Основные элементы крепления при донном режиме сопряжения. Определение параметров крепления
Совокупность сооружений, предусматриваемых в нижнем бьефе для обеспечения безопасного и надежного в эксплуатационном отношении отвода сбрасываемого потока в русло реки, называется креплением нижнего бьефа (рис. 4.33). Различают три основные части крепления: водобой, рисберму и концевую часть. Элементы конструкции крепления, предназначенные для качественного и количественного преобразования режима и параметров движения потока на участке сопряжения бьефов, называются гасителями (рис. 4.34, а — г). Характер их воздействия на поток многогранен.
Различают три основных вида воздействия: реактивное, диссипирующее и распределительное. Под реактивным воздействием понимают ту часть динамического воздействия, которая выражается проекциями реакций гасителей на горизонтальную ось, направленную в сторону, противоположную течению. Реактивное воздействие гасителей есть средство управления сопряженными глубинами потока в нижнем бьефе.
Диссипирующее воздействие проявляется во влиянии гасителей на интенсивность процесса диссипации (рассеяния) энергии потока. Это воздействие тем больше, чем на большее число струй они условно разрежут поток. В связи с этим разрезные типы гасителей работают эффективнее сплошных. Гасители стабилизируют положение гидравлического прыжка.
Под распределительным воздействием гасителей понимают влияние последних на переформирование кинетической структуры потока. При выходе потока с рисбермы на незащищенное дно выгодно иметь эпюру скоростей поверхностного типа (с максимумом вверху). Гасители помогают создать ее искусственно, подтормаживая и отклоняя придонные слои потока к поверхности.
Гасителям принадлежит ведущая роль в уменьшении длины плиты водобоя. Их делят на шашки и пирсы. Шашки (см. рис. 4.34, а) имеют высоту меньше, чем ширину или длину,
Элементы конструкции крепления, предназначенные для улучшения работы гасителей, уменьшения удельных расходов струи в месте падения ее на основание, увеличения эффективной глубины потока, входящего на водобой, называются расщепителями потока (рис. 4.34, е). Обычно расщепители устанавливают параллельно направлен нию потока и симметрично относительно его оси. При сходящихся и расходя- дящихся боковых стенках водосброса расщепители можно устанавливать веерообразно.
Вертикальные, ступенчатые, наклонные или зубчатые стенки, располагаемые в конце водобойной плиты и в отдельных случаях на рисберме, называются концевыми порогами (рис. 4.34, ж — м). Назначение порога состоит в образовании посредством отклонения донных струй за водобоем длинных плоских вальцов, взаимодействующих с транзитным потоком и способствующих дополнительной диссипации энергии. Концевые пороги также способствуют предохранению незащищенного дна за рисбермой от размыва, уменьшением донных скоростей, а также играют заметную роль в равномерном распределении удельных расходов по ширине рисбермы. С учетом последнего концевые пороги иногда называют распределительными.
Концевые пороги в плане можно располагать как нормально направлению течения, так и под углом к нему. В отдельных случаях устраивают криволинейные в плане и полигональные (зигзагообразные) пороги (см. рис. 4.34,к). Порог, прорезанный на всю высоту, называется зубчатым (см. рис. 4.34,л). Сплошной, не имеющий прорезей порог называют водобойной стенкой (см. рис. 4.34, ж).
Помимо гасителей, для обеспечения равномерного распределения потока по ширине водобоя или для изменения его направления применяют элементы конструкции крепления, называемые растекателями (рис. 4.34, н). Обычно они представляют высокие, удлиненные в плане гасители, поставленные косо к направлению течения потока.
Общие недостатки всех растекателей, гасителей и расщепителей — быстрый износ углов из-за повреждений их плавающими предметами (льдинами, бревнами, наносами); кавитационная эрозия ребер и плоскостей (см. гл. 4.3).
Наиболее прочной и массивной частью крепления является водобой (см. рис. 4.33, позиция 4). На нем располагают гидравлический прыжок, который должен быть либо затоплен, либо находиться в критическом положении. С целью затопления прыжка плиту водобоя заглубляют в грунт основания, или снабжают гасителями, расщепителями и концевыми порогами, или делают наклонной (см. рис. 4.33, г, д). Отметку поверхности водобоя выбирают на основе результатов технико-экономического сравнения вариантов. Для водосбросов крупных гидроузлов гидравлические условия работы всех частей крепления исследуют в гидравлических лабораториях на пространственных моделях.
Водобой обычно имеет массивную бетонную плиту. Для борьбы с абразивной и кавитационной эрозией его поверхность выполняют из особопрочных бетонов, стальбетонов и полимербетонов (см. гл. 4.1). В швах между плитами водобоя, устраиваемых из условий экзотермического разогрева бетона и технологии производства работ с учетом динамических условий работы каждой плиты, выполняют надежные уплотнения для предупреждения выноса грунта из основания. Водобойные плиты укладывают таким образом, чтобы их общая поверхность была ровной, без уступов и выступов. Плоскость плит располагают несколько ниже плоскости поверхности водосливной грани или дна быстротока, то есть с небольшим уступом. Это делается для того, чтобы избежать образования обратного выступа в том случае, если тело плотины (или плиты быстротока) будет иметь осадку большую, чем плита водобоя. В конце водобойной плиты предусматривают устройство небольшого зуба для предупреждения неблагоприятных явлений, которые могут быть вызваны оседанием плит рисбермы. В абсолютном большинстве случаев под плитами водобоя устраивают горизонтальный плоский дренаж с обратным фильтром. Дренажные воды отводят через специальные дренажные колодцы с фильтровой набивкой. Этим же колодцам принадлежит определенная роль в снятии дефицита давления (см. ниже).
При размещении дренажных колодцев необходимо учитывать гидродинамические нагрузки. Длину водобойной плиты без гасителей принимают равной:
Длину водобойных плит можно сократить применением водобоев с прямым или обратным уклоном поверхности. Эти водобои хорошо исследованы и неоднократно применялись в практике. Водобои с прямым наклоном обычно имеют уклон от 1 : 4 до 1 :2.
Обратный уклон водобоев следует ограничивать 4%. При больших обратных уклонах на водобое возникает волнистый прыжок, который менее эффективен при сопряжении бьефов, чем затопленный донный.
Толщину водобойной плиты назначают на основе результатов расчетов ее устойчивости (на сдвиг, опрокидывание и всплытие) и прочности, выполненных с учетом всех сил и воздействий. Арматуру водобойной плиты подбирают по эпюрам моментов в вертикальных ее сечениях с учетом конструктивных факторов. Разрезку плиты швами поперек потока обычно принимают равной длине секции плотины.
Ширину гасителей и расстояние между ними чаще всего принимают равными их высоте, в плане гасители размещают в шахматном порядке.
Вслед за водобоем идет менее массивная часть крепления — рисберма (см. рис. 4.33, позиция 7). Назначение рисбермы — защитить дно от размыва на участке завершения гашения избыточной энергии потока. На рисберме гасится 30...40 % энергии водного потока, сбрасываемого в нижний бьеф через сооружение. Главное свойство, которое должно быть присуще рисберме в отличие от массивного водобоя, —гибкость, позволяющая ее плитами, не теряя связи между собой, следовать возможным перемещениям речного дна. Фильтрационный поток, выходящий из-под водобоя, должен иметь возможность свободно выйти на участке рисбермы без каких-либо фильтрационных деформаций основания. Для этого рисберму, как правило, укладывают по слою обратного фильтра. Для крепления рисбермы используют бетонные и железобетонные плиты (сборные и монолитные), каменную наброску и кладку, габионы, ряжи, заполненные камнем (рис. 4.35). Для выхода фильтрационного потока в бетонных плитах устраивают дренажные колодцы (от 0,25X0,25 до 1X1) на расстоянии 5... 10 м один от другого.
Общую длину крепления (водобой плюс рисберма) можно определить по одной из зависимостей Д. И. Кумина:
