Проектными организациями системы Минводхоза СССР разработаны альбомы типовых сопрягающих сооружений для мелиоративного строительства [60].