Условия работы открытых водопропускные сооружений
Отличительная особенность открытых водопропускных сооружений — на всей длине их водопропускного тракта поток движется безнапорно. При русловом размещении плотинного водосброса его обычно выполняют в виде бетонной плотины, имеющей высокий или низкий водосливной порог, сливную грань, быки для закрепления затворов и опирания пролетных строений мостов. За сливной гранью или в конце ее располагают водобойную плиту (водобой) или носок (трамплин, уступ), предназначенные для обеспечения требуемого режима сопряжения бьефов (см. рис. 4.1).
В плане водосливной порог может быть прямолинейным, криволинейным и ломаным. При необходимости в теле плотины могут быть устроены один или несколько ярусов глубинных трубчатых водосбросов.
К водосливным также относятся и арочные плотины, имеющие по гребню открытый водосливной оголовок, черзе который происходит перелив, а затем свободное падение воды в нижний бьеф. В арочных плотинах могут быть один или несколько ярусов глубинных водосбросов (водовыпусков, водоспусков). Открытые водосбросы можно устраивать при контрфорсных (см. рис. 4.1,в), грунтовых и других плотинах (см. гл. 5.4). К открытым водопропускным сооружениям относятся многие типы береговых водосбросов — быстротоки, многоступенчатые перепады, траншейные водосбросы, а также регуляторы водозаборных гидроузлов, шлюзы-водосбросы, резервные пойменные водосбросы и т. д. Их расходы могут измеряться от нескольких до десятков тысяч метров кубических в секунду.
По условиям работы тракт водопропускного сооружения делят на три основные части: входную, транзитную и концевую; за последней располагается участок перехода потока к естественному состоянию.
Входная часть водосброса. Она предназначена как для обеспечения благоприятных условий подхода потока (регулирования его в плановом и высотном отношениях), так и для сброса расходов в НБ. Входная часть состоит из двух участков: подводящего канала ( выемки) или подходного участка реки перед водосливной плотиной; головной части непосредственно водопропускного сооружения, С помощью подводящего канала осуществляется организованный подвод воды к головной части водосброса или к водосливной плотине. При этом необходимо соблюдать ряд условий: характер движения потока в подводящем канале должен быть спокойным, безотрывным, с нормальным направлением линий тока по отношению к водосливному фронту; на подходе потока к головной части должно быть обеспечено равномерное распределение удельных расходов; в длинных подводящих каналах следует тщательно оценивать потери энергии по их длине и при расчете пропускной способности головной части водосброса учитывать, что отметка уровня воды перед ним может быть ниже отметки воды в водохранилище; при наличии косого подхода к водосливному фронту следует проектировать устройство специальных направляющих стенок или струенаправляющих дамб и др.
Головная часть предназначена для контролируемого впуска воды в пределы сооружения. Чаще всего она бывает представлена бетонными водосливными порогами (водосливами) различ-. ных типов: высокими (водосливы практических профилей), низкими (водосливы с широким порогом), с прямолинейными, криволинейными и ломаными в плане фронтами. Головная часть может быть снабжена затворами, то есть быть регулируемой (рис. 4.5). Головную часть без затворов называют нерегулируемой (автоматической), в работу она вступит после того, как УВБ превысит отметку гребня водосливного порога.
В случае регулируемой головной части отметка гребня глухой плотины или верха береговых устоев будет меньше, чем при нерегулируемой (то есть глухая плотина будет ниже, а площадь затопления сельскохозяйственных угодий в верхнем бьефе, подвергающихся временному затоплению в паводок, будет меньше) .
На крупных речных гидроузлах водосбросы чаще всего устраивают с регулируемой головной частью. Нерегулируемые водосбросы строят на небольших водохранилищных гидроузл- лах, когда применительно к условиям их эксплуатации выдвигается требование максимальной простоты обслуживания.
Для уменьшения напора Н над водосливным порогом и соответственно уменьшения отметки гребня глухой плотины развивают длину фронта водослива, делая ее в плане криволинейной или полигональной.
Важным является вопрос о выборе координат очертания водосливного порога (см. гл. 7.3).
Водосливные плотины малой высоты обычно имеют распластанный профиль по типу водослива с широким порогом (см., рис. 4.3), сечение 1 — 1; при средних и больших напорах их выполняют с практическим профилем (безвакуумные и вакуумные).
Для того чтобы вакуумный водослив работал без кавитационных явлений и неблагоприятных прорывов воздуха в область вакуума, необходимо соблюдать ряд условий: обеспечить значения вакуума на оголовке (см. гл.4.3); предотвратить срыв вакуума устройством плавно очерченных устоев и удлиненных быков, чтобы зона вакуума с низовой стороны находилась в пределах боковых стенок быков, а также использованием сегментных затворов, не требующих устройства пазов в зоне вакуума, устройством пазов для ремонтных затворов вне зоны вакуума (см. рис. 4.6); ограничить отношения значениями 3,4...3,6 и в особо ответственных сооружениях
Вакуумные водосливные профили наиболее целесообразно использовать в тех случаях, когда: строительство ведут на скальных основаниях, при небольших и средних высотах водосливной плотины (до 25...30 м) и более полный безвакуумный профиль имеет чрезмерный запас устойчивости против сдвига; имеется необходимость сократить до минимума площадь временно затапливаемых в паводок земель в ВБ в случае устройства нерегулируемого водосброса предусматривается устройство боковых и траншейных водосбросов; наращиваются реконструируемые плотины.
Мнение о повышенных вибрациях вакуумных водосливов является ошибочным. Оно было основано на некритическом рассмотрении имевшихся случаев вибрационных явлений на неправильно запроектированных старых плотинах при наличии вакуума под оторвавшейся от профиля струей.
Транзитная часть открытых водосбросов. Транзитная часть открытых водосбросов типа водосливной плотины представлена поверхностью водосливной грани или лотком, устроенным по низовой плите плотины (см. рис. 4.1). Для этих водосбросов должно соблюдаться требование недопустимости возникновения на транзитной части кавитационной эрозии в опасной для сооружения форме (см. гл. 4.3). Необходимо также правильно учитывать аэрацию потока на водосливной грани.
Транзитная часть открытых береговых водосбросов по своей конструкции и плановой конфигурации в значительной степени зависит от рельефа местности и геологических условий (см. гл. 6.2). В плане ось трассы этой части следует принимать прямолинейной, а если устройство поворота оси трассы по каким-либо причинам неизбежно, то на быстротоках (бурный режим течения) целесообразно устраивать вираж, придавая донной плите на участке поворота поперечный уклон. В противном случае возникает неблагоприятный режим работы сооружения с резким изменением глубин по ширине (рис. 4.7), требующий значительного увеличения высоты стенок быстротока для предотвращения излива воды на склон,а также в значительной мере ухудшаются условия гашения энергии потока на концевой части. Необходимо учитывать, что устройство виража усложняет конструкцию транзитной части и сооружения в целом.
Часто непосредственно за входной частью приходится устраивать участок сужения. При бурном режиме течения необходимо придать плавные очертания в плане сближающимся стенкам, исключающие существенную неравномерность глубин по ширине быстротока, характерную для неплавного выхода потока на суженный участок.
На транзитной части водосброса возможно возникновение аэрации потока и катящихся волн. Так как катящиеся волны имеют большую высоту и неблагоприятно влияют на режим работы нижнего бьефа, следует тщательно прогнозировать их параметры и принимать меры к предотвращению их образования (см. гл. 6.2).
Концевая часть открытого водопропускного сооружения обычно включает различные устройства для гашения избыточной энергии потока (см. гл. 4.4, 6.2, 6.3).