Конструкции креплений нижнего бьефа при поверхностном режиме сопряжения
Использование для гашения избыточной кинетической энергии потока поверхностного режима сопряжения позволяет до минимума сократить крепление нижнего бьефа, уменьшить толщину плит и размеры каменной наброски. Сопряжение поверхностным режимом осуществляется либо с помощью носка-уступа (см. рис. 4.30, б), либо с помощью ковшовых колодцев разл-ичных типов (рис. 4.37).
Концевые части, устроенные по типу носка-уступа, могут работать при нескольких поверхностных режимах, а также с донным режимом при сбросе малых расходов. При подборе высоты носка-уступа необходимо рассмотреть все возможные режимы его гидравлических условий работы для обеспечения необходимой устойчивости существования поверхностного режима. При скальном основании нижнего бьефа крепление при поверхностном режиме сопряжения можно не устраивать. При нескальных основаниях устраивают крепление бетонными плитами, из каменной наброски, габионов, бетонных пирамид и блоков. Недостатки, отмеченные выше, несколько сдерживают распространение этого режима в практике.
Ковшовые колодцы получили большое распространение благодаря тому, что их устройство позволяет погасить большую часть избыточной энергии потока в пределах концевой части водосливной плотины, то есть в пределах ковша. Если глубина в нижнем бьефе незначительно отличается от той, которая необходима для гашения с помощью затопленного донного прыжка, применяют сплошной цилиндрический гладкий ковшовый колодец. Одним из недостатков гладких ковшей является то, что скорости в донном вальце могут оказаться достаточными для того, чтобы вызывать перемещения грунта в ковш. Известны случаи (например, на плотине Грэнд Кули в США), когда этот грунт вместе со строительным мусором оказался причиной абразивной эрозии поверхности ковша. Оптимальным считается уклон козырька 45°, высоту козырька принимают равной */б максимальной глубины нижнего бьефа.
Для уменьшения поверхностного и донного водоворотов была разработана конструкция щелевого ковшового колодца (см. рис. 4.37, б). В нем поток дробится на мелкие струи и распределяется более равномерно, чем на гладком ковше. Конструкция ковша обеспечивает его самоочищение от наносов и мусора. Прорезной ковш уступает гладкому ковшу в диапазоне глубин нижнего бьефа, при которых он, эффективно работает.
Параболический ковш с продольными ребрами (см. рис. 4.37, в) применяют в тех случаях, когда, с одной стороны, необходимо уменьшить высоту волн, образующихся в нижнем бьефе (по сравнению с гладким ковшом), а с другой, добиться более благоприятного поверхностного режима сопряжения бьефов.
Условия применения, достоинства и недостатки этой схемы сопряжения бьефов рассмотрены в 4.4.1. Преимущества рассматриваемого типа сопряжения в экономическом и техническом отношениях предопределили его широкое распространение.
Чаще всего эту схему используют в тех случаях, когда основание в зоне сопряжения представлено достаточно прочной скалой. При этом необходимо иметь гарантии того, что: размыв, образующийся на определенном расстоянии от концевой части водосброса, не будет с течением времени распространяться вверх по течению, угрожая устойчивости сооружения; зона боковых размывов не вызовет обрушения берегов и находящихся на них строений, сооружений и др. В связи с этим рассматриваемую схему сопряжения можно применять в двух возможных формах:
с отбросом струи непосредственно в естественное русло с последующим образованием размыва (рис. 4.38, а);
с отбросом струи в предварительно устроенную яму размыва (с устройством крепления ее поверхности или без него) (рис. 4.38, б) или в специальный водобойный колодец (рис. 4.38,6—д).
Последняя форма представляет новую тенденцию, имеющую широкое распространение в мировой гидротехнике.
В последнее время отброс струи в нижний бьеф осуществляют не только с помощью носков-трамплинов, но и непосредственно из отверстий глубинных водосбросов (рис. 4.38, д). Преимущество этой схемы — отсутствие носка-трамплина, а недостаток — ухудшение возможностей управления сбросным потоком и его более равномерным сбросом по большей части ширины бьефа.
В тех случаях, когда отброс осуществляется непосредственно в естественное русло (см. рис. 4.38, а), необходимо, чтобы участок падения струи располагался в зоне самых больших глубин русла. Верховой откос воронки размыва всегда должен располагаться выше профиля низового откоса плотины, продолженного до наинизшей отметки размыва. Необходимо стремиться отдалить воронку на наибольшее (водобой) охватывало всю зону падения струи. Следует стремиться к тому, чтобы над водобоем была водяная подушка достаточной глубины. В отдельных случаях толщину этой подушки увеличивают, ограждая водобой специальной стенкой (см. рис. 4.38,г). Параметры плит назначают с учетом нагрузок и вибраций, возникающих под воздействием падающих струй. При необходимости обеспечения значительной ударной прочности плит при пульсациях давления сверху и снизу плиты осуществляют анкеровку водобоя к скале основания (см. рис. 4.38,в). Для предотвращения выпора плит под водобоем устраивают специальный дренаж.
К числу основных вопросов, рассматриваемых при расчетном обосновании конструкции носка-трамплина, относят: выбор наклона, радиуса и отметок носка; расчет траекторий свободного полета струи; прогноз размывов в зоне падения струи.
Радиус цилиндрического носка- трамплина рекомендуется принимать равным 9...15 м. Кромку носка-трамплина целесообразно назначать не ниже отметки максимального уровня воды в нижнем бьефе. Угол наклона носка принимают равным 15...35°. При больших значениях угла наклона длина отброса больше, но гашение сопровождается образованием волн и водя ной пыли.
Уменьшение гидродинамических воздействий на крепление и скальное основание достигается интенсивным аэрированием потока с помощью расщепителей, устанавливаемых на участке схода потока с носка-трамплина, а также с помощью конструкций носков, имеющих поверхность двойной кривизны (см. гл. 4.2).
Трамплин с зубчатым носком позволяет расщепить струю в вертикальной плоскости (рис. 4.39, а). Применение носков с направленным отбросом дает возможность (рис. 4.39, б, в) концентрировать струю в центральной или боковых частях носка-трамплина в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения более благоприятных условий сопряжения бьефов и уменьшения размывов. Носки с трапециевидными расщепителями (рис. 4.39, г) — распространенная конструкция, позволяющая расширить струю в плане и в вертикальной плоскости для уменьшения нагрузок и размывов.
В ковшах-колодцах соединены особенности сопряжения с донным прыжком и с отбросом струи (см. рис. 4.38,е). При сбросе расходов частой повторяемости сопряжение осуществляется заполненным гидравлическим прыжком в колодце. При сбросе расходов редкой повторяемости поток с большой скоростью проскакивает в колодец и отбрасывается его концевым порогом-трамплином в виде свободной струи на значительное расстояние, где затем происходит гашение в яме размыва.
Сопряжение бьефов отбросом струи требует достоверного прогноза формы и размеров воронки размыва и гряды отложения (бара) продуктов разрушения основания (см. 4.4.7).
Сопряжение в режиме свободного падения струи (см. рис. 4.38, г) имеет отличия от режима отброса. Струя, покидая гребень носка водосливного оголовка под некоторым углом, падает в толщу воды практически под прямым углом. По мере падения часть энергии струи рассеивается из-за аэрации; оставшаяся часть энергии гасится в водяной подушке. В случаях необходимости защиты дна от размыва устраивают водобойные колодцы или водоемы. При расчетном обосновании сопряжения за арочными плотинами необходимо учитывать особенности гидравлики струи, падающей с криволинейного гребня.