БЫСТРОТОКИ

Конструкции и условия работы. Быстроток — наиболее простой тип сопрягающего сооружения; это тот же канал, но с уклоном больше критического.

Быстротоками называются такие сооружения, которые с большими скоростями переводят воду из верхнего канала в нижний по лотку без отделения струи воды от лотка.

Размеры и уклон быстротока определяются заданной наибольшей допускаемой скоростью для материала лотка и воды, в зависимости от содержания в ней наносов.

Быстроток состоит из следующих основных элементов: входа, лотка быстротока, успокоителя и выходной части.

Быстротоки устраивают из бетона, железобетона, бутового камня и других строительных материалов.

Входная часть быстротока конструктивно аналогична входной части открытого регулятора. В гидравлическом отношении она всегда работает как незатопленный водослив с широким порогом, если на протяжении полутора-двух напоров обеспечивается параллельность или небольшое сужение входных береговых устоев. Если же сужение более резкое, чем 1:2, то входную часть рассчитывают как сужающийся вход по уравнениям проф. В. И. Чарномского или по методу проф М. М. Скибы.

Лоток быстротока делают из материалов, выдерживающих большие скорости течения воды. Поперечное сечение лотка чаще всего проектируют прямоугольным или трапецеидальным. Откосы бортов лотка обычно не делают положе одиночных. В крупных быстротоках откосы лотка образуются подпорными стенками. По длине лоток разрезают швами через 5—15, в зависимости от толщины боковых стен или облицовки откосов.

Поперечные швы разнообразны по конструкции. Они должны не только предупреждать деформации конструктивных форм, но и препятствовать фильтрации воды через них и при больших уклонах усилять сопротивление сдвигу элементов конструкции, которые они соединяют.

Продольные швы отделяют днище лотка от боковых стен или боковой облицовки. Толщину бетонной облицовки откосов и днища принимают от 0,15 до 0,4 м. Подпорные стенки высотой до 2 м проектируют по конструктивным соображениям, а свыше 2 м — по расчету. Лоток быстротока по возможности следует уклону местности, так как быстротоки преимущественно возводят на пологих склонах в отличие от перепадов, устраиваемых при больших уклонах местности. Поэтому при переменных уклонах местности можно и быстротоку придавать переменные уклоны.

Увеличения шероховатости можно достигнуть разными конструктивными средствами, для которых группой научных работников под руководством акад. Е. А. Замарина даны расчетные формулы. Поперечные размеры лотка, как правило, получаются небольшими по сравнению с нижним каналом, поэтому сопряжение этих двух участков часто представляет собой сложную задачу. Обязательное условие для всех конструкции таких сопряжении — затопление струи, стекающей с быстротока, и перевод ее в канал с безопасными скоростями, для чего в конце лотка устраивают успокоитель и различные гасители.

Иногда бывает целесообразно устройство при быстротоке гасителя встречными струями. При сходе потока с лотка быстротока возводят раздельную стенку, которая делит поток на две равные части и направляет их навстречу одна другой. Успокоенный таким образом поток переливается через заднюю стенку в отводящий канал.

а) придают концевой части лотка быстротока критический уклон; тогда свободная поверхность будет горизонтальной, а сопряжение с бытовой глубиной произойдет без гидравлического прыжка;

б) увеличивают глубины на лотке до бытовых путем сужения лотка в плане или усиления шероховатости. Однако беспрыжковые сопряжения имеют большую протяженность и чаще всего неэкономичны.

Гидравлический расчет. Уклон длинного быстротока определяют из условий равномерного движения воды в лотке постоянного сечения при заданной наибольшей скорости течения воды. Задаваясь в уравнении неравномерного движения второй глубиной, близкой к нормальной, находят длину кривой свободной поверхности и сравнивают ее с протяжением лотка на местности. Если получившаяся длина оказывается меньше, чем наклонный участок местности, то на быстротоке успеет установиться нормальная глубина, и расчет его можно вести по уравнению равномерного режима, то есть принимать для дальнейшего расчета глубину в конце быстротока равной нормальной. На участке между началом быстротока, где глубина всегда равна критической, и установившейся нормальной глубиной кривую спада рассчитывают подробно по уравнению неравномерного движения лишь в тех случаях, когда переход от Акр к Ао требует снижения высоты бортов и когда недостаточна приближенно проведенная линия свободной поверхности от Акр до Ао по прямой линии.

Для коротких быстротоков (длиной несколько десятков метров), в которых нормальная глубина не успевает установиться, уклон лотка быстротока также подсчитывают по допускаемой скорости, которая соответствует минимальной глубине на быстротоке, определяемой из уравнения неравномерного движения. Если есть необходимость, то можно определить промежуточные глубины. Для этого нужно всю длину быстротока разбить на ряд участков (вначале коротких, а книзу несколько длиннее) и последовательно определять глубины в конце каждого участка. Это может потребоваться при назначении высоты бортов лотка.

Запас высоты бортов лотка над уровнями свободной поверхности потока назначают, исходя из следующих соображений. Во-первых, превышение бортов лотка над уровнями воды принимают на 20—30% больше, чем в регуляторах. Кроме того, принимают во внимание, что при больших скоростях происходит насыщение потока воздухом, наблюдается явление аэрации потока, вследствие чего глубины увеличиваются, поток как бы вспухает, представляя собой смесь воды и воздуха. Это явление учитывают весьма приближенно: считают, что глубина увеличивается на столько процентов, сколько метров в секунду имеет скорость в данном сечении, и после этого уже назначают запас высоты бортов.

Если быстроток имеет большое протяжение, а глубины значительно отличаются между собой по длине, то лоток разбивают на участки и назначают высоту бортов на каждом из них.

Гидравлический расчет водобойного колодца состоит в определении глубины и длины его. Ширину колодца обычно принимают такой же, как и ширину лотка, и только после колодца расширяют сооружение для сопряжения его с отводящим каналом, так как расширение в зоне бурного режима имеет больше предпосылок для образования нежелательного сбойного течения.

Есть два варианта водобойного колодца в конце быстротока: со стенкой падения (уступом) в начале колодца или без нее. В первом случае по глубине в конце быстротока и принятой высоте уступа определяют сжатую глубину на дне водобойного колодца, по которой и устанавливают глубину водобойного колодца. Все это можно легко выполнить по графикам.

Во втором случае за сжатую глубину принимают глубину в конце быстротока и при расчете длины колодца значение 10 полагают равным нулю. В остальном расчет не отличается от рассмотренного. При сравнении двух вариантов водобойного колодца нужно учесть, что во втором варианте увеличивается длина лотка быстротока в связи с заглублением его концевого участка и утяжеляются боковые стенки.

При проектировании быстротоков необходимо учитывать возможность появления на них волновых явлений сверхбурного режима.

Согласно исследованиям многих авторов, на быстротоках большого уклона и при небольших глубинах по сравнению с шириной потока возникает интересное и до сих пор недостаточно изученное явление. В потоке возникают и устойчиво сохраняются при определенных расходах следующие одна за другою волны, которые влекут за собой такие нежелательные явления, как переполнение лотка быстротока, уменьшение его пропускной способности и неустойчивую картину в водобойном колодце.

Намечая поперечный профиль лотка при больших его уклонах, нужно стремиться к тому, чтобы отношение расчетной глубины к величине смоченного периметра было >0,02 для прямоугольного профиля и больше 0,04 для трапецеидального.

Треугольные, параболические и полукруглые профили менее подвержены возможности волнообразования. Для предупреждения боковой раскачки, для более равномерного поступления потока в водобойный колодец, а также для увеличения потерь энергии и предотвращения появления волнового движения на быстротоках рекомендуется устраивать продольные стенки, разделяя поток на отдельные струи, то есть устраивать струйные быстротоки тока. Такие стенки можно рекомендовать в тех случаях, когда в голове быстротока нет регулирующих устройств. Если же в голове сооружения имеются щиты, перекрывающие несколько пролетов, то разделение потока на струи приводит к значительному ухудшению работы водобойного колодца.

Проектирование быстротоков при сбросах воды в широкие водоемы имеет некоторые особенности. Лабораторные исследования выявили необходимость принимать дополнительные меры по гашению водной энергии при больших глубинах в нижнем бьефе. После расчета и проектирования водобойного колодца по обычному правилу нужно еще принять меры для нейтрализации сбойных явлений, вызывающих сопряжение бьефов на боковых участках при высоких уровнях воды в нижнем бьефе.

При сбросах в озеро высокие уровни воды неблагоприятны для сопряжения и требуют дополнительных мер по укреплению боковых участков грунта, примыкающих к лотку быстротока.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968