ar-net.ruОбоснование целесообразности устройства гасителей энергии на водобое должно сопровождаться технико-экономическим сопоставлением с вариантами заглубления водобоя и устройства водобойного колодца. Для рассматриваемых вариантов конструкции крепления должна производиться оценка кавитационной безопасности работы его элементов, в том числе, при работе частью водосливного фронта в связи с пониженным уровнем нижнего бьефа.
 | |
| 660 × 371 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 7 – Схема местного размыва
6.16 Установление плановых размеров и толщины плит водобоя и жесткой рисбермы должно производиться на основании данных о гидродинамических нагрузках, действующих на них и на установленные на водобое гасители. Для снижения противодавления под плитами водобоя следует устраивать горизонтальный плоский дренаж с обратным фильтром, а в плитах - разгрузочные дренажные колодцы с фильтрующим заполнителем (рисунки 4 и 5).
6.17 При проектировании конструкции и размеров переходного крепления должна учитываться глубина местного размыва (рисунок 7) при наиболее неблагоприятных условиях сопряжения бьефов, в том числе, в период возведения гидроузла.
6.18 Оценка режимов сопряжения бьефов, гидродинамических воздействий на элементы крепления, местных размывов неукрепленного русла должна производиться с учетом понижения уровней воды в нижнем бьефе, возможного вследствие трансформации русла под воздействием осветленного (лишенного наносов) потока и зарегулирования стока реки. Также должна производиться оценка влияния на условия работы водосброса и нижнего бьефа возможного повышения уровней воды у сооружений вследствие образования бара из отложений крупных фракций грунта за воронкой местного размыва.
6.19 Окончательный выбор конструкции водосброса и крепления его нижнего бьефа должен сопровождаться поверочными расчетами и лабораторными исследованиями режимов сопряжения бьефов и гашения энергии для основного и поверочного случаев пропуска расчетных расходов через сооружения гидроузла. Должны быть также рассмотрены условия пропуска расходов большей обеспеченности, при которых, вследствие работы многопролетных плотин не полным фронтом или при неравномерном распределении расходов по фронту сооружения, возможно образование неблагоприятных условий гашения энергии и режимов потока в нижнем бьефе (отклонение потока к одному из берегов, сбойность потока). При этом должен быть выполнен полный комплекс исследований, включающий оценку гидродинамических и кавитационных воздействий на элементы конструкции, аэрации сбросного потока, волнообразования в нижнем бьефе, местных размывов и их влияния на устойчивость концевого крепления.
6.20 При проектировании водосбросов гидроузлов, работающих при высоких скоростях течения, существенное внимание должно быть уделено увеличению глубин потока вследствие насыщения его воздухом (самоаэрация потока), а также устранению кавитационных явлений.
Самоаэрация потока на сливной грани водосбросов определяется скоростью течения, глубиной потока, шероховатостью водосливной поверхности и ее протяженностью. За счет самоаэрации в пределах водосбросного тракта существенно увеличивается среднее воздухосодержание, когда удельные расходы относительно невелики (менее 40 м2/с). При больших удельных расходах самоаэрация может наблюдаться лишь в конце водосбросного тракта или вообще отсутствовать. Неблагоприятные последствия самоаэрации рассмотрены в 4.19 и 4.20.
Створ, в котором начинается самоаэрация на тракте водосброса (4.19), распределение воздуха в водовоздушном потоке и в водокапельном слое над этим потоком, содержание воздуха у обтекаемых поверхностей сооружения должны быть приближенно установлены расчетом.
Водосливные плотины на скальном основании
6.21 Высоконапорные гидроузлы, как правило, возводятся на скальном (иногда полускальном) основании. При проектировании водосливных плотин, рассчитанных на работу при высоких скоростях течения необходимо предотвращать возможность появления кавитационных явлений. При скоростях течения менее 25-30 м/с кавитацию можно исключить подбором формы продольного профиля водосливных плотин и сглаживанием неровностей, возникших при укладке бетона.
При скоростях течения на водосливе, превышающих 25-30 м/с, в дополнение к указанным способам снижения кавитационных воздействий, следует применять аэрацию обтекаемых потоком поверхностей как наиболее эффективное мероприятие, предотвращающее кавитационные повреждения. Необходимо учитывать, что при удельных расходах до 10-15 м2/с пристенные слои потока насыщаются воздухом за счет самоаэрации с поверхности.
6.22 Для насыщения потока воздухом у обтекаемых поверхностей водосброса следует применять аэраторы, основные схемы конструкций которых приведены на рисунке 8. Возможны и видоизмененные варианты этих схем. Аэраторы создают воздушные полости под струями на контакте с поверхностью бетона или в толще потока. В эти полости необходима подача воздуха, который затем защемляется потоком и распространяется у его твердых границ.
Систему аэраторов и воздуховодов необходимо выбирать в зависимости от конструкции водосливной плотины, ее архитектурных и других особенностей.
Проектирование конструкций аэраторов и их расположение на тракте водосливов, а также систем для подвода к ним воздуха следует производить на основе гидравлических исследований на крупномасштабных моделях или применяя аналоги. При проведении гидравлических исследований необходимо подбирать тип, форму и размеры аэраторов, их местоположение, определять гидродинамические характеристики их работы, размеры воздуховодов и расход подводимого воздуха.
 | |
| 674 × 721 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 8 – Схема аэраторов и устройств для подвода воздуха
6.23 Сопряжение сливной грани водосливных плотин с водобоем при скоростях течения более 25-30 м/с следует осуществлять уступом с подводом воздуха под струю воды (рисунок 9). Необходимость этого уступа, который позволяет избежать понижения давления на участке водобоя, примыкающего к повороту в вертикальной плоскости должна быть установлена на основе экспериментальных исследований, в которых должны быть определены высота уступа и размеры воздуховодов к этому уступу.
6.24 Необходимо ограждать входное отверстие труб для подвода воздуха к аэраторам и за уступ в конце сливной грани по условиям безопасности и надежности работы для предотвращения засасывания в них строительного мусора, а также скоплений в них снега, льда и воды, которые могут уменьшить поперечное сечение воздуховодов.
6.25 Для предотвращения опасного размыва скального грунта сбросным потоком необходимо рассматривать следующие варианты сопряжения бьефов:
с помощью отброса сбросного потока с носков-трамплинов, на безопасное расстояние от места сопряжения низовой грани плотины с основанием (рисунок 9а, в); гашение энергии при этом происходит в воронке размыва;
с отбросом или падением струи на бетонное крепление с гашением энергии в затопленном гидравлическом прыжке (рисунок 9б);
 | |
| 615 × 493 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 9 – Сопряжение бьефов с отбросом и свободным падением струи
с помощью водобойного колодца, в котором в гидравлическом прыжке происходит гашение основной части избыточной кинетической энергии сбросного потока, поступающего через водосбросы в теле плотины (рисунок 10).
 | |
| 572 × 345 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 10 – Водосбросное сооружение высоконапорного гидроузла с гашением энергии в водобойном колодце
6.26 Гашение энергии в водобойном колодце должно осуществляться в затопленном гидравлическом прыжке. Глубина, необходимая для затопления прыжка, равная 1.10-1,15 второй сопряженной глубины, создается устройством на выходе из колодца водобойной стенки и/или уступа. На выходе из колодца (ниже водобойной стенки), как правило, требуется устройство второго водобоя, на котором происходит гашение энергии потока, переливающегося через стенку.
Крепление дна колодца бетонными плитами (блоками) должно быть устойчивым под воздействием гидродинамической нагрузки, обусловленной воздействием высокоскоростного сбросного потока и затопленного гидравлического прыжка. Особое внимание должно уделяться качеству выполнения поверхности дна колодцев. Швы между плитами (блоками) и шероховатость поверхности не должны иметь выступов, характеризующихся параметрами кавитации К, меньшими критических Ккр (4.14). Швы должны быть: водонепроницаемыми; гидродинамические воздействия на верхнюю поверхность крепления не должны передаваться на нижнюю его поверхность.
6.27 При назначении целесообразной ширины водобойного колодца, размеров плит крепления дна и при оценке гидравлических режимов в колодце следует руководствоваться положениями 6.16.
6.28 При определении высоты стен и устоев в нижнем бьефе должна учитываться существенная аэрация потока в зоне гашения энергии. При этом необходимо принимать во внимание образование воздушно-капельного слоя потока (4.20) и его воздействие на сооружения, примыкающие к водосбросу, в том числе при сбросе расходов при отрицательных температурах.
6.29 Размеры и конструкция водобоя за водобойной стенкой должны назначаться из условия обеспечения необходимого гашения избыточной энергии потока переливающегося через стенку.
6.30 При сопряжении бьефов по типу отброшенной струи с гашением избыточной энергии в естественном (или искусственном) углублении дна русла (воронке размыва) выбор конструкции носка-трамплина должен производиться с учетом топографии и геологии нижнего бьефа (рисунок 9). Конструкция трамплина должна придавать отбрасываемой струе требуемую конфигурацию, направление и дальность отлета.
Основная задача гидравлического расчета трамплинов - определение параметров потока в пределах носка-трамплина заданной конфигурации, дальности отброса струи, геометрии следа струи в месте входа ее под уровень воды, глубины и размеров воронки размыва, размеров бара. Конфигурация трамплина должна обеспечивать требуемые параметры струи и гидравлический режим потока в нижнем бьефе. Глубина и размеры воронки размыва в плане, удаление от низовой грани плотины, других сооружений и берегов должно гарантировать их безопасность при наиболее неблагоприятных сценариях развития размыва.
6.31 Отработка и обоснование конструкции носка-трамплина на сооружениях I-II классов должны производиться на пространственных физических моделях, воспроизводящих водосброс и участок нижнего бьефа на котором происходит сопряжение отброшенной струи с водной массой и растекание сбросного потока по ширине отводящего русла. На модели должен быть исследован процесс развития воронки и образование бара из продуктов отложений, в том числе в период возведения гидроузла.
Ступенчатые водосливные плотины
6.32 Ступенчатые водосливные плотины следует применять при технологии их возведения из малоцементного укатанного слоями бетона; низовую грань водосливной плотины, включающую ступени, укладывают из вибрированного бетона или выполняют из сборных элементов. Высота ступеней на сливной грани этих плотин должна быть пропорциональна 1-3 слоям укатанного бетона толщиной каждого 25-50 см. Следует различать два типа ступенчатых водосливных плотин:
нерегулируемые, обеспечивающие существенное гашение избыточной кинетической энергии при удельных расходах воды меньше 40-45 м2/с. Степень гашения энергии на такой сливной грани возрастает с уменьшением удельного расхода и увеличением высоты плотины. Увеличение высоты ступеней на сливной грани даже в три раза повышает степень гашения энергии на 5% - 10%.
регулируемые (с затворами на гребне), предназначенные для пропуска паводков со значительными удельными расходами на сливной грани, составляющими до 200-250 м2/с.
6.33 При проектировании ступенчатых водосливных плотин высотой более 25-30 м для обеспечения рациональных условий гашения избыточной кинетической энергии их следует выполнять с криволинейными в продольном сечении обтекаемыми водосливными оголовками (например, безвакуумными), плавно сопрягающимися с прямой линией, проведенной через кромки ступеней постоянной высоты d (рисунок 11). Угол наклона этой линии должен определяться статическими условиями работы ступенчатой водосливной плотины. Несколько ступеней меньшей высоты, чем на остальной части сливной грани, следует предусматривать на участке сопряжения с криволинейным профилем водосливного оголовка, что способствует увеличению объема укатанного бетона. Их высота должна быть пропорциональна числу слоев укатанного бетона. Устройство такого переходного участка должно обеспечивать при расходах ступенчатого водослива, существенно меньших расчетных, уменьшение разбрызгивания воды при перепадном режиме течения на ступенчатой сливной грани (с воздушными полостями под транзитным потоком).
 | |
| 653 × 366 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 11 – Схема продольного участка профиля участка ступенчатого водослива, обеспечивающего гашение избыточной энергии, который примыкает к водосливной оголовку
6.34 Ступенчатые водосливы трапецеидального профиля следует предназначать только для пропуска небольших удельных расходов: при высоте плотины не более 10 м - до 5 м2/с, при высоте не более 20 м - до 10 м2/с. Уклон низовой грани таких плотин должен устанавливаться на основании расчета кривой свободного падения потока с гребня водослива таким образом, чтобы в гашении энергии было задействовано 0,7-0,8 длины низовой ступенчатой грани.
6.35 Быки между пролетами ступенчатых водосливных плотин, предназначенных для пропуска значительных удельных расходов, необходимо расширять в плане в направлении течения (рисунок 12), при этом ширина пролета должна быть уменьшена до 0,35-0,50 от ширины на гребне плотины. В конце суженной части пролета целесообразно предусматривать вертикальный уступ высотой 2-3 м; в этом случае подвод воздуха обеспечивается по всему периметру потока. Для ступенчатых водосливных плотин этого типа характерным является повышенное брызгообразование. Поэтому здание ГЭС, распределительные устройства и линии электропередач должны находиться на достаточном расстоянии от водосливных пролетов.
 | |
| 616 × 376 пикс. Открыть в новом окне | |
Рисунок 12 – Ступенчатая водосливная плотина для пропуска значительных удельных расходов
6.36 При проектировании ступенчатых водосливных плотин необходимо учитывать, что участок их сливной грани между створом, где происходит возникновение аэрации на поверхности потока, и створом, в котором пузырьки воздуха проникают до граней ступеней, - наиболее кавитационно опасный. Здесь скорости течения уже достаточно велики, а воздух еще не проник до граней ступней. Наиболее существенное понижение давления наблюдается на вертикальных гранях ступеней.
6.37 При применении конструкций ступенчатых водосливных плотин со значительными удельными расходами (рисунок 12) необходимо предусматривать гашение энергии в нижнем бьефе. Потери напора на сливной грани этих плотин сравнительно невелики.
Лабиринтные водосливы