СП 290.1325800.2016 Водопропускные гидротехнические сооружения (водосбросные, водоспускные и водовыпускные). Правила проектирования стр. 14

8.6 На участках глубинных водосбросов с фиксированным безнапорным режимом течения, тракт которых изогнут в вертикальной плоскости выпуклостью вверх, для предотвращения недопустимого понижения давления профиль дна должен выполняться более полным, чем кривая свободного падения потока. Расчет профиля этой кривой следует производить от сечения в начале изогнутого участка по средней скорости течения при расчетном расходе основного случая. Если проектом предусмотрена работа водосброса в течение длительного времени при частичных открытиях затворов, установленных выше по течению изогнутого выпуклостью вверх участка, то требуется проверка его профиля, исходя из работы в этих условиях с учетом возникновения зон с вакуумами.

8.7 Для глубинных водосбросов с фиксированным безнапорным режимом течения, тракт которых изогнут в вертикальной плоскости с выпуклостью вверх, при значительных напорах над выходным сечением (до 100 м) и, соответственно, высоких скоростях потока целесообразно рассматривать варианты конструкции с безнапорным режимом течения по потолку (рисунок 34). Перемещение потока по потолку в водосбросе такой конструкции происходит за счет действия центробежных сил. В пространстве между потоком воды и дном водосброса наблюдается зона, заполненная воздушно-водной смесью и воздухом. Давления в этой зоне близки к атмосферному. Необходимо учитывать, что на потолке водосброса развиваются значительные избыточные давления. В конце короткого напорного участка перед пазами основного затвора следует предусматривать дефлекторы, а на дне уступ. Подвод за них воздуха должен предотвратить опасность кавитации в этой зоне как при полном, так при частичных открытиях основного затвора. Отработка конструкции такого водосброса должна производиться на основе экспериментальных исследований.

605 × 497 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 34 – Продольный разрез (а) и план (б) по глубинному водосбросу, конструкция которого обеспечивает безнапорный режим течения при движении воды по потолку

8.8 Пропускная способность (расход) Q глубинных водосбросов рассматриваемого типа следует рассчитывать по формуле

, (9)

где o - площадь расчетного поперечного сечения водосброса, в качестве которой удобно принимать площадь выходного поперечного сечения; m - коэффициент расхода водосброса, отнесенный к расчетной площади поперечного сечения o; g - ускорение свободного падения, H_д - действующий напор водосброса, равный полной удельной энергии потока, определенный относительно плоскости сравнения, проведенной через низшую точку выходного сечения; П - средняя удельная потенциальная энергия потока в выходном сечении водосброса, определенная относительно указанной плоскости сравнения.

При определении коэффициента расхода напорного водосброса необходимо учитывать коэффициенты потерь напора на трение по длине [5] и местных потерь напора. К местным потерям напора в глубинных напорных водосбросах следует относить следующие: на вход, в пазах затворов, на поворотах тракта, в конфузорах и диффузорах, при обтекании промежуточных быков и другие сопротивления. Кроме того, должны учитываться коэффициенты потерь напора на выход из водосброса в случае подтопления выходного сечения со стороны нижнего бьефа, коэффициенты потерь напора частично открытых затворов и дефлекторов.

Значение H_д  для глубинных водосбросов, работающих всем сечением, при H_д  >(3…4)h_вых (h_вых - высота выходного сечения водосброса), может быть определено как разность отметок УВБ и наивысшей точки потолка выходного сечения. Если же H_д  <(3…4)h_вых , то необходимо рассчитывать значения средней удельной потенциальной энергии потока П для выходного сечения водосброса с учетом отличия распределения давления по глубине потока от гидростатического и изменения подтопления выходного сечения в пространственных условиях сопряжения потоков за его выходным сечением. Отличие распределения давления от гидростатического в выходном сечении напорного водосброса при его сопряжении с участком нижнего бьефа уступом должно учитываться при:

свободном и несвободном неподтопленном истечении;

наличии непосредственно за выходным сечением одной из форм поверхностного или поверхностно-донного гидравлического прыжка.

8.9 Осредненные давления по длине напорных глубинных водосбросов следует определять на основе построения пьезометрических линий. По полученным осредненным давлениям должны быть рассчитаны осредненные нагрузки на элементы тракта водосбросов, выявлены зоны существенных вакуумов и разработаны мероприятия по предотвращению в этих зонах недопустимых кавитационных воздействий. При этом необходимо учитывать особенности распределения давлений на участках местных потерь напора (сопротивлений) и их отличия от давлений, соответствующих равномерному движению и гидростатическому закону распределения. К таким участкам на тракте глубинных водосбросов относятся входные оголовки, повороты тракта, затворные камеры при полных и частичных открытиях затворов. Необходимо учитывать возможность появления на участках местных сопротивлений зон с повышенным уровнем пульсации давления, который может быть особенно существенным при возникновении в них отрывного обтекания.

8.10 При выборе очертания входного оголовка следует отдавать предпочтение такой его форме, при которой он имеет наименьшее значение коэффициента сопротивления и которая обеспечивает наименьшие размеры расположенных на этом участке затворов и наиболее простые очертания в продольном профиле и в плане. Наиболее целесообразными являются профили входных оголовков, очерченные дугами окружностей и эллипсов. Понижение давления в пределах входного оголовка должно быть таким, чтобы не допустить кавитации его поверхности и расположенных в его пределах пазов затворов.

8.11 Общее понижение осредненного давления в пределах входного оголовка по сравнению с заглублением любой точки его поверхности под УНБ следует определять с помощью экспериментально установленного коэффициента понижения давления р, зависящего от очертания потолка и боковых стен оголовка, а также от условий подхода к входному сечению водосброса (ширины на подходе, положения входного сечения относительно дна) и УВБ. Возможность возникновения кавитации прогнозируется на основании коэффициента мгновенного значения понижения давления во входном оголовке

, (10)

где s_р и k_р должны устанавливаться по рекомендациям 4.12 и 4.14.

При прогнозе кавитации на поверхности входного оголовка, кроме общего понижения мгновенного давления на обтекаемой поверхности, необходимо учитывать локальное его снижение, вызванное технологическими неровностями, возникшими в процессе производства строительных работ.

8.12 При проведении расчетов участков поворота тракта напорных глубинных водосбросов необходимо учитывать, что кроме осредненной составляющей давления, которая устанавливается по пьезометрической линии, возникает дополнительно составляющая осредненного давления, вызванная действием центробежных сил. Для таких участков напорных глубинных водосбросов мгновенное значение давления p_p на поверхности поворота следует определять по формуле

, (11)

где  - значение осредненной составляющей абсолютного давления по оси водосброса, полученное по пьезометрической линии; р_ц - центробежная составляющая осредненного давления, которая на поверхностях в плоскости поворота зависит от h/R; h - высота или ширина водосброса в плоскости поворота; R - радиус оси поворота.

Кавитация на выпуклой поверхности поворота должна прогнозироваться по минимальному значению мгновенного давления p, при определении которого второй и третий члены формулы (11) должны приниматься со знаком "минус". При расчете нагрузки на поверхность вогнутого участка поворота второй и третий члены формулы (11) должны приниматься со знаком "плюс". При вычислении нагрузки на поверхность выпуклого участка знак третьего члена должен быть принят тем же, что и знак разности ( - р_ц). При определении нагрузки на поверхности поворота значение s_р должно приниматься с учетом осреднения пульсации давления по площади; при прогнозе кавитации необходимо учитывать локальное снижение давления на технологических неровностях поверхности.

8.13 Для повышения устойчивости напорного режима течения и устранения опасности кавитационных воздействий на тракте глубинного водосброса с основным затвором в выходном сечении следует применять конструктивные мероприятия, направленные на уменьшение вакуума на участках местных сопротивлений. К этим мероприятиям относятся:

- устройство развитого входного оголовка, что снижает опасность кавитации на его поверхностях и расположенных в его пределах пазов затворов, а также снижает возможность поступления на тракт воздуха со стороны верхнего бьефа, если водосброс предназначен для пропуска расходов при относительно невысоких УВБ, т.е. при Н<(1,5…2)h₀ где h₀ - высота в конце входного оголовка водосброса;

- увеличение высоты в концевом сечении входного оголовка h₀ по сравнению с высотой выходного сечения водосброса h_вых, при этом высота водосброса может уменьшаться плавно по всей длине или лишь на его концевом участке длиной (1,5…2)h_вых;

- увеличение размера сечения напорного водосброса в плоскости поворота или его радиуса.

8.14 Смену безнапорного и напорного режимов течения следует допускать в длинных нерегулируемых закрытых водопропускных сооружениях, для которых соотношение L/R_в (100-200) и комплекс для безнапорного потока в точке касания потолка сооружения /gR_в5, а также в коротких трубчатых водосбросах с регулирующим затвором на входном участке. При L/R_в (2030)  и полном открытии затворов такие водосбросы работают в напорном режиме, где L - длина водосброса, R_в и V_в - гидравлический радиус и средняя скорость потока воды.

8.15 В длинных нерегулируемых водопропускных сооружениях указанного в 8.14 типа (в основном это - строительные туннели) при образовании на тракте кривой подпора начало смены режимов течения надлежит устанавливать на основе построения кривой свободной поверхности. Предельным расходом безнапорного потока на тракте сооружения является расход, при котором кривая свободной поверхности касается потолка. Необходимо учитывать, что при подаче воздуха непосредственно за входной оголовок такого сооружения смена режимов течения с переходом в напорный режим происходит плавно в широком диапазоне расходов. При отсутствии подвода воздуха режим течения становится напорным в узком диапазоне расходов. В проектных разработках следует учитывать, что такая смена режимов течения может сопровождаться существенным повышением УВБ при малом росте сбросного расхода.

Следует учитывать, что при образовании в безнапорном водосбросе с затопленным входом кривой спада смена режимов течения может произойти с возникновением устойчивого частично напорного режима течения (рисунок 1б). Возникновение во входном оголовке такого водосброса вакуума приводит к прорывам воздуха на тракт и периодической смене режимов течения (рисунок 1в). Такие режимы течения следует допускать на основе оценок пульсации давления и нагрузок на элементы тракта водосброса либо с учетом условий работы аналогичных сооружений.

8.16 При проектировании коротких изогнутых в вертикальной плоскости водосбросов необходимо учитывать, что при неполных открытиях затворов, расположенных на входе, возникают сложные гидравлические режимы с образованием отрывных течений, гидравлических прыжков, замкнутых воздушных полостей. Частично напорные режимы течения в таких водосбросах следует допускать лишь на основе экспериментального обоснования. В экспериментах должны быть получены размеры устройств для подвода воздуха за затвор, а также гидродинамические давления и нагрузки на элементы водосброса, необходимые для оценки возможности кавитационных явлений и для расчетов прочности и динамических воздействий на плотину и примыкающие сооружения или породный массив.

8.17 При необходимости уменьшить размеры устройств для гашения энергии в нижнем бьефе трубчатых и туннельных водосбросов, рассчитанных на значительные напоры, а также в некоторых случаях для снижения кавитационных воздействий на элементы тракта водосбросов следует применять напорные камеры гашения, в которых потери энергии происходят за счет расширения потока. Такие камеры гашения применяют на тракте напорных глубинных водовыпусков и располагают чаще всего на концевом участке их тракта, а также применяют для их устройства тракты строительных туннелей.

8.18 Для расширения напорного потока на тракте строительного туннеля необходимо предусматривать бетонные пробки или металлические диафрагмы с отверстиями, в которых могут устанавливаться регулирующие плоские затворы и которые образуют камеру гашения. При проектировании камеры гашения избыточной кинетической энергии такой конструкции (рисунок 35) следует иметь в виду:

598 × 213 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 35 – Схема камеры гашения напорного водовыпуска в строительном туннеле

- пропускная способность водовыпусков с камерой гашения может быть рассчитана как для обычных напорных систем с учетом местных потерь напора при расширении потока и потерь напора на выходе из камеры;

- для эффективного гашения энергии длина камеры гашения L должна составлять около 5 значений ее гидравлического диаметра D_r; на этой длине происходит выравнивание эпюры осредненных скоростей течения, затухание избыточных пульсационных давлений и восстановление пьезометрического напора в камере;

- опасность возникновения кавитации должна рассматриваться как непосредственно в камере гашения, так и за затворами в пробках. Для уменьшения опасности кавитации расширение камеры гашения рекомендуется устраивать без переходного диффузора.

8.19 При устройстве камеры гашения избыточной кинетической энергии за игольчатыми затворами длину камеры гашения L следует принимать в зависимости от их конструктивных особенностей:

- для игольчатых затворов, закрывающих вход в камеру по течению, L 5D₁ (рисунок 36а);

325 × 211 пикс.     Открыть в новом окне

а) – закрывающимся по течению; б) - закрывающимся против течения; 1 и 2 – неподвижная и подвижная части затвора; 3 – камера гашения

Рисунок 36 – Схемы камеры гашения с установленными перед ней игольчатыми затворами

- для игольчатых затворов, закрывающих вход в камеру против течения, L=(3…4)D₁ (рисунок 36б).

При полном открытии игольчатых затворов степень затенения, характеризуемая отношением d₀/D₀, должна быть более 0,5. При меньших значениях d₀/D₀ существенно увеличивается коэффициент сопротивления системы "игольчатый затвор - камера гашения".

Наименьшее значение диаметра камеры гашения за игольчатыми затворами следует устанавливать, исходя из рациональных условий гашения энергии и с учетом предотвращения недопустимых кавитационных воздействий.

8.20 При проектировании камер гашения за конусными затворами поток, обтекающий поверхности конструкции камеры, необходимо разделить на части. Последующий поворот этих частей потока навстречу друг другу с помощью обтекаемых отклоняющих порогов должен при их соударении обеспечивать интенсивное гашение энергии (рисунок 37). Устройство водоотбойной стенки в камере гашения должно способствовать поступлению потока в сторону отводящего русла. Для защиты самого конусного затвора и его служебных помещений от поступающей в их сторону меньшей части расхода воды необходимо предусматривать струезащитный козырек. В такую камеру следует подводить значительное количество воздуха для компенсации его выноса полой конической струей в нижний бьеф сооружения.

653 × 303 пикс.     Открыть в новом окне

Рисунок 37 – Схема конструкции камер гашения энергии потока с отклоняющими порогами, расположенными за конусными затворами