Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Гидравлические режимы сопряжения бьефов

Трансформация естественных условий существования речного бассейна после возведения гидроузла вызывает необходимость учета двух основных факторов:

1) существенного сужения водосливного фронта по сравнению с руслом реки;

2) наличия значительной избыточной кинетической энергии у потока, прошедшего через отверстие водопропускного сооружения под воздействием перепада уровней воды в бьефах.

Возможные схемы сопряжения бьефов. В практике современного гидротехнического строительства используют большое число различных схем гашения избыточной энергии потока: одной из форм гидравлического прыжка (рис. 4.30, а, б).

отбросом или свободным падением струи, энергия которой гасится в водяной толще нижнего бьефа или в воронке размыва (рис. 4.30, а);

соударением струй в водяной или воздушной среде:

гашением энергии в пределах сооружения; гасители размещают непосредственно на водопропускном тракте или применяют специальные камеры гашения (рис. 4.30, г, <3);

комбинацией двух или нескольких перечисленных схем.

Режимы сопряжения бьефов. Каждой схеме гашения отвечает определенный режим сопряжения бьефов. При гашении одной из форм гидравлического прыжка возможны два класса режимов, различающихся относительным расположением в вертикальной плоскости транзитной части потока: донные— при устойчивом нахождении транзитной струи у дна и поверхностные— транзитная струя располагается на поверхности потока или в непосредственной близости от нее [107, 108, 126].

Устройства нижнего бьефа, плавно сочленяющие верховой участок с дном нижнего бьефа, в зависимости от значений сбрасываемого расхода и параметров до и после участка сопряжения могут работать при четырех видах режимов сооружения: трех донных (соответственно с отогнанным, предельным или затопленным прыжком) и поверхностном (типа второго критического).

При устройстве на концевом участке носка-уступа в зависимости от его высоты, положения уровня нижнего бьефа, значений сбрасываемого расхода и параметров потока до и после участка сопряжения в нижнем бьефе возможны как донные, так и поверхностные режимы. Их последовательная смена происходит через критические режимы. Различают [107, 108] четыре основных вида критических режимов: первый, разграничивающий режимы донный и поверхностный с неза- топленным прыжком; второй, разграничивающий поверхностные режимы с незатопленной и затопленной струей; третий, разграничивающий режимы поверхностный с незатопленной струей и поверхностно-донный; четвертый, характеризующийся сменой поверхностного режима донным восстановлением или наоборот.

При гашении энергии потока по схеме отброшенной струи постепенный подъем отметок уровня нижнего бьефа до отметок носка-трамплина приводит к возникновению одного из видов поверхностного режима.

К наиболее распространенным и часто реализуемым схемам гашения относится сопряжение бьефов при донном режиме. Его недостаток — наличие значительных и медленно затухающих по длине донных скоростей и вращения в вальце плавающих тел (в том числе льда), могущих повредить поверхности сооружения.

Применение поверхностного режима сопряжения позволяет значительно облегчить крепление, а также создать благоприятные условия для сброса льда.

Этот режим рационален в тех случаях, когда он может быть создан без значительного заглубления отметок крепления и подошвы плотины. К недостаткам этого режима, в определенной степени ограничивающим его широкое применение, следует отнести: неустойчивость границ надежного существования его различных форм; невозможность его создания при малой высоте носка-уступа; неизбежность возникновения значительных колебаний уровня нижнего бьефа (раскачка бьефа); необходимость в относительно больших глубинах нижнего бьефа.

Если глубина нижнего бьефа значительно меньше второй сопряженной глубины (или меньше глубины, определяющей нижнюю границу поверхностного режима) и одновременно концевая часть сооружения располагается на основании, характеризующемся значительной устойчивостью против размыва, целесообразно применять схему сопряжения с отбросом струи с носка-трамплина. Основное достоинство этой схемы — устойчивый и гидравлический ясный режим сопряжения. К недостаткам ее относят: неупорядоченный характер течения в нижнем бьефе в начальный период эксплуатации сооружения; необходимость предварительного устройства ямы размыва (до ее полного формирования и образования отмостки); относительно высокую степень неравномерности распределения удельных расходов по ширине нижнего бьефа: эксплуатационные затруднения, вызванные разбрызгиванием струй и образованием водяной пыли; сложность размещения сливной поверхности для разгона струи и трамплина на низовой грани плотины (особенно если это арочная плотина); опасность нарушения устойчивости склонов, вызванную образованием глубокой воронки размыва (особенно в узких створах).

Интенсификация процесса гашения и улучшения режима сопряжения бьефов с благоприятным перераспределением скоростей достигается специальными конструктивными мерами: применением гасителей энергии и расщепителей потока; устройством энергогасящих диффузоров, искусственных шероховатостей, пирсов-гасителей на водосливных гранях, камер гашения и устройств для соударений струй в пределах транзитной части водопропускного сооружения; увеличением ширины живого сечения потока и уменьшением удельных расходов в начале участка сопряжения и т. д.


Области преимущественного применения различных схем сопряжения бьефов (результаты обобщения данных более чем по 400 построенным отечественным и зарубежным гидроузлам) приведены на рисунке 4.31. Определенные схемы имеют определенные области их преимущественного использования. Эти области показаны в зависимости от расчетной мощности сбросного потока N а от относительной ширины речной долины L/H (L и Н — длина плотины по гребню и ее высота; Нв — перепад между УВБ и УНБ при пропуске расчетного паводка).

Особенности плановой задачи гидравлики в нижнем бьефе. Как правило, движение сбрасываемого потока в нижнем бьефе сопровождается его резким расширением в плане. Параметры этого расширения обусловлены плановыми очертаниями берегов и расположением водопропускного сооружения относительно русла реки. Резкое плановое расширение неизбежно сопровождается отрывом потока от стенок сооружения и возникновением водово- ротных зон. Это приводит к разделению потока на транзитную часть, в которой перемещается основная масса воды, и нетранзитную — водовороты.


Возможные схемы течения потока в симметричном нижнем бьефе при симметричной работе всех отверстий водопропускного сооружения приведены на рисунке 4.32.

Движение транзитной части возможно в двух формах: в виде плавнорасширяющегося в плане потока, соответствующего его режиму; в виде сбойного течения, характеризуемого постоянным изменением направления (сбойность) практически нерасширяющейся струи. Границы транзитной части и параметры водоворотов устанавливают специальным гидравлическим расчетом. Возникновение сбойности ухудшает условия сопряжения бьефов и создает неблагоприятную плановую картину течения потока. Различают следующие формы сбойных течений: в виде резкого изменения направления потока после выхода его из сооружения в широкий нижний бьеф; в виде сжатия потока, вызываемого боковым натеканием воды из окружающих водоворотов.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики