СП 290.1325800.2016 Водопропускные гидротехнические сооружения (водосбросные, водоспускные и водовыпускные). Правила проектирования стр. 12

7.20 Необходимо учитывать, что шахтные водосбросы с цилиндрическими шахтами применимы, если только в них поддерживается, при всех сбросных расходах, достаточное давление, которое позволяет избежать опасности кавитационных явлений. Такое давление может быть обеспечено при:

заглублении выходного сечения напорного участка под уровень нижнего бьефа;

установке регулирующего затвора на выходе из напорного участка водосброса;

устройстве выходного сечения напорного участка водосброса на более высоких отметках, чем концевое сечение поворота в вертикальной плоскости;

выполнении на входе в вертикальную шахту расширения с отрывом потока от стен шахты и подводом в зону отрыва воздуха с обеспечением в падающем потоке давления, близкого к атмосферному.

При несимметричном подводе воды к водосливной воронке режим течения в шахте имеет сложный характер, и давления в ней не могут прогнозироваться на основе одномерной схематизации потока. Движение в шахте постоянного поперечного сечения должно быть рассмотрено на основе гидравлических исследований для обоснования конструктивных мероприятий по устранению недопустимых кавитационных явлений.

7.21 Для предотвращения недопустимых вакуумов вертикальную шахту следует выполнять конической, сходящейся вниз по течению. Для расчета шахту необходимо разбить на ряд коротких участков, для которых площадь последующих поперечных сечений устанавливается на основе уравнения Бернулли методом последовательных приближений, принимая давление на поверхности шахты равным атмосферному. Сходящиеся шахты рекомендуется применять при выполнении отводящих трактов безнапорными или короткими напорными. Такие расчеты должны выполняться с учетом потерь на вход и на повороте тракта, если отводящий тракт шахтного водосброса напорный или конструкция участка поворота выполнена так, что она фиксирует безнапорный режим течения за поворотом в вертикальной плоскости (рисунок 20б). Ориентировочно для упрощения расчетов следует иметь в виду, что конусность сужающей шахты, определяемая тангенсом центрального угла, убывает вниз по течению и составляет в верхней части шахты 0,04...0,024, а в нижней ее части - 0,024...0,008.

7.22 В случае фиксированного безнапорного течения на отводящем тракте шахтного водосброса необходим подвод воздуха в зону, примыкающую к точке отрыва безнапорного потока. Размеры аэрационной шахты и устойчивость безнапорного режима течения должны быть в этом случае определены как в глубинном водосбросе за частично открытым затвором (8.3).

7.23 Для уменьшения при пропуске сбросных расходов диапазона изменения отметок УВБ следует применять шахтные водосбросы с водосливным оголовком типа "маргаритка", обеспечивающим увеличение длины водослива по гребню. Планы по гребню водосливных оголовков таких водосбросов приведены на рисунке 25. Расстояния между противоположными стенками лепестков водосливного оголовка, характеризуемые размерами r и R, должны обеспечивать перелив через его гребень без подтопления.

501 × 298 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 25 – Планы по гребню водосливных оголовков шахтных водосбросов типа «маргаритка»

7.24 Низконапорные водосбросы с шахтой в виде башни, устраиваемые в основании плотин из грунтовых материалов, целесообразно выполнять прямоугольного поперечного сечения (рисунок 26). На их входе предусматривают прямоугольные или раструбные входные оголовки. Такие водосбросы должны пропускать сбросные расходы в режимах течения с неподтопленными входными оголовками. Для обеспечения такого режима течения должно подбираться значение ширины водосброса, которое зависит от высоты шахты z_ш и максимального значения напора H на гребне водосливной воронки. Определять пропускную способность таких водосбросов следует по значениям периметра гребня l=2(a₀+b₀) и коэффициента расхода входного оголовка, являющегося функцией v=b₀/a₀.

Необходимо учитывать, что расстояние от откоса грунтовой плотины до передней кромки входного оголовка L (рисунок 26) не оказывает влияния на коэффициенты расхода входных оголовков, изображенных на рисунке 25,

v=1 при L/a₀>1,7;

v=8,6 при L/a₀>3,2.

При 1 < v < 8,6 значение L/a₀ может быть установлено линейной интерполяцией.

664 × 246 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 26 – Низконапорный башенный водосброс в основании грунтовой плотины

При скруглении входной кромки водосливного оголовка радиусом, равным половине толщины стены башни, коэффициент расхода входного оголовка следует увеличивать не менее, чем на 8%. При установке на входе в башню решеток необходимо учитывать их влияние на пропускную способность.

7.25 Для улучшения условий сопряжения с нижним бьефом на тракте шахтного водосброса целесообразно применять цилиндрический (шахтный) гаситель энергии (рисунок 27), применение которого способствует облегчению конструкций концевых устройств, сокращению размеров размывов русла и берегов в нижнем бьефе, уменьшению обводнения береговых склонов. Подвод потока к шахтному водобойному колодцу осуществляется с помощью поверхностного или глубинного водоприемника. Для обеспечения без кавитационного режима работы в вертикальной шахте водосброса необходимо предусмотреть отрыв потока от ее стен с помощью уступа, который должен предусматриваться при сопряжении шахты с водосливной воронкой. В эту зону отрыва необходим подвод воздуха. Для создания оптимальных условий гашения энергии в шахте с помощью кольцевого гидравлического прыжка диаметр шахтного колодца следует принимать D_к?3d_стр (d_стр - диаметр струи, входящей на промежуточный уровень воды). Шахтный гаситель необходимо устраивать с приямком глубиной h_пр?D_к, что позволяет устранить существенные гидродинамические воздействия на его дно и уменьшить значения скоростей на отводящем участке.

Устойчивый безнапорный режим потока на отводящем тракте шахтного водосброса следует обеспечивать устройством забральной стены, создающей отрыв потока от его свода. Устойчивость безнапорного режима потока должна достигаться:

высотой свода отводящего тракта, создающей достаточный запас над поверхностью потока;

воздуховодами по длине отводящего тракта, первый из которых располагается непосредственно за забральной стеной и способствует поступлению воздуха в зону отрыва: последующие по длине воздуховоды предназначены для выравнивания давления до атмосферного и отвода воздуха при деаэрации потока.

618 × 454 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 27 – Шахтный водосброс с цилиндрическим шахтным гасителем энергии потока

При напорном режиме течения на отводящем тракте шахтного водосброса с цилиндрическим гасителем необходимо предотвратить поступление на этот тракт значительных расходов воздуха. Для этого уровни воды в шахтном гасителе должны быть выше потолка входного сечения отводящего тракта даже при расходах существенно ниже расчетных.

7.26 Вихревые водосбросы (5.9) должны применяться для высоконапорных сооружений в целях:

защиты обтекаемой поверхности водосбросов от кавитационных воздействий;

промежуточного гашения избыточной кинетической энергии и обеспечения более благоприятных условий сопряжения потока за выходом из водосбросного сооружения с нижним бьефом;

предотвращения в пределах водосбросного тракта смены безнапорного и напорного режимов течения.

7.27 В вертикальных вихревых водосбросах следует применять закручивающие устройства в виде спиральных камер или с тангенциальным подводом воды (рисунок 28).

478 × 426 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 28 – Вертикальный вихревой водосброс

При проектировании закручивающих устройств в виде спиральных камер, выполненных с вертикальными стенами (как короб), необходимо по заданному расходу рассчитывать ширину начального сечения камеры b и радиус вертикальной шахты R. По их значениям можно установить глубины в подводящем канале h и расстояние между осями вертикальной шахты и подводящего канала ?. На основании заданной толщины быка S и скругления входного ребра d=(0,1…0,2)R необходимо установить плановые размеры спиральной камеры е, r1, r2, r3 и r4. В расчетах необходимо задать относительный радиус воздушной полости (жгута) в начальном сечении шахты r_n/R. При этом следует учитывать, что чем меньше r_n, тем меньше диаметр шахты, но больше глубина воды в спиральной камере. Оптимальное значение r_n?0,4R.

При сопряжении спиральной камеры с шахтой с помощью конического переходного участка, его высоту следует принимать H_к=(3…4)R, а начальный диаметр (3,5...4,5)R.

На начальной стадии расчетов могут быть заданы ориентировочно следующие значения определяемых размеров: h = (2,2...2,5)R, b = (2,5...3,0)R и ?=(3,0…3,5)R.

7.28 При применении тангенциального завихрителя (рисунок 28в) площадь поперечного сечения подводящего туннеля (прямоугольного, круглого или корытообразного) следует принимать при напорном режиме течения равной площади шахты, а при безнапорном режиме - несколько больше этой площади. Ширина подводящего туннеля, сужающегося в месте подсоединения к шахте, должна составлять (0,5...0,6)R, но площадь туннеля за счет увеличения его высоты должна оставаться постоянной. Радиус воздушного ядра должен быть равен r_n=(0,3…0,4)R.

7.29 При определении гидравлических условий работы вертикальной шахты, необходимо установить, достигла ли скорость потока предельного значения, при котором прекращается вращательное движение воды. Если вращательное движение сохраняется до конца вертикальной шахты, то с помощью дефлектора, предусмотренного перед поворотом тракта водосброса, следует создать в нижней части шахты участок с напорным движением. Такое мероприятие способствует затуханию вращательного движения.

При фиксированном безнапорном режиме на отводящем тракте вихревого водосброса следует руководствоваться рекомендациями для таких участков, приведенными в 7.22.

7.30 Применение тангенциальных завихрителей позволяет подводить воду к шахте в несколько ярусов. Площадь выходных отверстий безнапорных или напорных туннелей должна быть меньше площади шахты. Конструкцию водосброса с тангенциальным подводом воды по высоте шахты удобно также совмещать с кольцевой воронкой на входе в вертикальную шахту водосброса. В этом случае площадь нижнего сечения кольцевой воронки необходимо принимать меньшей площади сечения шахты. За уступ при сопряжении кольцевой воронки с шахтой следует предусматривать подвод воздуха.

7.31 В горизонтальном вихревом водосбросе закручивающее устройство следует располагать в начале слабонаклонного отводящего участка тракта водосброса, а забор воды на участке подвода к гасителю может быть выполнен как поверхностным, так и глубинным (рисунки 29 и 30). В зависимости от длины отводящего тракта водосброса следует применять следующие конструкции вихревых водосбросов:

с плавным гашением избыточной кинетической энергии по длине отводящего тракта при его длине L_т>(60-80)h_т (здесь h_т - высота отводящего тракта). В таком случае форма поперечного сечения отводящего тракта должна быть круглой или близкой к ней (рисунок 29);

с ускоренным гашением энергии на участке отводящего тракта при L_т<(60-80)h_т на участке некруглого поперечного сечения (корытообразного, квадратного, треугольного) или с применением камеры гашения (рисунок 30).

613 × 329 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 29 – Вихревой водосброс с плавным гашением избыточной кинетической энергии

585 × 484 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 30 – Вихревые водосбросы с поверхностным (а) и глубинным (б) водозаборами, имеющими длину L_т<(60…80)h_т на тракте которых предусмотрена камера гашения

7.32 Гидравлические условия работы водосбросов с поверхностным или глубинным забором воды для участка до горизонтального завихрителя с вертикальной или наклонной шахтой следует определять как для обычных водосбросов, исходя из режима их работы при незатопленном истечении. При этом диаметр вертикальной или наклонной шахты следует принимать равным (0,8…1,2)D_т, где D_т - гидравлический диаметр отводящего тракта.

7.33 Завихрительное устройство является элементом водосброса, от которого зависит его пропускная способность и режимы течения на отводящем тракте. Пропускная способность горизонтальных вихревых водосбросов определяется по обычным формулам для напорных систем, в которых необходимо учитывать коэффициент гидравлического сопротивления закручивающего устройства. Коэффициент гидравлического сопротивления должен устанавливаться в зависимости от формы его вставки, которая может быть выполнена цилиндрической (рисунок 29) или плоской (рисунок 30), и геометрического параметра завихрителя A=(pR_цD_т)sina/2o_n, где R_ц - расстояние между осями подводящего и отводящего туннелей завихрителя; D_т - гидравлический диаметр отводящего туннеля; o_n - площадь подводящего к завихрителю туннеля; a - угол наклона оси подводящего туннеля к оси завихрителя.