Действующие нагрузки на затворы

Нагрузка на затвор изменяется в за­висимости от открытия затвора и гидравлического режима. Гидро­статическая нагрузкана затвор при полном закрытии отверстия является главной нагрузкой. Расчет элементов затвора на проч­ность производится по максимальной нагрузке, которая может быть в диапазоне всех возможных при эксплуатации положений затвора и гидравлических режимов.

Основное сочетаниенагрузок определяется при максимальном уровне воды (с учетом ветровых изменений уровня) и максималь­ном напоре при нормальной эксплуатации. Особое сочетаниена­грузок определяется при форсированном уровне воды с учетом влияния волнения и условий, которые могут возникнуть в катастро­фической ситуации  (нарушение нормальной работы сооружения).

Волновое давлениеводы на затвор может быть учтено тем же путем, что и на плотину. По лабораторным и расчетным данным волновое давление на затвор в некоторых условиях может составлять до 50% от гидростатического давления. При малой высоте волны и незначительном пролете отверстия волновое давление не учиты­вают. Давление наносовопределяют как активное или пассивное в соответствии с характером взаимодействия отложившихся перед затвором наносов и затвора. На давление льдазатворы не рассчи­тывают. Давление ветраучитывают при полностью поднятом затворе. Действие атмосферного давленияна конструкцию проявляется при наличии вакуума, величину которого принимают на основании опытных или расчетных данных.

Вес затворана стадии предварительных проработок определяют по эмпирическим формулам и графикам.

Гидродинамическое давлениедает нагрузку на обшивку мень­шую, чем гидростатическое (рисунок 4), что иногда целесообразно учитывать при

Рисунок 4    Гидродинамиче­ское   давление на  обшивку плоского затвора
(пунктиром обозначено гидроста­тическое давление)

определении зависимости подъемного усилия от открытия затвора. Величина и направление гидродинамиче­ской    и   гидростатической   нагрузок   на нижнюю   грань   затвора   зависят от ее формы, размеров и наклона.

Пульсация гидродинамической на­грузки может вызвать вибрацию затвора, чему способствует:

а) подтопление затво­ра со стороны нижнего бьефа, приводя­щее к образованию вальца за затвороми  непрерывному срыву вихрей с нижней кромки затвора;

б) перелив воды через затвор при неблагоприятных очертаниях -верхней части затвора и при образовании между пульсирующей струей и затвором области вакуума;

в) неблагоприятное очертание нижней грани затвора, обуславливающее образование вакуума в замкнутых вихревых мешках при отжиме потока от нижней грани;

г) фильтрация через щели между уплотнениями и закладными частями затвора.

Вибрация вызывает усталостные явления в материале затвора, передается закладным частям, нарушает их связь с бетоном, воз­действует на быки и другие элементы сооружения. Для некоторых конструкций затвора вибрация опасна возникновением резонанса, при котором деформации конструкций могут получать разрушаю­щие величины.

Наиболее благоприятный режим истечения из-под затвора обеспечивает плавно очерченная нижняя грань затвора, наклоненная в сторону верхнего бьефа (рисунок 5, б). При отжиме потока от ниж­ней грани в замкнутой области отжима возникает вакуум (рисунок 5, а), появляется направленная вниз сила, имеющая пульсационный характер. Ножевое уплотнение (рисунок 5, в) практически не имеет площади, на которую могло бы действовать в вертикаль­ном направлении давление. При опущенном затворе уплотнение из бруса испытывает направленное вверх фильтрационное давле­ние (рисунок 5, г), а при истечении из-под затвора отрыв потока от бруса с образованием замкнутой области отрыва (рисунок 5, д) дает силу, направленную вниз.

Вертикальная сила, действующая на нижнюю кромку затвора, может быть направлена вниз или вверх в зависимости от степени открытия затвора. Так, в момент посадки затвора на порог и при полностью закрытом отверстии (рисунок 5, а, б, г) сила направлена вверх. Величина силы противодавления при закрытом отверстии легко определяется расчетом по площади эпюр давления, при частичных открытиях - расчетом или экспериментально. Прибли­женно для схем рисунок 5, а, д можно принимать, что вакуум в области отрыва потока от низовой грани достигает 0,6 м вод. ст., что дает силу Wв, направленную вниз, так называемый   «подсос»

где  - площадь, на которую воздействует «подсос».

Рисунок 5 Воздействие потока на нижнюю грань затвора: 1 - эпюра давления при закрытом отверстии (расчетная)

Следует   учитывать, что очертание уплотнения    нижней грани затвора может отличаться   от показанных на рисунке 5, например, в случае   применения   элементов,   вы­полненных из   резины.

Работа поверхностных затворов без подтопления со стороны нижнего бьефа обеспечивается соответствующим положением гребня водослива относи­тельно уровня воды нижнего бьефа. Порогу водослива непосредственно за затвором желательно придавать уклон в сторону нижнего бьефа (рисунке 5, в, д), чтобы струя свободно оттекала от затвора.

Избежать подтопления глубинного затвора удается в определенных условиях подводом воздуха в пространство за   затвор  (рисунок 6). Без подвода воздуха может работать игольчатый (см. рисунок 2, д)и не регулирующие (см. рисунок 2, г, ж, з)затворы.

Рисунок 6    Аэрация пространства за   глубинным   затвором

Для борьбы с кавитационной эрозией участков водовода за за­твором, пазов, элементов затвора принимаются специальные меры, как подвод воздуха в зоны возникновения кавитации и отрыв пото­ка от граней водовода, подверженных воздействию кавитации.