Методы борьбы со сбойными течениями
Конструкции устройств нижнего бьефа должны работать без возникновения неблагоприятных сбойных течений; в противном случае существенно возрастают объемы и стоимость мероприятий, направленных либо на создание мощных креплений, либо на борьбу с последствиями размывов.
Различают два основных вида таких мероприятий: конструктивные и эксплуатационные. И те, и другие направлены либо на достижение полного отсутствия явления сбойности, либо на значительное ограничение возможных режимов работы нижнего бьефа со сбоем.
К числу эксплуатационных мер относится разработка оптимального режима маневрирования затворами управляемых (особенно многопролетных) водопропускных сооружений с достаточно равномерным по ширине (например, через один пролет) и высоте (с подъемом всех затворов ступенями) открытием водосливного фронта.
Некоторые конструкции, предотвращающие образование сбоя, приведены на рисунке 4.40.
К конструктивным мероприятиям относятся: применение гасителей и концевых порогов, создающих на водобое более высокий уровень воды, чем в нижнем бьефе; применение специальных гасителей-растекателей, часто используемых в сочетании с концевыми распределительными порогами (сплошными, разрезными, зубчатыми); подбор оптимальных длин раздельных быков или направляющих стенок, позволяющих отделить транзитную часть потока от нетранзитной массы жидкости до тех пор, пока глубина его не будет меньше глубины нижнего бьефа; придание поперечному сечению отводящего русла полигональной формы, препятствующей развитию явлений потери боковой устойчивости движения; подбор правильной плановой ориентации крайних пролетов многопролетных плотин; применение водосбросов, имеющих криволинейный в плане водосливной фронт, позволяющий обеспечить необходимое расширение потока на водобое и рисберме; обеспечение условий течения потока с постепенным расширением в пределах колодца и рисбермы или выполнение их с продольным уклоном; расширение в пределах колодца не должно превышать четырех глубин потока перед прыжком.
Существует большое число эффективных конструкций устройств нижнего бьефа, позволяющих успешно бороться со сбоем. Например, для двух- и трехпролетных сооружений, в том числе и трубчатых, предложены конструктивные мероприятия, ликвидирующие сбой при одном полностью открытом пролете и одном (может быть несколько) закрытом.
Одно из основных мероприятий такого рода — устройство водобойной стенки или системы стенок и порогов, размещаемых за гасителями или расщепителями, находящимися непосредственно за сжатым сечением и в зоне первого гидравлического прыжка. Роль стенки (системы стенок) при работе полным водосливным фронтом заключается в оказании реактивного воздействия на поток, улучшении условий его растекания на водобое и рисберме, в создании строго определенного гидравлически ясного режима сопряжения, характеризующегося наличием небольшого перепада Дг на участке перехода от водобоя к отводящему руслу. При несимметричной работе водосливного фронта стенка сводит до минимума влияние отметок уровня в нижнем бьефе на режим потока выше стенки по течению и тем самым уменьшает интенсивность водоворотов в пределах водобоя, а также степень их влияния на режим планового расширения транзитного потока. Устойчивый данный режим сопряжения за водобойной стенкой обеспечивается при 0,3. Несмотря на то что поверхностный режим в ряде случаев может оказаться благоприятным с точки зрения недопущения больших размывающих скоростей за креплением, с точки зрения обеспечения благоприятных условий растекания потока в плане и по глубине, управления потоком с помощью гасителей целесообразность допущения этого режима сопряжения бьефов весьма проблематична. Необходимо стремиться к улучшению и интенсификации процесса растекания на водобое, к стабильному поддержанию донного режима сопряжения, использовать для этих целей не только гасители и растекатели, но и, например в случае низкопороговой водосливной плотины, наклон водосливной грани ниже затворов. Устанавливая режим расширения струи, следует учитывать как тип гасителей, так и их местоположение, плановую ориентацию, конструктивное выполнение в совокупности с длиной быков, диапазоном изменения сбросных расходов и соответствующих им глубин.
Для ответственных случаев меры борьбы со сбойностью тщательно подбирают при модельных гидравлических исследованиях сооружений.