Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ БУРНЫМИ ПОТОКАМИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИИ

В открытых и закрытых водосбросных сооружениях приходится проектировать различного рода расширения, сужения, повороты и другие переходные участки, в пределах которых необходимо предотвратить образование неблагоприятных для всего сооружения деформаций свободной поверхности, сопровождающихся возникновением остановившихся волн. Поток, находящийся на этих участках, как правило, в бурном состоянии, часто можно рассматривать как двухмерный, то есть полагать, что его глубина и скорости есть функции двух координат. Расчетная схема таких потоков имеет два основных допущения [108]: 1) векторы осредненных местных скоростей на нормали ко дну равны и находятся в одной плоскости; 2) нормальные к плоскости дна составляющие скоростей и ускорений малы и могут не учитываться в расчетах. Исследования показали, что эти допущения приемлемы, когда ширина потока в несколько раз больше его глубины, рельеф поверхности дна носит плавный характер, а плановая кривизна струй незначительна. Во многих случаях расчеты без существенных погрешностей можно упростить, исключив из рассмотрения силу трения. Любое плановое искривление боковой стенки в расчете можно представить состоящим из нескольких более мелких прямолинейных участков, изменение направления которых приводит к образованию в потоке линий возмущения остановившихся волн небольшой высоты. По мере удаления от стенок эти волны либо сближаются (поворот стенки внутрь потока), либо расходятся (поворот стенки от потока), что приводит к возникновению плавных повышений или понижений уровня свободной поверхности типа пологой волны (рис. 4.14). Если искривление стенки внутрь потока носит резкий характер, то линии возмущений накладываются друг на друга и появляется крутая остановившаяся волна, имеющая фронт и называемая в гидравлике косым гидравлическим прыжком. В случае резкого поворота стенки в сторону от потока возникает суммарное смещение линий возмущения, называемое косой пологой расширяющейся волной.

При пересечении линий возмущения в одной точке возникает центрированная простая волна (сужающаяся или расширяющаяся).

Уравнение сопряженных глубин косого гидравлического прыжка имеет вид:



Для расчетного обоснования и проектирования переходных участков применяют три класса методов.

В первом классе методов рассматривают такие конструкции, в которых управление бурным потоком ведется с помощью одних лишь боковых стенок, а дно остается плоским или наклонным (рис. 4.16).

Расчеты таких участков обычно выполняют методами характеристик либо различными графоаналитическими способами, излагаемыми в специальных курсах гидравлики [108, 126].

Для участков сужения наиболее крутые волны получаются в сужении с прямолинейными стенками (рис. 4.16). Наименьшие деформации поверхности имеют место в сужениях, которые ограничены плавными криволинейными стенками (рис. 4.16,6) или имеют на своем протяжении радиальный характер течения (рис. 4.16, в).

График с серией кривых, полученных методом характеристик, позволяющий построить плановые очертания боковых стенок участка расширения с предельным расширением потока в плане при условии сохранения


Для определения угла наклона дна на таком повороте используют формулу:


Повороты более сложных очертаний, а также участки сопряжения поворота с прямолинейными участками рассчитывают методами гидравлики двухмерного потока. Они позволяют определить координаты стенок поворота с переменным радиусом, а также установить все параметры потока на этом повороте, включая отметки свободной поверхности и высоты стоячих волн.

Ко второму классу методов расчетного обоснования переходных участков относятся расчеты водосбросных сооружений с дном двоякой кривизны. Конструкции, рассчитанные этими методами, существенным образом деформируют поток; он имеет пространственно искривленную свободную поверхность, и соответственно давление в потоке оказывается распределенным не по гидростатическому закону. Расчетные методы этого класса базируются на использовании уравнений свободной поверхности и неразрывности. Этими методами рассчитывают рассеивающие трамплины (рис. 4.18), виражи, а также переходные участки, в пределах которых удается избежать волнообразования (образования стоячих волн) достижением с помощью дна двоякой кривизны, задонного распределения удельных расходов.

Расчет конструкций методами второго класса ведут по специальным программам, как правило, с использованием ЭВМ. Для отдельных, наиболее часто встречающихся случаев используют специальные таблицы [108].

К третьему классу относятся методы расчетного обоснования конструкций, управляющих бурным потоком, разработанные на основе результатов модельных гидравлических исследований переходных и концевых участков водосбросных сооружений. К числу конструкций, предложенных на основе этого класса методов, относятся рассеивающие трамплины различных типов (рис. 4.19). Например, для водосброса Чиркейского гидроузла в условиях узкого ущелья была разработана специальная конструкция трамплина с боковым сливом (рис. 4.20). Она позволила существенно уменьшить размыв нижнего бьефа на участке падения струи.


При разработке конструкций, управляющих бурным потоком, помимо расчетного обоснования аналитическими методами, их обычно исследуют в гидравлических лабораториях.

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