ТУННЕЛЬНЫЕ ВОДОСБРОСЫ
Конструктивные особенности туннельных водосбросов. Туннельные водосбросы применяются на высоконапорных, реже на средненапорных гидроузлах на скальных основаниях. Часто они используются для пропуска воды в строительный период или в качестве водовыпусков (водоспусков) в период эксплуатации.
В зависимости от условий могут приниматься различные варианты продольного профиля туннеля (рис. 15.15).
Поперечное сечение туннеля в зависимости от характеристик скального основания и гидравлического режима может быть круглым или иного очертания (подробнее см. гл. 28)
Важнейшими вопросами при туннельных водосбросов проектировании туннельных водосбросов являются выбор высотного положения головной части (водоприемника), расположение затворов (затворной камеры) по трассе туннеля и выбор гидравлического режима на участках водосброса.
Головная часть с безнапорным входным отверстием (рис. 15.1,д) выполняется чаще всего в виде водослива практического профиля или с широким порогом. При определенных условиях возможно также использование траншейного водоприемника (рис. 15.2, а). При устройстве заглубленной головной части (рис. 15.2, б, в) особое внимание уделяется форме верхнего оголовка. Его очертание выбирается из условий наименьшего коэффициента гидравлического сопротивления и отсутствия кавитации в пределах оголовка [181]. С заглублением входного отверстия увеличиваются давление на затвор, расположенный в головной части, нагрузка на его элементы, сила трения в опорноходовых частях. Эго вызывает увеличение требуемой грузоподъемности механизмов маневрирования затворами, имеющей некоторый предел (см. гл. 22). Усложняется процесс закрытия отверстий, так как может потребоваться принудительная посадка затворов.
Поскольку водосбросы могут служить не только для пропуска воды в паводок и сработки водохранилища в целях срезки пика паводка, но и для ирригационных попусков, а также для пропуска строительных расходов, высотное положение входных отверстий определяется заданным режимом уровней воды в верхнем бьефе. При этом следует учитывать, что при уменьшении заглубления до определенных пределов появляется опасность захвата воздуха в отверстия водосброса через вихревые воронки. Из натурных наблюдений за образованием воронки на водоприемниках [181] были получены эмпирические формулы для определения минимального заглубления отверстия (рис. 15.16), при котором отсутствуют вихревые воронки, вовлекающие воздух во входные отверстия.
При фронтальном подводе воды минимальное заглубление в метрах составляет
Расположение затворных камер. Затворные камеры (затворы) могут располагаться в начале туннеля, на его трассе или в конце. За затвором могут возникнуть тяжелые гидравлические условия работы и затвора и прилегающего к затворной камере со стороны нижнего бьефа участка туннеля. Назначение положения основного затвора и режимов его работы должно быть обосновано предварительными исследованиями.
Исходя из гидравлических условий, лучшим решением является расположение затвора в выходном сечении туннеля, причем затвор не должен быть подтопленным (рис. 15.18, а). В этом случае гашение энергии происходит вне туннеля, а в случае отброса струи с трамплина в удалении от выходного сечения. Для этого варианта могут использоваться конусные затворы (см. гл. 21). С точки зрения статической работы туннеля это решение менее надежно, так как весь туннель постоянно занапорен, и контроль за его состоянием затруднен, а если туннельный водосброс один, то часто и невозможен. В силу сказанного такие решения редки для случая эксплуатации. В период строительства для пропуска строительных расходов эти решения встречаются чаще.
Недопустимо подтопление затвора (рис. 15.18, б), так как в этом случае резко ухудшаются условия его работы из-за пульсационной нагрузки, возникающей под воздействием примыкающего к затвору вальца гидравлического прыжка. При расположении затвора на входе в туннель или на трассе его подтопления можно избежать за счет вентиляции пространства за затвором (рис. 15.18, в) при уровне нижнего бьефа, не превышающем определенного значения [181]. При безнапорном движении аэрация пространства за затвором снижает дополнительную нагрузку на затвор, которая появляется за счет вакуума за затвором. Обеспечить за затвором давление близкое к атмосферному можно за счет поступления воздуха через воздуховод (рис. 15.18, г) или через низовой портал при коротком туннеле (рис, 15.18). При длине туннеля за затвором, как и при напорном течении, требуется устройство аэрационного канала (шахты).
Для безнапорного гидравлического режима важно правильно определить степень заполнения водой поперечного сечения туннеля, поскольку при отсутствии надлежащего запаса возможно самопроизвольное «занапаривание» туннеля, что приведет к тяжелому неустойчивому режиму течения, при котором безнапорный режим может переходить в напорный и наоборот. Предварительно степень заполнения туннеля сов/со по площади можно принимать в зависимо
В напорных туннелях выполнение условия неподтопления частично открытого затвора приводит к появлению гидравлического прыжка на участке за затвором. При проектировании туннеля следует по возможности не допускать такого режима, поскольку это приводит к мощному гидродинамическому воздействию на обделку туннеля.
Если избежать такой режим не удается, положение отогнанного прыжка приближенно определяется из решения уравнения количества движения, составленного для сечений сс и кк (рис. 15.18, е) [181]. Отгон прыжка возможен только при поступлении за затвор надлежащего количества воздуха. Необходимую площадь аэрационного канала ориентировочно можно определить из условия ц ?1 =0,04 со, где р, С1 коэффициент расхода и площадь поперечного сечения воздуховода, со площадь поперечного сечения туннеля. На последующих стадиях проектирования величина Q уточняется специальными расчетами [37,181].
Скорость воздуха в аэрационном канале по различным рекомендациям не должна превышать (во избежание нежелательных звуковых эффектов и вибрации воздуховодов) 4570 м/с, а вакуум в водосбросе 12 м водяного столба (вакуум за затворами вызывает дополнительную нагрузку на затвор). При коэффициенте расхода воздуховода р=0,5 и плотности воздуха ра=1,25 кг/м3 (при t=Q° С и давлении, соответствующем столбу ртути 760 мм) скорость воздуха 60 м/с достигается при вакууме АвмгО, м водяного столба.
При больших напорах компоновка затворной камеры и очертания ее элементов проектируются таким образом, чтобы избежать или снизить вредные последствия кавитации, уменьшить динамические нагрузки на затворы и облицовку как в пределах самой затворной камеры, так и на участках туннеля, прилегающих к ней. Примеры подобных компоновок элементов затворных камер даны в гл. 22.
Расположение затворного узла влияет на размеры затворов. При их установке в пределах входного портала их габариты и вес увеличиваются. С заглублением входного отверстия размеры затвора уменьшаются за счет уменьшения оголовка, но возрастает нагрузка на затвор. При расположении затворов на трассе туннеля приходится устраивать шахту или помещение в подземной выработке для подъемного оборудования (рис. 15.1, к). В этом случае приходится особо решать вопрос о перекрытии входа в туннель ремонтными затворами (см. гл. 22).
Большие напоры и размеры поперечного сечения водосброса вынуждают разбивать туннель в пределах затворной камеры на две, а иногда и большее количество частей для уменьшения габаритов затворов и мощности механизмов маневрирования. Перед основными затворами обычно устанавливают аварийноремонтные.
Расположение затворного узла по трассе туннеля определяет величину давления воды на облицовку туннеля. Эта нагрузка до затворной камеры, т.е. на участке, где туннель является напорным, определяется величиной заглубления рассматриваемого сечения туннеля под уровень верхнего бьефа. За затворной камерой при напорном течении в туннеле нагрузка определяется превышением над данным сечением пьезометрической линии и величиной пульсационной составляющей силы давления. В случае установки основных затворов в выходном сечении туннель будет напорным по всей трассе.
В нашей стране был впервые предложен и применен трамплин с боковым сливом (рис. 15.19, 15.20), который позволяет рассредоточить сбрасываемый
Концевой участок. Наиболее распространенными типами концевого участка туннельных водосбросов являются водобойный колодец или трамплин. При больших удельных расходах и скоростях в выходном сечении туннеля предпочтение отдается сопряжению бьефов отброшенной струей, так как использование донного режима сопряжения приводит к значительным размерам водобойного колодца и увеличению объемов работ. В некоторых условиях возможно применение виражейтрамплинов или рассеивающего трамплина (см. гл. 4) расход по длине трамплина. При этом снижаются удельные расходы и уменьшается глубина размыва русла. Конструктивно трамплин с боковым сливом представляет собой вытянутый вдоль берега лоток постоянной ширины или сужающийся по направлению течения. Применение такой конструкции целесообразно при расположении концевого участка водосброса на достаточно крутом (не менее 35-40°) склоне, когда для обычного фронтального трамплина неизбежна подрезка берегового склона. По данным лабораторных исследований такой трамплин на туннельном водосбросе Чиркейского гидроузла (рис. 15.19) обеспечивает при сбросе расхода 2900 м /с уменьшение глубины размыва аллювиальных отложений русла с 20 м при обычном трамплине до 7 м.
Туннельные водосбросы могут работать в напорном, безнапорном или смешанном гидравлическом режиме (например, когда до затворного узла туннель находится под напором, а далее может быть безнапорным). Пропускная способность напорного туннеля или его напорной части определяется по известной формуле: (15.3)
Действующий напор представляется в виде столба жидкости, равного разности полной удельной энергии в верхнем бьефе (с учетом скоростного напора) и средней удельной потенциальной энергии в створе выходного отверстия. Эта величина зависит от условий истечения струи из выходного отверстия водосброса [181].
Пропускную способность напорного туннеля можно также определить по расчетному напору Нрас, равному разности уровней воды бьефов:
Значение коэффициента расхода в формулах 15.3-15.4 определяется как:
Таким образом, для определения коэффициента расхода необходимо найти суммарный коэффициент сопротивлени участков водосброса от входного до выходного сечения. При суммировании каждый из коэффициентов сопротивления приводится к площади выходного отверстия водосброса, а при истечении изпод затвора к площади сжатого сечения.
Суммарный коэффициент сопротивления п участков, приведенный к выходному отверстию с площадью поперечного сечения.
Надежно коэффициент расхода может быть определен путем экспериментальных исследований моделей сооружения. На предварительных стадиях проектирования возможно использование формул 15.515.6. Отклонение расчетных данных от экспериментальных объясняется тем, что не учитывается взаимное влияние расположенных друг за другом местных сопротивлений (особенно если они располагаются близко друг к другу). Коэффициенты сопротивления различных участков напорных водосбросов могут быть определены по общим формулам местных сопротивлений [ 187].
Задача по определению параметров напорного туннельного водосброса может решаться подбором: задаваясь размерами и формой поперечного сечения туннеля (возможные формы сечений см. в главе 28) и приняв его плановое компоновочное расположение получают его длину, определяют расчетную величину коэффициента расхода ц по формуле 15.5 и пропускаемого расхода 0пр по формуле 15.4. Сравнивая величину полученного расхода с расчетным Q, увеличивают или уменьшают размеры поперечного сечения, постепенно добиваясь их примерного равенства (учитывая приближенность определения величины Х, значение Qnp следует принимать несколько больше Q).
Также возможно решение этой задачи последовательными приближениями. Проведя трассировку туннеля, задают в первом приближении величину коэффициента расхода и из формулы 15.4 определяют необходимую площадь поперечного сечения ш и принимают его форму. Затем уточняют длину туннеля и значение ц с последующим определением оо и размеров сечения. Процесс повторяется до схождения последующего и предыдущего значений.
Безнапорные туннели, как правило, первоначально предназначаются для пропуска строительных расходов и часто являются нерегулируемыми. Течение в туннеле может быть спокойным или бурным (рис. 15.21).
Выбор гидравлического режима осуществляется на основании технико экономического сравнения вариантов. Гидравлический расчет безнапорного туннеля заключается в определении размеров поперечного сечения, уклона туннеля и перепада уровней свободной поверхности AZ в пределах входной части при заданном расчетном расходе воды:
Построение кривой свободной поверхности в туннеле при его постоянной форме и ширине производится расчетом по соответствующей формуле неравномерного движения [187].
Часто в практике используются безнапорные туннели с затопленным входным отверстием. Его затопление происходит при напоре Н, отсчитываемом от порога отверстия, примерно равным величине:
Переход от напорного режима к безнапорному происходит при несколько меньшем напоре:
При этом происходит отрыв потока от потолка. В первом случае (рис. 15.22, а) точка отрыва стабильна, во втором случае (рис. 15,22, б) неопределенна, что нежелательно, так как может привести к неустановившемуся режиму истечения в туннель. Для того чтобы на всей длине безнапорного туннеля с напорным входным отверстием получить при расчетном расходе равномерное движение выходному сечению отверстия можно задать высоту в свету, равную глубине, устанавливающейся при равномерном режиме: АвШ=Л0 (рис. 15.22, г), выполняя при этом верхний оголовок с уступом.
Расход безнапорного туннеля с затопленным входным отверстием определяется по формуле [187]
Коэффициент сжатия е может быть вычислен по формуле А.Д. Альтшуля [187] или по формуле К.Ф. Химицкого [181], которая позволяет учесть влияние закругления оголовка:
Конструкции воронки шахтного водосброса. По условиям работы воронки шахтных водосбросов подразделяют на управляемые (с затворами на гребне) и автоматического действия, работающих при форсировке уровня верхнего бьефа над отметкой НПУ. Затворы на гребне водослива опираются на быки, расположенные по длине водослива радиально. Возможно использование кольцевых или цилиндрических затворов, не требующих установки быков. Возможно использование сифонного водоприемника (рис. 15.2, д) кольцевой воронкой Рис. 15.26. Лепестковый водосброс
По форме водосливного порога в плане различают кольцевые водосливы (рис. 15.24), неполные кольцевые (рис. 15.25) и лепестковые (рис. 15.26) водосливы. В зависимости от профиля различают кольцевые и неполные кольцевые водосливы с тонкой стенкой; безвакуумные практического профиля, координаты которого при расчетном напоре соответствуют нижней границе струи, переливающейся через водослив; вакуумные практического профиля; с широким порогом (с плоским гребнем); с конической вставкой.
Неполный кольцевой водослив (рис. 15.25), примыкая к крутому берегу, не требует устройства выемки большого объема и противоводоворотных конструкций.
Водослив шахтного водосброса может состоять из нескольких лотков, имеющих в плане вид лепестков с дном, наклонным в сторону шахты. Такой водоприемник называется лепестковым или маргариткой (рис. 15.26). Развитая сливная кромка такой головной части позволяет сбрасывать воду в шахту при меньшем форсировании уровня верхнего бьефа, чем в случае кольцевого водослива. Длина лотков по гребню более чем в 2,5 раза больше, чем у кольцевого водослива тех же габаритов.
Противоводоворотные устройства. Пропускную способность кольцевого водослива снижают нерадиальный подвод воды по периметру водослива, вызывающий вращательное движение потока и неравномерный подвод воды. Для устранения вращения и обеспечения равномерного подвода воды выемке, подводящей воду к водосливу, придаются определенные очертания в плане и устанавливаются различные противоводоворотные конструкции [181]: струенаправляющие быки (рис. 15.24), стенки (рис. 15.28), ребра. Условия подвода воды и тип противоводоворотных конструкций учитывают при определении коэффициента расхода водослива [181].
Согласно исследованиям могут быть рекомендованы следующие формы и размеры подводящих выемок в плане:
Отводящий тракт шахтных водосбросов. Конструкция отводящего тракта должна обеспечивать пропуск расчетного расхода, в противном случае возможно подтопление гребня водослива и уменьшение пропускной способности головной части. Это недопустимо, так как может привести к аварии гидроузла.
Сливная грань водослива плавно сопрягается с шахтой, которая в пределах переходного участка во избежании разрыва сплошности потока при свободном падении воды, выполняется суживающейся книзу. Уменьшение площади определяется в соответствии с увеличением скорости падающей жидкости. По условиям производства работ преимущество имеет цилиндрическая шахта, но при ее применении необходимо обеспечить напорный режим течения по всей длине шахты. Это достигается устройством стеснения (дефлектора) в конце шахты перед коленом или в колене (рис. 15.25).
Радиус колена, сопрягающего шахту и отводящий туннель, рассчитывается исходя из условия недопущения в колене вакуума. Падение давления ниже атмосферного может привести к возникновению кавитации и кавитационной эрозии. При устройстве стеснения следует обеспечить отрыв потока от потолка колена и подвод к нему воздуха (рис. 15.29). В коротком безнапорном туннеле воздух поступает к колену со стороны выходного портала. При этом конструкцию сопрягающего колена следует принимать по одной из схем на рис. 15.29.
Существуют другие конструктивные решения, предусматривающие свободное падение струи в вертикальной шахте без контакта жидкости со стенками при обязательной подаче воздуха в шахту. Сопряжение с отводящим туннелем может осуществляться с помощью водобойного колодца (рис. 15.27), который обеспечивает частичное гашение энергии высокоскоростного потока и снижение скорости в отводящем туннеле.
Поскольку в состав шахтного водосброса входит часть строительного туннеля, местоположение воронки и трассу туннеля увязывают между собой, добиваясь наиболее экономичного решения. Помимо конструкций, показанных на рис. 15.2415.27, может использоваться вариант с наклонной шахтой (рис. 15.1,и) или с башней, частично или полностью заменяющей вертикальную шахту (рис. 15.2, г, д).
Отводящий туннель шахтного водосброса проектируют с соблюдением требований, предъявляемым к туннельным водосбросам (см. п. 15.3). В частности, при наличии стеснения с отрывом потока от потолка колена следует обеспечить безнапорный режим в отводящем туннеле во всем диапазоне изменения пропускаемых расходов.
Гидравлические расчеты шахтных водосбросов. Гидравлический расчет шахтного водосброса заключается в определении очертаний и размеров элементов сооружения, обеспечивающих пропуск заданного расхода и нормальное функционирование системы.
Радиус гребня воронки определяется из формулы пропускной способности кольцевого водослива;
Исследованиями [181] было установлено, что коэффициент расхода m зависит от относительного напора. Поэтому для определения радиуса R из приведенной выше формулы следует правую часть умножить и разделить на R3/2:
Коэффициент расхода, как было показано в [181], будет тем больше, чем меньше отношение, оптимальная величина которого определяется сопоставлением вариантов.
Каждое значение характеризуется определенным режимом истечения через кольцевой водослив. При 0.34 гребень водослива не подтоплен. При значениях Hp/R в интервале от 0.34 до 0.38 наблюдается его незначительное подтопление, а при достижении H/R величины 0.46 подтопление заметно снижает пропускную способность водослива. И, наконец, воронка водосброса будет затопленной. Таким образом, чтобы избежать затопления воронки и существенного снижения пропускной способности кольцевого водослива следует задавать отношение.
Для определения коэффициента расхода рекомендуется формула П.П. Мойса [123]:
Рис. 15.30. Поправочные коэффициенты формулы коэффициента расхода кольцевого водослива: а на размеры подводящей выемки; 6на высоту водослива; в на отклонение напора от расчетного
Коэффициент к, зависящий от типа противоводоворотных устройств, может назначаться по таблице 15.1. Как видно из приведенных графиков значения L/D существенно влияют на величину коэффициента расхода, однако степень этого влияния во многом определяется величиной. По мере увеличения значения значения коэффициентов приближаются к 1. Оптимальная величина коэффициента расхода определяется сопоставлением вариантов.
При глубине потока в створе гребня h ее величина определяется как:
За водосливной воронкой располагается переходный участок, начальное сечение которого проходит через точку пересечения свободных поверхностей струй при пропуске расчетного расхода (рис. 15.31). Расчет и построение профиля переходного участка могут быть произведены, например, исходя из скорости центральной струйки. Скорость в начальном сечении II переходного участка (рис. 15.33) определяется как:
Скорость в любом сечении переходного участка равна:
Диаметр шахты в начальном или любом сечении переходного участка (15.24)
Более точные методы расчета переходного участка с учетом потерь напора в его пределах (по С.В. Соколовскому) приведены в [185].
В шахте ниже конечного сечения кк переходного участка (рис. 15.29) свободное падение воды переходит в напорное движение. Положение этого сечения определяется из уравнения Бернулли, составленного для сечений кк и bb (начального и конечного сечений напорного участка):
Поскольку давление в рассматриваемых сечениях атмосферное
Пользуясь равенством (15.26), можно определить степень сужения шахты (габариты дефлектора) (рис. 15.25, 15.29). Расчет производят подбором: задав ук, находят такие размеры дефлектора, при которых выполняется равенство (15.26). Достоверность расчетов по определению величины уК или габаритов дефлектора зависит от правильности оценки суммарных потерь напора, то есть от правильной оценки коэффициента шероховатости и коэффициентов сопротивлений участка сужения и колена. Если потери напора преувеличены, то переход в напорное движение в действительности произойдет в сечении ниже расчетного, если преуменьшены выше расчетного.
