Специальные гасители энергии
Специальные гасители устраивают обычно в пределах водобоя; они представляют собой преграды или выступы (например, железобетонные) той или другой формы и размера. Поток, обтекая эти преграды или выступы, расщепляется на отдельные струи, которые могут соударяться, при этом кинетическая энергия потока будет снижаться.
Рассматривая такое движение воды, необходимо различать следующие три важных обстоятельства, которые необходимо учитывать при проектировании гасителей:
1. На рис. 15.10 показаны два различных гидравлических прыжка: обычный прыжок (рис. 15.10, а) —в его пределах нет гасителя в виде бетонного выступа; прыжок, в пределах которого имеется гаситель в виде бетонного выступа 1 (рис. 15.10,6). По схеме на рис. 15.10,6 гаситель испытывает со стороны потока некоторое roj ризонтальное давление, направленное в сторону нижнего бьефа; в свою очередь, поток со стороны гасителя испытывает соответствующую реакцию R. Именно наличием этой реакции прыжок по этой схеме отличается от прыжка на схеме рис. 15.10, а. Выражая гидравлическим уравнением количество движения сечений I—1 и 2—2, легко найдем при заданной первой сопряженной глубине hc—h (одинаковой для схемы на рис. 15.10, а и б) отвечающие этой глубине вторые сопряженные глубины: а) без гас —для схемы без гасителя; б) Лс гас —для схемы с гасителем. Сопоставляя найденные глубины h без гас и hc гас, видим, что гаситель энергии резко снижает вторую сопряженную глубину h (за счет упомянутой выше реакции R). Обозначим через соответствующие затопляющие глубины, т. е. такие глубины нижнего бьефа, при которых получаем затопленный прыжок с заданной степенью затопления (см. гл. 16): Al = h2/h. Гаситель, уменьшая вторую сопряженную глубину, уменьшает на столько же и затопляющую глубину. Часто получают, например, такое соотношение: 0,7...0,8. Устраивая гасители и уменьшая за счет их реактивного действия затопляющую глубину, можем увеличить отметку поверхности дна, на котором устраиваем гаситель, т. е. поднять это дно (сохранив при этом необходимую степень затопления прыжка). 2. При обтекании гасителей в потоке образуются водоворотные области, способствующие повышению пульсации скоростей. При этом в движущейся воде резко увеличиваются турбулентные касательные напряжения, что значительно повышает потери напора, т. е. диссипацию энергии потока в нижнем бьефе. 3. Гасители энергии, воздействуя на поток, могут снижать волнение свободной поверхности в нижнем бьефе, уменьшать сбой ность течения, способствовать более интенсивному растеканию потока в плане, а следовательно, способствовать уменьшению удельных расходов, поступающих в русло нижнего бьефа.
В соответствии со сказанным можно различать (согласно Д. И. Кумину) тройную роль гасителей: 1) реактивную, выражающуюся в уменьшении затопляющей глубины и поднятии поверхности водобоя, а следовательно, в уменьшении высоты плотины в нижнем бьефе; 2) диссипативную, выражающуюся в том, что в случае устройства гасителей энергии заданная перепадом на плотине избыточная кинетическая энергия гасится на относительно небольшой длине, причем на достаточно малом расстоянии от плотины получаем в нижнем бьефе поток нормальной структуры. Благодаря этому можем или укоротить длину крепления нижнего бьефа, сохраняя глубину воронки размыва за ним, или, сохраняя длину крепления нижнего бьефа, уменьшить глубину воронки размыва за креплением, а следовательно, уменьшить глубину концевого устройства; 3) регулирующую, выражающуюся в успокоении потока в нижнем бьефе и в уменьшении удельных расходов воды, поступающей в русло нижнего бьефа.
Иногда устраивают специальные гасители энергии в виде так называемой искусственной шероховатости, создаваемой за прыжком в основном на рисберме. С помощью искусственной шероховатости дополнительно можно: а) несколько притормаживая придонные слои потока, добиться уменьшения придонных скоростей, а следовательно, снизить размывающую способность потока; б) добиться более интенсивного затухания пульсационных явлений в пределах послепрыжкового участка, в связи с чем снизить размывающую способность потока. Искусственная шероховатость, устроенная в пределах рисбермы, утяжеляет ее работу (снижает ее прочность).
В настоящее время рациональную форму и достаточно надежные размеры специальных гасителей энергии можно установить только путем лабораторных испытаний конкретного сооружения. Неправильно построенные специальные гасители энергии могут значительно ухудшить условия сопряжения бьефов.
Общим недостатком специальных гасителей энергии является то обстоятельство, что на их гранях при больших скоростях потока развивается кавитация и с течением времени эти гасители разрушаются благодаря кавитационной эрозии. Кроме того, специальные гасители энергии могут иногда повреждаться плавающими телами, в частности льдом.
Можно различать следующие классификации специальных гасителей: 1. Реактивные гасители, уменьшающие затопляющую глубину, и диссипативные и регулирующие гасители, служащие для сокращения длины крепления нижнего бьефа и для успокоения потока 2. Сосредоточенные (или близкорасположенные) гасители, т. е. расположенные вблизи сжатого сечения, где скорости потока велики, и удаленные гасители в виде искусственной шероховатости. 3. Сплошные гасители в виде сплошных водобойных стенок и так называемых водобойных порогов, и прорезные гасители — более удобные в отношении пропуска строительных расходов воды; в случае таких гасителей временный порог, служащий для пропуска строительных расходов, представляется возможным располагать на относительно низком уровне.
Упомянутым выше водобойным порогом называют водобойную стенку небольшой высоты; перед водобойным порогом не образуется затопленный прыжок, как перед водобойной стенкой нормальной высоты; струя перескакивает через порог, причем за порогом в результате гашения энергии, обусловленного им, получается затопленный гидравлический прыжок на относительно небольшом расстоянии от плотины.
Помимо гасителей, относящихся к приведенным выше трем общим классификациям, необходимо различать еще множество типов гасителей различной конструкции.
В настоящее время в качестве специальных гасителей наиболее часто применяют: а) пирсы и шашки; б) зубья; в) растекатели; г) носкирасщепители; встречаются также те или другие комбинации этих типов гасителей.
1. Пирсы и шашки представляют собой ряд выступов, имеющих форму, показанную на рис. 15.11. Если высота этих выступов больше их длины и ширины, то их называют пирсами, в противном случае— шашками. Пирсы и шашки в плане располагают в шахматном порядке: пирсы — на водобое за сжатым сечением транзитной струи; шашки применяют в качестве искусственной шероховатости и располагают за прыжком (на рисберме). Пирсы и шашки делают обычно из железобетона. Шашки иногда заменяют крупными камнями или рельсами, втопленными в бетон.
Для ориентировочного определения гидродинамического давления Р на пирсы, имеющие вертикальную верховую грань, рекомендуют формулу (см. рис. 15.10 и 15.11):
2. Зубья (зубчатые пороги) могут иметь самую различную форму (рис. 15.12, а, б). На рис. 15.12, в показана конструкция, называемая зубчатым порогом Ребока. Таким порогом иногда заканчивают крепление нижнего бьефа. При этом получается следующая картина: поток расщепляется зубьями на отдельные струи; вследствие разной высоты зубьев образуются как бы два яруса струй (см. стрелки на рис. 15.12, s); непосредственно под этими струями создаются условия движения воды, при которых размывающая способность потока в данном месте несколько снижается. Сами зубчатые пороги делают из железобетона, иногда из гранитных камней на анкерах.
3. Растекатели (рис. 15.13) препятствуют сбойности потока и способствуют уменьшению удельных расходов. Их устанавливают в начале водобоя, в зоне сжатого сечения под углом а = 0...15° к оси потока; высота растекателей равна примерно глубине воды в сжатом сечении; длину стенок принимают равной (12,5...3). Угол а для крайних и средних пролетов принимают различным. При такой расстановке, стенок ликвидируем водоворотные области (с вертикальной осью), которые при отсутствии растекателей возникают у берегов и сжимают с боков транзитную струю, выходящую из открытых отверстий плотины.
4. Носокрасщепитель. Д. И. Кумин в результате лабораторных исследований пришел к заключению, что сосредоточенные пирсы 1 дают в некоторых случаях большое фонтанирование струи, что резко ухудшает условия сопряжения бьефов за гасителями. Вместе с тем от такого фонтанирования легко можно избавиться, если устроить так называемый носокрасщепитель (рис. 15.14,6). При этом сопряжение бьефов значительно улучшается.
На рис. 15.15 приведены некоторые наиболее рациональные сочетания носкарасщепителя с пирсами, размеры которых (в процентах от критической глубины) были установлены на основании лабораторных опытов Д. И. Куминым.