ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ И ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Водосбросные сооружения по расположению входного отверстия, по особенностям работы и гидравлического расчета подразделяют на поверхностные, глубинные и донные, двухъярусные и многоярусные.
Поверхностные водосбросы. К поверхностным водосбросам относятся водосливы, быстротоки, перепады, траншейные, шахтные и вихревые водосбросы, регуляторы водозаборных гидроузлов и каналов, т.е. сооружения сдвижением воды со свободной поверхностью. Они просты и удобны в эксплуатации, могут пропускать в нижний бьеф лед, шугу, плавающий мусор и т.п. Основным конструктивным элементом поверхностных водосбросов является водослив, тип которого во многом определяет их пропускную способность.
Водосливы выполняют в виде:
а) водослива практического профиля с пропуском воды по сливной грани сооружения на гидроузлах с бетонными плотинами любого типа (рис. 4.3, а, б), на быстротоках, траншейных, шахтных и вихревых водосбросах, на регуляторах;б) водослива с широким порогом на низконапорных гидроузлах при небольшой разнице уровней воды в бьефах, а также на быстротоках, перепадах, шахтных и вихревых водосбросах, на регуляторах (рис. 4.3, а)\
в) водослива с тонкой стенкой (с острой кромкой) на низких плотинах и перепадах (рис. 4.3, г);
г) водослива распластанного профиля (с полигональным профилем) на низконапорных гидроузлах как конструкцию, промежуточную между водосливом практического профиля и водосливом с широким порогом (рис. 4.3, д, е).
Расход воды Q, который может пропускать поверхностный водосброс, зависит от размеров водосливного отверстия: напора Н на гребне и ширины отверстия Ь, вида водослива и формы его оголовка, характерного размера б гребня водослива, а также от величины подтопления гребня водослива со стороны нижнего бьефа А, и в меньшей степени от высоты водослива С.; формы быков и верховых сопрягающих устоев, которые определяют боковое сжатие потока на водосливе:
Очертание водослива практического профиля строится по известным коор .динатам КригераОфицерова для напора НИЛУ, отвечающему основному расчетному случаю, т.е при НПУ. Внизу водосливная поверхность плотины плавно сопрягается с горизонтальной поверхностью крепления нижнего бьефа цилиндрической поверхностью с радиусом R (см. рис. 4.3, а), который обычно назначается в пределах
Средняя потенциальная энергия П зависит от условий течения потока в створе выходного отверстия, поэтому напор На отсчитывается от центра тяжести при свободном истечении, от верхней кромки отверстия при истечении без подтопления, от уровня воды в створе отверстия при затопленном выходном отверстии (рис. 4.7).
При проектировании напорных водосбросов особое внимание уделяется конструированию входного оголовка, который должен обеспечивать поступление воды в водосброс с незначительными потерями напора, иметь по возможности простое очертание и быть бескавитационным. Оптимальное очертание оголовка эллиптическое и приближенно отвечает форме свободной поверхности потока при истечении изпод плоского затвора (рис. 4.8), при этом коэффициент сопротивления оголовка » 0,04, а коэффициент вертикального сжатия е определяют по формуле (4.10). Более простое круговое (циркульное) очертание оголовка имеет коэффициент сопротивления зависящий от отношения радиуса оголовка г к высоте h.
Плавные формы оголовка позволяют избежать воронкообразования в верхнем бьефе, которое является причиной захвата воздуха потоком воды, что недопустимо. Минимальное заглубление А, м, при котором отсутствует вихревая воронка, при фронтальном подходе воды к водосбросу равно 0,52 v >fh , где v и А соответственно средняя скорость потока в водосбросе, м/с, и его высота, м.
При увеличении скорости воды во входном сечении водосброса и при уменьшении его заглубления под уровень воды в верхнем бьефе оголовок должен иметь более обтекаемые очертания во избежание локального падения давления, которое ведет к кавитации (см. п. 2.5). Кавитационная эрозия возможна также на поворотах водосброса, выполненных с малыми радиусами кривизны, и на выходных участках. Для увеличения давления на стенки водосброса, что снижает опасность возникновения кавитации, его выходной участок рекомендуется выполнять в виде конфузора, т. е. с уменьшающейся по длине участка площадью поперечного сечения (см. рис. 4.6, а, б).
Сифонные водосбросы [178]. При необходимости автоматического сброса воды при малых повышениях уровня в верхнем бьефе над НГГУ целесообразно устраивать сифонные водосбросы. Сифон представляет собой изогнутый водовод прямоугольного или круглого сечения в теле бетонной плотины, входная часть которого расширена и заглублена пол НПУ настолько, чтобы при пропуске воды не образовывались воронки, и внутрь сифона не попадал воздух. Порог (гребень) сифона располагается на уровне НПУ (рис. 4.9).
При подъеме уровня воды выше порога стекающая по грани водослива струя воды отбрасывается носком к потолку и герметизирует пространство водовода выше носка, унося при этом с собой воздух, что создает в замкнутом пространстве вакуум, который и обеспечивает включение сифона в работу полным сечением водовода. Аналогичным способом заряжается сифон при устройстве нижнего колена (колодца) с водяным замком (рис. 4.9, б). Для включения сифона в работу требуется повышение уровня воды в верхнем бьефе на 1020 см.
Пропускная способность сифона определяется по формуле (4.11). Коэффициент расхода р вычисляется по формуле (4.12) и достигает в современных сифонах величины 0,75И),85. Напор Ил отсчитывается от уровня верхнего бьефа до потолка водовода в выходном сечении 22, если оно не затоплено, или до уровня воды в нижнем бьефе при затопленном выходном сечении водовода. При этом по условиям недопущения разрыва сплошности потолка в водоводе вакуум в сечении 1—1 на потолке (рис. 4.9, а) ограничивается 8 м вод. ст. Поэтому напор как правило, не превышает 8ИО м, а удельные расходы на 1 м ширины гребня ограничены до 2025 м3/с. К недостаткам сифонов относятся возможность забивки их льдом, шугой или мусором и вибрация сооружения при значительном вакууме.
Двухъярусные и многоярусные водосбросы применяют при необходимости забора и сброса воды с различных глубин в верхнем бьефе, пропуска строительных отходов, промыва наносов, откладывающихся перед плотиной, и периодического опорожнения водохранилища (рис. 4.10, см. рис. 4.6, а, б).
Водослив и напорные водосбросы рассчитывают на пропуск расчетных расходов при отметках уровня воды в верхнем бьефе, равных НПУ и ФПУ. Пропускную способность водослива рассчитывают по формуле (4.2), а напорных водосбросов по формуле (4.11). Скоростной напор в верхнем бьефе определяют по расчетному расходу, т.е. по суммарному расходу всех водопропускных сооружений.
Если напорный водосброс выведен плавно на поверхность водослива (см, рис. 4.6, а), то при работающем водосливе поверхностный поток на водосливе препятствует выходу воды из отверстий глубинных трубчатых водосбросов. При этом действующий напор Нд, который имеется при отсутствии водосливного потока, уменьшается на величину, зависящую от формы сопряжения напорного водосброса и сливной грани и отношения расходов водослива и трубчатого водосброса; АНд может достигать
Двухъярусная водосливная плотина представляет собой комбинацию водослива и донного водосброса (см. рис. 4.10). В отличие от средне и высоконапорных многоярусных водосбросов, на которых водослив не испытывает влияние работы глубинных водосбросов, на двухъярусных плотинах отмечается влияние как поверхностного потока на пропускную способность донного водосброса, так и напорного потока на пропускную способность поверхностного водослива. При этом пропускная способность двухъярусной плотины при совместной работе водослива и донного водосброса несколько выше, чем сумма расходов при их независимой работе [180].
Напор НД донного водосброса двухъярусной плотины при работающем водосливе равен [182]
Расчет пропускной способности водослива следует вести как для обычного водослива по формуле (4.2). Однако с учетом влияния работающего донного водосброса высоту водослива со стороны верхнего бьефа следует отсчитывать не от дна подводящего русла, а от линии р~р (см. рис. 4.10, б), разделяющей потоки водослива и донного водосброса. Высотное положение линии рр определяется глубиной t, вычисляемой методом итераций по формуле:
Тип водосброса выбирают на основе техникоэкономического сравнения различных вариантов с учетом: типа плотины и напора на ней, расчетных эксплуатационных и строительных расходов, схемы пропуска строительных расходов, топографических и геологических условий района строительства плотины и типа других водопропускных сооружений.
Все сказанное выше может использоваться при проектировании и расчете водовыпусков и водоспусков. Сведения о береговых водосбросах представлены в гл. 15.
