Особенности гидравлического расчета быстротока

Если течение в пределах сбросной части быстротока плавноизменяющееся (русло имеет всюду одинаковое сечение или незначительно изменяющееся по длине, в том числе русла прямолинейные сужающиеся или расширяющиеся), то расчет ведут по формулам одномерной гидравлики. Если же русло непрямолинейно, имеет участки с резким сужением или расширением, то гидравлический расчет быстротока производят согласно теории двухмерных потоков.

Дело в том, что при отклонении бурного потока стенками от первоначального направления возникают возмущения свободной поверхности, выражающиеся в образовании остановившихся волн. При плавном изменении направления возникают пологие волны возмущения, при резком изменении направления стенок в сторону от оси русла образуются косые прыжки (без перехода или с переходом глубины через критическую) и сбойное течение.

Гидравлика двумерных потоков дает возможность учесть влияние возмущений потока твердыми границами на форму свободной поверхности, на скорость, глубину потока и найти такие очертания русла, которые сводят к минимуму последствия внешних возмущений.

При определенных параметрах потока и русла на быстротоке происходит потеря устойчивости потока, выражающаяся образованием катящихся волн. Причиной такого самопроизвольного (спонтанного) волнообразования являются турбулентные возмущения, зарождающиеся у дна и выходящие на поверхность. Течение становится неустановившимся, импульсивным, оказывающим повышенное динамическое воздействие на конструкции быстротока, вызывает всплески в водобойном колодце и сбойное течение в отводящем канале.

Установить, будет ли поток устойчивым в пределах быстротока, можно расчетом. Для борьбы с потерей устойчивости сечению быстротока придают одну из форм, показанных на рис. 17.7.

При проектировании быстротока необходимо учитывать влияние на работу сооружения аэрации (самоаэрации). Створ, в котором она начинается, степень насыщения потока воздухом и увеличение при этом глубины воды, влияние аэрации на коэффициент трения поддаются расчету. Аэрация в зависимости от шероховатости русла, глубины потока, гидравлического радиуса м уклона может начаться при средней скорости около 4 м/с и числа Фруда . Ее влияние на работу сооружения практически учитывается при .

При средней скорости на быстротоке более 14 м/с возможно возникновение кавитации и кавитационной эрозии.

Для снижения скорости и гашения энергии воды по пути ее движения применяется усиленная шероховатость.

Рис. 17.7 Безволновые поперечные профили быстротоков

Кавитационная эрозия не возникает, когда поток аэрирован до дна, что обычно имеет место при малых глубинах потока.

Расчет концевого участка в виде рассеивающего трамплина, бокового водослива требует применения особых методов.

Рис. 17.8 Многоступенчатый перепад:
1 - плоский затвор; 2 - продольная стенка; 3 - стенка падения; 4 - водобойный колодец

Многоступенчатым перепад применяется при значительных уклонах местности (рис. 17.8). Струя, падающая с вышележащей ступени, гасит свою энергию частично за счет затопления на ступени прыжка. В противоположность быстротоку скорости течения остаются примерно постоянными (2-3 м/с или несколько большими). Для усиления эффекта гашения энергии ступени выполняются с небольшим обратным уклоном или в виде водобойного колодца. Ступени перепада отделяются друг от друга вертикальными швами (с противофильтрационным уплотнением) для снятия температурных напряжений и для независимой осадки ступеней при нескальном основании.

Сравнивая перепад с быстротоком, следует иметь в виду, что та нескальных грунтах выемка под быстроток, как правило, менее трудоемка и сравнительно легко выполняется соответствующими землеройными механизмами.

Фильтрация вдоль быстротока и многоступенчатого перепада. Вдоль быстрототока или многоступенчатого перепада устанавливается фильтрационный поток под сооружением и за боковыми стенками (рис 17.9). Если не делить дренаж по линии подземного контура сооружения, то кривая депрессии 5, установившаяся за стенками, будет определять напор под днищем сооружения; фильтрации под сооружением будет напорной, давление фильтрационного потока на днище быстротока, днище или стенки падения многоступенчатого перепада будет определяться уровнем кривой свободной поверхности фильтрационного потока за стенкой.

Рис 17.9 Схемы фильтрации:
а - под быстротоком; б - под многоступенчатым перепадом; 1 - шпунт; 2 - кривая депрессии при наличии дренажа за стенками; 3 - то же, при наличии шпунта; 4 - дренаж; 5, 6 - линии пьезометрического напора и эпюры противодавления при отсутствии дренажа за стенками и под подошвой сооружения; 7 - утолщение днища на участке гидравлического прыжка

Уменьшение фильтрационного давления достигается путем понижения кривой депрессии за стенкой устройством дренажей за стенками и под сооружением, а также шпор за устоями в голове водосброса, удлиняющих путь фильтрационного потока. Устройством, кроме того, зуба или шпунта в голове сооружения удается получить в верхней части канала безнапорную фильтрацию (рис. 17.9, кривые 2,3).

Толщина облицовки днища быстротока и ступенчатого перепада, толщины стенок падения назначаются с учетом возможного фильтрационного давления. Если образуется гидравлический прыжок, то в пределах прыжка толщина облицовки днища определяется с учетом дефицита давления и пульсационной нагрузки.