ar-net.ruВ этом неравенстве L и Н - длина водосброса и напор на его входном пороге.
Влияние уклона дна на пропускную способность фронтального водосброса, работающего по схеме неподтопленного водослива с широким порогом (рисунок 19а), должно учитываться поправочным коэффициентом, увеличивающим коэффициент расхода. При приближении уклона дна неподтопленного оголовка к критическому уклону следует верхнее граничное значение в неравенстве (5) увеличивать примерно на 30%.
7.4 Определение пропускной способности фронтального водосброса, входной оголовок которого работает как подтопленный водослив с широким порогом, должно производиться при L / H = 6...10 или при наличии подтопления со стороны его выходного сечения (рисунок 19б). Расчет возможности подтопления сжатого сечения во входном оголовке фронтального водосброса следует выполнять на основе построения кривой свободной поверхности вверх по течению от граничной глубины в его выходном сечении. Пропускная способность определяется методом последовательных приближений, применяя уравнение затопленного водослива с широким порогом.
7.5 Пропускная способность фронтального водосброса, изображенного на рисунке 19в, должна устанавливаться как для водосливов практического профиля. Наиболее распространенный профиль дна таких оголовков - какое-либо из безвакуумных очертаний водослива практического профиля. Для обеспечения пропускной способности ширина входного водосливного оголовка фронтального водосброса такого типа должна быть существенно большей, чем остального тракта. Поэтому ниже входного оголовка необходимо предусматривать плавно сужающийся в направлении течения участок. Расположение этого сужения на круто наклонном участке тракта фронтального водосброса должно быть таким, чтобы оно не вызывало подтопления и снижения пропускной способности водослива на входе. Если за круто наклонным участком такого фронтального водосброса располагается отводящий участок с небольшим уклоном дна, то эти два участка следует сопрягать радиальным поворотом в вертикальной плоскости.
7.6 Для снижения опасности кавитационных воздействий на поверхность бетонной обделки высоконапорных водосбросов рекомендуется предусматривать на их трактах мероприятия, обеспечивающие аэрацию пристенных слоев потока. Аэратор потока необходимо располагать на его крутонаклонном участке водослива. Если проектом предусмотрена длительная эксплуатация фронтального водосброса при частичных открытиях основных затворов, то аэратор следует размещать насколько возможно ближе к гребню водосливного оголовка, где наблюдается вакуумная зона. Для уменьшения возможности кавитационных воздействий в зоне снижения давлений за поворотом в вертикальной плоскости на дне водосброса целесообразно предусмотреть аэрацию пристенных слоев потока в начале его отводящего тракта. Для этого при сопряжении такого поворота с отводящим трактом необходимо устраивать вертикальный уступ с подводом к нему воздуха из надводного пространства. На участке от уступа до места контакта потока с дном отводящего тракта следует увеличить высоту поперечного сечения. Высота надводного пространства здесь должна быть не меньше, чем на примыкающем участке отводящего тракта.
7.7 Необходимо учитывать, что на участке сужения ниже входного оголовка на поверхности потока образуются гребни значительной высоты, которые при пропуске расчетных расходов могут перекрывать значительную часть воздушного пространства над потоком воды и существенно ограничивать поступление воздуха со стороны входного сечения на отводящий тракт фронтальных водосбросов. Поэтому необходимо проверять устойчивость течения на отводящем тракте, принимая в первом приближении, что воздух со стороны верхнего бьефа на тракт вообще не поступает. Если проектом предусмотрен пропуск расходов при частичных открытиях затворов в течение длительного времени, то проверка устойчивости течения должна выполняться для частичных открытий затворов, наиболее близких к полному.
7.8 Для безнапорных туннельных водосбросов со стесненными подходными условиями и крутыми береговыми склонами так же, как и для быстротоков, целесообразно применять траншейные входные участки. При их проектировании необходимо учитывать 6.54-6.57, а также добиваться снижения интенсивности циркуляционного течения на тракте до приемлемых значений.
Для предотвращения частично напорных режимов течения и обеспечения устойчивого безнапорного режима течения на тракте туннельных водосбросов этого типа необходимо учитывать аэрацию потока в концевом сечении траншеи перед входным сечением водосброса.
Шахтные водосбросы
7.9 Шахтные водосбросы выполняют с вертикальной или крутонаклонной шахтой, которая пройдена в породном массиве или возводится в виде отдельно стоящей башни. В последнем случае их называют башенными водосбросами. Основные конструктивные элементы шахтных водосбросов приведены на рисунке 20:
 | |
| 567 × 305 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 20 – Схема шахтного водосброса с кольцевой водосливной воронкой (а) и ряд схем конструкции, сопрягающей его шахту с отводящим трактом (б)
1 - подходной участок с необходимой выемкой;
2 - входной оголовок на гребне водосброса, который выполняют в виде сужающейся круглой или многоугольной в плане водосливной воронки или в виде закручивающей спиральной камеры;
3 - переходный участок, представляющий собой участок шахты с плавно уменьшающимся поперечным сечением;
4 - шахта постоянного поперечного сечения;
5 - конструкция, сопрягающая шахту с отводящим трактом водосброса (колено с различными конструктивными элементами, которые обеспечивают отрыв потока от выпуклой его поверхности или от потолка отводящего тракта и способствуют подводу в зону отрыва воздуха; шахтный водобойный колодец; горизонтальное закручивающее устройство);
6 - отводящий тракт;
7 - шахта для подвода воздуха.
7.10 Очертание подходного участка и конструкция водосливной воронки, которую располагают вблизи берега или в береговых выемках, должны способствовать, по возможности, равномерному распределению расхода воды по периметру водосливной воронки и предотвращению вращательного движения в шахте водосброса. В шахтных водосбросах с радиальной воронкой вращательное движение отсутствует при H / R< 0,2 и при св/R 1, где R - радиус окружности по гребню водосливной воронки; H - напор над ее гребнем; св - высота гребня над дном подходного участка.
Вблизи прямолинейного берега водохранилища для предотвращения вращательного движения в шахте ось водосливной воронки следует располагать на расстоянии до основания берегового откоса, превышающем (4...5)R. Если гребень воронки удален от берегового откоса на расстояние 3R>а>2R и 2RаR, то в качестве противоводоворотных устройств следует использовать, соответственно, прямолинейную стенку (рисунок 21а) и криволинейную стенку (рисунок 21б), плавно очерченную на основании уравнения
V=а+С, (6)
где v и а - углы, определяющие положение криволинейного контура раздельной стенки в плане. Значение а задается в диапазоне от 0° до 70°, а значение С принимается равным в пределах от 5° до 15°. Пересечение лучей из точек А и Б при различных углах а и v определяет очертание этой раздельной стенки.
 | |
| 604 × 313 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 21 – Противоводоворотные конструкции у прямолинейного берегового откоса
7.11 При расположении водосливной воронки шахтного водосброса в береговой выемке, в которой направление подхода воды к этой воронке существенно отличается от радиального, очертание выемки в плане должно выполняться полигональным или параболическим (рисунок 22). Кроме специального очертания выемки для предотвращения вращательного движения, в шахте такого водосброса, необходимо предусматривать противоводоворотные конструкции. В выемке полигонального очертания для устранения вращательного движения достаточно устройство двух прямолинейных направляющих стен длиной lст=(2,5…3). В выемке параболического очертания при а=(1...1,5)R эффективно применение противоводоворотного устройства в виде криволинейной стенки на гребне водосливной воронки, проходящей через центр шахты (рисунок 22б). При еще большем уменьшении размеров выемки а>0,5R и ее ширине l = (6...12)R можно применять четыре криволинейные направляющие стенки (рисунок 22в). Быки на гребне кольцевой стенки (рисунок 22г), которые являются эффективным противоводоворотным мероприятием, следует применять только в тех случаях, если они являются опорами служебного моста, применяются для размещения аэрационных труб или установки затворов.
 | |
| 517 × 335 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 22 – Противоводоворотные конструкции в выемках полигонального (а) и параболического очертания (б-г)
7.12 Радиус водосливной кольцевой воронки R должен устанавливаться, исходя из расчетных значений расходов основного или поверочного случая и с учетом заданного на основе технико-экономических сопоставлений напора на гребне воронки. При 2,2H
, (7)
7.13 Построение профиля водосливной воронки можно производить, применяя один из следующих методов:
расчет траектории центральной струйки;
на основании уравнения эллипса, большая ось которого а равна высоте от гребня воронки до точки слияния струек, определенной предыдущим методом расчета, а малая ось b = R - d/2, где d - диаметр воронки в месте слияния струек;
по данным экспериментальных исследований нижней поверхности струи при переливе через гребень кольцевого водослива с тонкой стенкой.
Координаты профиля входной кромки до гребня водосливной кольцевой воронки должны устанавливаться на основании уравнения, связывающего их с координатами точки максимального подъема струй при переливе через водослив с тонкой стенкой при профилирующем значении напора на гребне Нпр.
В шахтах водосбросов, которые не подтоплены со стороны отводящего тракта, подтопление водосливной воронки происходит после смыкания свободной поверхности переливающихся струй. Условия смыкания следует определять расчетом профилей водосливной воронки и этих струй. В первом приближении можно считать, что подтопление воронки происходит при Н/r =0,4...0,46 (H - напор на гребне воронки; r - радиус в поперечном сечении, где происходит смыкание струй).
7.14 При выборе метода построения водосливной воронки шахтного водосброса следует учитывать возможность возникновения на ее поверхности существенного вакуума и необходимость предотвращения кавитационных явлений. При Н=Нпр давление на поверхности водосливных воронок, построенных по методам 7.13, близко к атмосферному. Максимальное значение вакуумов на поверхности воронки фиксировалось при расходе, составляющем 0,75...0,85 от сбросного расчетного расхода при Н=Нпр. Значение вакуума зависит от выбранного метода построения профиля водосливной воронки.
7.15 Круговую воронку целесообразно выполнять в виде водослива с широким порогом с наклонным дном, если при заданном напоре на гребне радиус водосливной воронки оказывается R>(5...7)Н. Порогу этого водослива следует придавать очертание по радиусу, при котором на всей длине глубины будут равны критическим значениям. При этом необходимо учитывать увеличение удельного расхода на пороге водослива в радиальном направлении. Для определения отметок порога этого кругового водослива между точками А и В (рисунок 23) необходимо от отметки напорной линии на подходе к водосливной воронке вычесть 1,5 hкр. Некоторое уточнение положения участка между точками А и В может внести учет потерь напора на трение по длине, равных ?t. Радиус Rb, определяющий положение точки В, необходимо принимать с учетом равенства H/Rb=0,3…0,35, при этом точка В должна располагаться выше точки смыкания струй в центре шахты. Для построения очертания криволинейной поверхности ниже точки В может быть применен любой из методов, приведенных в 7.13, с учетом направления и значения средней скорости потока в кольцевом сечении, ортогональном поверхности, которая проходит через точку В.
7.16 При определении пропускной способности неподтопленного со стороны нижнего бьефа шахтного водосброса с полной кольцевой воронкой и его коэффициента расхода m необходимо учитывать поправочные коэффициенты, которые зависят от значений длины выемки у воронки и возвышения гребня воронки над отметками поверхности грунта на подходе, от полноты напора и конструкции противоводоворотных устройств.
 | |
| 545 × 296 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 23 – Схема водосливной воронки шахтного водосброса с широким наклонным порогом
Расчет пропускной способности водосливной воронки, на гребне которой предусмотрены быки, следует производить с учетом стеснения водосливного фронта быками и коэффициента сжатия потока на гребне.
7.17 Пропускная способность шахтного водосброса при подтоплении со стороны нижнего бьефа, если hп>0 (рисунок 24а), должна устанавливаться по коэффициенту расхода m, умноженному на коэффициент подтопления sп. Коэффициент sп должен определяться в зависимости от высоты подтопления, рассчитываемой как
, (7)где zп - перепад, равный разности между отметкой подтопляющего уровня воды в начале участка шахты, работающего в напорном режиме течения, и наивысшей отметкой выходного сечения этого участка с учетом давления в воздушном пространстве над потоком воды hv; z0 - разность отметок верхнего бьефа и верхней точки выходного сечения; Н - напор на гребне кольцевого водослива.
7.18 Пропускная способность шахтного водосброса с затопленной водосливной воронкой (рисунок 24б) должна рассчитываться, как и всех напорных водосбросов, по перепаду z0 между отметками УВБ и наивысшей точкой выходного сечения участка этого водосбросного сооружения, работающего в напорном режиме течения, и с учетом hv.
 | |
| 588 × 254 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 24 – Схемы гидравлических условий работы шахтных водосбросов
7.19 Сопряжение криволинейного в продольном разрезе входного участка шахтного водосброса с нижерасположенным цилиндрическим участком шахты необходимо предусматривать переходным участком, который начинается от горизонтального сечения в точке пересечения свободной поверхности водосливных струй при расчетном расходе основного случая. Профиль переходного участка устанавливается, исходя из условия, что поток в его пределах находится в условиях свободного падения при заполненном водой поперечном сечении и атмосферном давлении. Переходный участок заканчивается в сечении, где свободное падение переходит в напорное движение. Для этого на участке водосброса ниже по течению концевого сечения переходного участка должен быть обеспечен напорный режим течения.
Выходное сечение участка с напорным режимом течения может располагаться как в конце отводящего участка шахтного водосброса, так и на его тракте, например, перед или за поворотом его тракта в вертикальной плоскости (рисунок 20б).
Этот участок должен быть рассчитан на работу в напорном режиме течения при перепаде, равном разности отметок концевого сечения переходного участка и максимальной отметки потолка выходного сечения напорного участка.