МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ БУРНЫМИ ПОТОКАМИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИИ
В открытых и закрытых водосбросных сооружениях приходится проектировать различного рода расширения, сужения, повороты и другие переходные участки, в пределах которых необходимо предотвратить образование неблагоприятных для всего сооружения деформаций свободной поверхности, сопровождающихся возникновением остановившихся волн. Поток, находящийся на этих участках, как правило, в бурном состоянии, часто можно рассматривать как двухмерный, то есть полагать, что его глубина и скорости есть функции двух координат. Расчетная схема таких потоков имеет два основных допущения [108]: 1) векторы осредненных местных скоростей на нормали ко дну равны и находятся в одной плоскости; 2) нормальные к плоскости дна составляющие скоростей и ускорений малы и могут не учитываться в расчетах. Исследования показали, что эти допущения приемлемы, когда ширина потока в несколько раз больше его глубины, рельеф поверхности дна носит плавный характер, а плановая кривизна струй незначительна. Во многих случаях расчеты без существенных погрешностей можно упростить, исключив из рассмотрения силу трения. Любое плановое искривление боковой стенки в расчете можно представить состоящим из нескольких более мелких прямолинейных участков, изменение направления которых приводит к образованию в потоке линий возмущения остановившихся волн небольшой высоты. По мере удаления от стенок эти волны либо сближаются (поворот стенки внутрь потока), либо расходятся (поворот стенки от потока), что приводит к возникновению плавных повышений или понижений уровня свободной поверхности типа пологой волны (рис. 4.14). Если искривление стенки внутрь потока носит резкий характер, то линии возмущений накладываются друг на друга и появляется крутая остановившаяся волна, имеющая фронт и называемая в гидравлике косым гидравлическим прыжком. В случае резкого поворота стенки в сторону от потока возникает суммарное смещение линий возмущения, называемое косой пологой расширяющейся волной.
При пересечении линий возмущения в одной точке возникает центрированная простая волна (сужающаяся или расширяющаяся).
Уравнение сопряженных глубин косого гидравлического прыжка имеет вид:
Для расчетного обоснования и проектирования переходных участков применяют три класса методов.
В первом классе методов рассматривают такие конструкции, в которых управление бурным потоком ведется с помощью одних лишь боковых стенок, а дно остается плоским или наклонным (рис. 4.16).
Расчеты таких участков обычно выполняют методами характеристик либо различными графоаналитическими способами, излагаемыми в специальных курсах гидравлики [108, 126].
Для участков сужения наиболее крутые волны получаются в сужении с прямолинейными стенками (рис. 4.16). Наименьшие деформации поверхности имеют место в сужениях, которые ограничены плавными криволинейными стенками (рис. 4.16,6) или имеют на своем протяжении радиальный характер течения (рис. 4.16, в).
График с серией кривых, полученных методом характеристик, позволяющий построить плановые очертания боковых стенок участка расширения с предельным расширением потока в плане при условии сохранения
Для определения угла наклона дна на таком повороте используют формулу:
Повороты более сложных очертаний, а также участки сопряжения поворота с прямолинейными участками рассчитывают методами гидравлики двухмерного потока. Они позволяют определить координаты стенок поворота с переменным радиусом, а также установить все параметры потока на этом повороте, включая отметки свободной поверхности и высоты стоячих волн.
Ко второму классу методов расчетного обоснования переходных участков относятся расчеты водосбросных сооружений с дном двоякой кривизны. Конструкции, рассчитанные этими методами, существенным образом деформируют поток; он имеет пространственно искривленную свободную поверхность, и соответственно давление в потоке оказывается распределенным не по гидростатическому закону. Расчетные методы этого класса базируются на использовании уравнений свободной поверхности и неразрывности. Этими методами рассчитывают рассеивающие трамплины (рис. 4.18), виражи, а также переходные участки, в пределах которых удается избежать волнообразования (образования стоячих волн) достижением с помощью дна двоякой кривизны, задонного распределения удельных расходов.
Расчет конструкций методами второго класса ведут по специальным программам, как правило, с использованием ЭВМ. Для отдельных, наиболее часто встречающихся случаев используют специальные таблицы [108].
К третьему классу относятся методы расчетного обоснования конструкций, управляющих бурным потоком, разработанные на основе результатов модельных гидравлических исследований переходных и концевых участков водосбросных сооружений. К числу конструкций, предложенных на основе этого класса методов, относятся рассеивающие трамплины различных типов (рис. 4.19). Например, для водосброса Чиркейского гидроузла в условиях узкого ущелья была разработана специальная конструкция трамплина с боковым сливом (рис. 4.20). Она позволила существенно уменьшить размыв нижнего бьефа на участке падения струи.
При разработке конструкций, управляющих бурным потоком, помимо расчетного обоснования аналитическими методами, их обычно исследуют в гидравлических лабораториях.