РЕЖИМЫ СОПРЯЖЕНИЯ БЬЕФОВ И ГАШЕНИЕ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ СБРОСНЫХ ПОТОКОВ
Режимы сопряжения бьефов. После возведения гидроузла нарушаются естественные условия прохождения паводков: они пропускаются через водопропускные сооружения, суммарная ширина которых обычно меньше ширины потока в русле реки, со скоростями значительно большими, чем скорость течения воды в естественных условиях.
Рассеивание («гашение») энергии потока в основном происходит за счет его турбулизации при образовании вихрей, соударении струй, при динамическом воздействии на препятствия и при перемещении частиц грунта русла реки при процессах эрозии (размыва). Значительные потери энергии сбросного потока происходят в водоворотных зонах и, в частности, в гидравлическом прыжке, который является эффективным и мощным гасителем кинетической энергии, при этом часть энергии расходуется на колебания крепления, основания и на образование волн.
Условия работы крепления нижнего бьефа, предназначенного для защиты русла реки от размыва сбросным потоком на участке гашения его избыточной кинетической энергии, зависят в значительной мере от режима (вида) сопряжения потока с водной массой в нижнем бьефе. Различают следующие основные гидравлические режимы сопряжения бьефов: донные (рис. 4.11, а, д, е, ж); поверхностные (рис. 4.11, б, в, г, з); свободно отброшенной струи (рис. 4.11, и).
Диссипативная роль гасителей характеризуется интенсивностью рассеивания той части кинетической энергии, которая сосредоточена в турбулентных вихрях. При равной реактивной способности двух гасителей большей диссипативной способностью обладает тот, который разбивает поток на более мелкие струи, вызывая их интенсивное перемешивание. Два и более рядов гасителей обеспечивают большее рассеивание (диссипацию) кинетической энергии, чем один с такой же реактивной способностью.
Распределительная роль гасителей выражается в переформировании эпюры осредненных скоростей потока в плане и по глубине, в выравнивании удельных расходов по ширине русла, в отклонении потока при необходимости к какомулибо берегу. С этой целью применяют гасителирастекатели, направляющие поток в нужном направлении (рис. 4.14, г).
Обычно гасители размещают в один, два и более рядов в шахматном порядке. Первый ряд гасителей располагают на расстоянии более (13) h от сжатого сечения. Высота гасителей принимается равной (0,7552,5) причем высокие гасители принимаются для обеспечения более эффективного распределительного влияние гасителей на поток. Ширину гасителей и расстояние между ними принимают равными высоте. Гасители, получившие название шашки, имеют высоту меньше, чем длину или ширину, а гасители, получившие название пирсы, наоборот больше (рис. 4.14).
Для ответственных сооружений количество и тип гасителей, их размещение на водобое уточняются экспериментально на моделях (см. гл. 33), а также используя подходящие аналоги из числа построенных сооружений.
Гашение энергии при поверхностных режимах. Поверхностный режим сопряжения бьефов обеспечивается при высоте уступа выше минимального и углах наклона к горизонту струи вверх не более 3540° и вниз не более 510°. Минимальная высота уступа amin при горизонтальном сбросе потока глубиной h{, может быть определена по формуле М.Ф. Складнева [187]:
При поверхностных режимах сопряжения бьефов обеспечивается безопасный сброс льда в нижний бьеф, а малые придонные скорости у плотин не требуют значительной защиты русла реки от воздействия потока. Недостатками сопряжения бьефов этого типа являются: образование в нижнем бьефе медленно затухающих волн, воздействующих на берега и затрудняющих судоходство; большая в сравнении с донным режимом протяженность участка рассеивания избыточной кинетической энергии; существование устойчивого режима в достаточно узком диапазоне изменения глубины потока в нижнем бьефе.
Гашение энергии при режиме свободно отброшенной струи. Режим свободно отброшенной струи применяется при глубинах нижнего бьефа, значительно меньших второй сопряженной глубины, и возведении водосбросов на прочных слабо размываемых основаниях. Дальность отброса струи от сооружения увязывается с возможностью обеспечения его безопасной эксплуатации при достижении проектных максимальных размеров ямы размыва (см. рис. 4.11, и).
Кинетическая энергия свободно отброшенной струи гасится за счет преодоления сопротивления воздушной среды при аэрации струи и в основном при растекании ее в водяной подушке после погружения под уровень воды в нижнем бьефе, а до стабилизации ямы размыва энергия струи расходуется и на размыв грунта. Иногда для защиты дна его закрепляют бетоном или устанавливают стенку, чтобы повысить глубину воды в нижнем бьефе в месте падения струи (рис. 4.15, а). Рассеянию энергии падающей струи способствует распад ее в воздухе при аэрации, поэтому практикуется установка в конце водосброса расщепителей струи и рассеивающих трамплинов (рис. 4.15, б).
При расчете сопряжения бьефов отбросом струи определяют оптимальное высотное положение и угол наклона носкатрамплина, дальность отброса струи и глубину ямы размыва (рис. 4.16). Высота уступа а назначается из условия a>hi на основе техникоэкономического анализа. Угол наклона носка ОС, обеспечивающий наибольшую дальность отлета струи от сооружения, составляет 3035°. При известных скорости схода v,, струи толщиной h\ с носка под углом а к горизонту и превышении h оси струи на носке над уровнем воды в нижнем бьефе длина отлета струи вычисляется по формуле
При расчете глубины hp в яме размыва необходимо знать скорость входа ит струи под уровень воды и угол 0 входа, которые определяются по формулам:
Основным достоинством режима свободно отброшенной струи является простота его конструктивного обеспечения и устойчивость работы. К его основным недостаткам относятся: образование водяной пыли (увлажнение воздуха)» ведущее к ускоренной коррозии материалов и оборудования» их обледенению при отрицательных температурах воздуха; волнообразование и сбойность течения воды в нижнем бьефе, особенно в процессе формирования ямы размыва и отложения наносов за ямой размыва.
Гашение энергии при растекании потока в плане. При растекании потока в нижнем бьефе в плане происходят рассеивание его кинетической энергии и уменьшение скоростей течения. Угол естественного расширения спокойного потока в плане не превышает 610°, а резкое расширение потока в нижнем бьефе неизбежно сопровождается отрывом потока от стенок сооружений и берегов на изгибах реки и возникновением водоворотных зон зон отрыва (рис. 4.17). При неравномерном пропуске воды по напорному фронту в нижнем бьефе наблюдается сбойность течения, которая выражается искривлением оси потока в плане, образованием обратных течений водоворотов по бокам транзитного потока и местным увеличением удельного расхода на 1030% и более, иго становится причиной размыва русла и берегов реки. Причиной сбойности является ассиметричность участков сброса воды относительно уреза воды в нижнем бьефе, криволинейность русла, понижение уровня воды на участке сброса воды по сравнению с уровнем окружающего водного пространства. Границы водоворотных зон устанавливают гидравлическим расчетом или экспериментально [37,105,152, 180].
Мерами против образования сбойного течения и получения по возможности равномерного распределения удельного расхода являются;
1) равномерное и симметричное открытие водосбросных отверстий по фронту плотины;2) устройство в нижнем бьефе продольных раздельных стенок, дамб, отделяющих один от другого участки с неодинаковыми удельными расходами или имеющие различные отметки дна, например, отделение здания ГЭС от водосливной плотины, отделение зоны работающих отверстий от глухих участков плотины;
3) установка растекателей, водобойных стенок, установка гасителей для использования их распределительного действия, даже если они не требуются в целях затопления гидравлического прыжка.
