Закрытый водосброс с вертикальной шахтой
Шахтный водосброс при определенных условиях может про пускать весьма большие расходы воды (до 6000 м3/с). Этот водосброс, как правило, сооружают в береге в скальном грунте при высоких плотинах.
Различают следующие основные части шахтного водосброса (рис. 10.16):
1. Входная часть шахтного водосброса может иметь выполненную из бетона так называемую уширенную воронку без затворов, или воронку предельно минимального радиуса (в плане) с кольцевым затвором.
Уширенная входная воронка без затворов (рис. 10.17) имеет следующие элементы входной части водосброса: гребень кольцевого водослива, располагаемый на отметке НПУ; радиально подводящий участок, проектируемый с расчетом иметь кольцевой водослив, работающий как неподтопленный; переходный участок, сопрягающий участок с вертикальной шахтой; подходной канал, обеспечивающий равномерный подвод воды к гребню кольцевого водослива; бык.
Практически вода по подходному каналу поступает к гребню водослива не вполне симметрично (в плане), поэтому в случае непринятия соответствующих мер в пределах воронки возникает «закручивание» потока в плане, причем пропускная способность воронки снижается. Во избежание такого явления в пределах ра.
Будем считать, что для гидравлического расчета шахтного водосброса заданы расход(см. § 10.2 и 10.5) и отметки НПУ и ФПУ (см. §10.4).
Затем по обычной водосливной формуле (для прямого прямоугольного неподтопленного водослива) можно вычислить ширину Ь водослива. Далее условно принимаем ширину
Ширину подводящего канала (рис. 10.17,6) устанавливают с расчетом иметь в нем максимальные допускаемые скорости Ушах. При этом учитывают, что расход в отдельных сечениях подводящего канала имеет разные значения; например, в сечении ab расход
В пределах радиально подводящего участка уширенной воронки получаем осесимметричный поток с круглоцилиндрическими живыми сечениями, имеющими вертикальные образующие. В каждом таком живом сечении глубину потока назначаем равной критической, постулируя, что при этом условии мы получим так называемую воронку с неподтопленными живыми сечениями, т. е. воронку, обеспечивающую отсутствие подтопления водослива. Легко показать, что критические глубины по течению должны в пределах воронки увеличиваться. Подсчитывая hK для разных сечений можем построить линию дна радиально подводящего участка. Переходный участок очерчивают по координатам нижней границы струи, получающейся при переливе воды через кольцевой водослив с тонкой стенкой (согласно опытам Вагнера).
Подробный расчет очертания уширенной кольцевой воронки (а также других частей шахтного водослива) см. в прилож. А, § А.2. 1 — цилиндр затвора; 2 — козырек затвора, 3—кольцевой затвор; 4— бык; 5 — подходной каиал (подходная выемка); 6 — камера давления (затворная камера); 7 — трубавыпуск воды из камеры; 8—воронка.
Входная воронка предельно минимального радиуса показана на рис. 10.18. Кольцевой затвор представляет собой металлический цилиндр радиусом Rq mini Имеющий вверху козырек, через который может переливаться вода. Для открытия затвора из камеры давления по трубе выпускают воду, причем затвор опускается в камеру; для закрытия затвора камера сообщается (с помощью специальной трубы) с верхним бьефом, когда она заполняется водой, цилиндр затвора всплывает, и козырек занимает нужное высотное положение. Описанные открытие и закрытие труб, питающих или опоражнивающих камеру, осуществляются автоматически с помощью особых клапанов, приходящих в движение при колебании уровня воды в верхнем бьефе.
Очертание рассматриваемой воронки выполняют аналогично сказанному выше об уширенной воронке; здесь только отсутствует радиально подводящий участок. Во избежание закручивания потока в воронке предусматривают устройство быка. Проектируя подходную выемку, как правило, намечают (как и в случае уширенной воронки) порог высотой не менее с = 0,5...1,0 м.
Чтобы пояснить выбор основных размеров воронки предельно минимального радиуса, представим себе вначале уширенную воронку (см. рис. 10.17), запроектированную для определенных заданных нам отметок НПУ и ФПУ (HПУ = const и ФПУ=сопst).
Далее, сохраняя отметки НПУ и ФПУ, будем мысленно постепенно снижать отметку гребня кольцевого водослива, увеличивая тем самым напор Н, действующий на водосливе. При этом, очевидно, возникает необходимость (см. § 10.4) устанавливать на гребне водослива затворы высотой
Кроме того, снижая гребень водослива, должны будем уменьшать его радиус R0, так как с увеличением напора Н будет увеличиваться удельный расход q, приходящийся на 1 м длины гребня, а следовательно, уменьшаться и длина гребня, равная
Для данного конкретного случая можно наметить два крайних (предельных) вида воронки (рис. 10.19): 1) уширенная воронка без затворов (имеющая радиус Romns.; см. рис. 10.19, а); 2) воронка предельно минимального радиуса с кольцевым затвором (имеющим радиус Rq mini см. рис. 10.19,6). Именно один из этих двух крайних видов воронки часто используется в практике. Сопоставление этих воронок выполняется при одинаковых отметках ФПУ.
Применяя тот или другой промежуточный вариант воронки, характеризуемый условиями: будем получать сравнительно большую длину фронта металлических затворов: такие затворы (при большом, водосливном фронте) делают плоскими, причем кольцевой водосливной фронт воронки приходится разбивать радиально поставленными клинообразными (в плане) быками на ряд отдельных отверстий (например, 12 отверстий). Иногда считают, что все затворы в данном случае должны работать синхронно. Перечисленные обстоятельства в некоторой мере затрудняют использование промежуточных вариантов воронки.
Окончательный тип воронки устанавливают на основании техникоэкономического сопоставления различных ее вариантов.
Расчет кольцевого водослива в случае воронки предельно минимального радиуса по обычной водосливной формуле, использованной выше, дает значительную погрешность, поэтому пропускную способность воронки предельно минимального радиуса (при полном открытии затворов) необходимо уточнять следующим образом. Воронка предельно минимального радиуса, пропускающая расход Q = 1 ООО м3/с, имеет радиус от 10 м. Тогда согласно правилам моделирования гидравлических явлений можем написать
Обделка шахты делается такой же, как и обделка туннеля (см. ниже).
3. Отводящий туннель в плане следует проектировать прямолинейным. Направление его (в плане) может быть любым. Шахта с туннелем сопрягается в вертикальной плоскости криволинейной вставкой радиусом
В начале туннеля скорость
Принимая для начального сечения туннеля эту площадь, можно установить степень наполнения туннеля в начальном сечении. Безнапорному туннелю больше соответствует туннель подковообразного сечения (рис. 10.21,6). В этом случае размер D относится к высоте сечения.
Максимальный диаметр гидротехнического туннеля равен примерно 15 м. Если по расчету диаметр туннеля получается большим, то устраивают два шахтных водосброса.
Если расход Qpac4 велик, a утах мало, то площадь живого сечения А должна получиться недопустимо большой, причем шахтный водосброс в таких условиях окажется неприемлемым.
Высотное положение туннеля надлежит выбирать так, чтобы не получалось подтопления его конца нижним бьефом (рис. 10.22). Надо учитывать, что скорости в туннеле бывают столь велики, что эксплуатационный уровень воды нижнего бьефа (экспл. УНБ), располагающийся выше строительного уровня нижнего бьефа (стр. УНБ), может быть отогнан струей, выходящей из туннеля, причем в туннеле создается безнапорный режим.
4. Концевую часть отводящего туннеля конструируют аналогично концевой части быстротока, запроектированного с отбросом струи в нижнем бьефе. Для примера на рис. 10.23 приведены три схемы носка, устраиваемого в конце туннеля для отброса струи: эллиптический (рис. 10.23, а), цилиндрический (рис. 10.23,6), комбинированный (рис. 10.23, в).
Отличительными особенностями концевой части туннеля являются: большие удельные расходы (до 150...300 м2/с); очень большие скорости (до 30...60 м/с); сложные топографические условия — например, в конце туннеля имеется крутой берег, причем ось туннеля направлена под углом к линии берега, что требует поворота оси потока в плане (см. рис. 10.24, где показан несимметричный рассеивающий носок). Такие носки могут применяться при числах Фруда порядка Fr = v2/ (gh) = 10...20.
5. Условия применимости шахтного водосброса: 1) радиус воронки оказывается меньше (2,0...2,5) h, т. е. меньше предельно минимального радиуса; 2) диаметр отводящего туннеля получается слишком большим (более 15 м); 3) высота утах (см. рис. 10.22) оказывается меньше суммы высот воронки и закругления шахты в
6. Дополнительные замечания. Выше пояснено проектирование и расчет шахтного водосброса в предположении, что он работает как безнапорное водопропускное сооружение. В практике все же встречаются случаи, когда вертикальная шахта проектируется на напорное движение воды в ней. При этом, чтобы избежать вакуума в верхней части шахты, ее делают суживающейся книзу. В таком случае колебание уровня воды в верхнем бьефе почти не влияет на пропускную способность водосброса, поскольку лимитирующую роль здесь играет выходное сечение шахты, находящееся под большим напором. Однако при расходах, меньше расчетных (при малых расходах воды), условия работы такого рода шахтных водосбросов становятся несколько неопределенными.