Особенности образования сбойных течений

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 627.823

ТарГУ им. М.Х. Дулати

ОСОБЕННОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ СБОЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ

Беркимбаева Г.Д.

Джурумбаева Р.А.

Конструкции устройств нижнего бьефа должны работать без возникновения неблагоприятных сбойных течений; в противном случае существенно возрастают объемы и стоимость мероприятий, направленных либо на создание мощных креплений, либо на борьбу с последствиями размывов.

Существует большое число эффективных конструкций устройств нижнего бьефа, позволяющих успешно бороться со сбоем. Однако, пропуск паводковых, а чаще даже обычных эксплуатационных расходов, до сих пор представляет существенные проблемы. В реальных условиях пропуска сбросных расходов имеет место пространственный характер движения потока в нижнем бьефе, что вызывает, в свою очередь, неравномерность распределения гидродинамических нагрузок на плиты крепления и, следовательно, ухудшение условий его работы. Даже при равномерном пропуске воды по ширине водосбросного фронта скорости в нижнем бьефе и удельные расходы по ширине русла неодинаковы, они больше по середине русла. Причиной сбойности является понижение уровня воды на участке сброса воды по сравнению с уровнем окружающего водного пространства.

Сбойность течения характеризуется тем, что удельный расход растет вдоль динамической оси потока, причем неравномерность распределения его увеличивается. Сбойность практически всегда сопровождается искривлением динамической оси струи[1,3].

На поведение струи, выходящей из отверстия, в значительной мере может влиять крепление нижнего бьефа, длина быков, симметричность или несимметричность открытия отверстий и т.п. Если запроектировать крепление с учетом сбойности, то это крепление получилось бы весьма мощным, а следовательно и дорогостоящим. Поэтому необходимо бороться с возможностью самой сбойности.

Различают два основных вида таких мероприятий: конструктивные и эксплуатационные [2], которые направлены либо на достижение полного отсутствия явления сбойности, либо на значительное ограничение возможных режимов работы нижнего бьефа со сбоем.

К числу экплуатационных мер относится разработка оптимального режима маневрирования затворами управляемых (особенно многопролетных) водопропускных сооружений с достаточно равномерным по ширине (например, через один пролет) и высоте (с подъемом всех затворов ступенями) открытием водосливного фронта.

Если эксплуатационых мер для борьбы со сбойностью недостаточно, то необходимо предусматривать различные дополнительные конструктивные меры: вытягивать быки плотины на водобой (такие быки могут препятствовать поперечным токам воды), при этом можно вытягивать не каждый бык, а через один, два; устраивать особые гасители, вызывающие растекание потока и т.п.

При расчетах сопряжения бьефов резко выраженную сбойность учитывать не следует. Небольшую сбойность при расчете рисбермы в некоторой мере можно учитывать путем увеличения удельного расчетного расхода в пределах рисбермы), например на 20-30%.

Рис.1. Виды сбойности течения Рис. 2. Случаи растекания потока

Существует большое число эффективных конструкций устройств нижнего бьефа, позволяющих успешно бороться со сбоем. Одно из основных мероприятий такого рода - устройство водобойной стенки или системы стенок и порогов, размещаемых за гасителями или расщепителями, находящимися непосредственно за сжатым сечением и в зоне первого гидравлического прыжка. Роль стенки (системы стенок) при работе полным водосливным фронтом заключается в оказании реактивного воздействия на поток, улучшении условий его растекания на водобое и рисберме, в создании строго определенного гидравлически ясного режима сопряжения.

Особенностью пространственных условий движения воды является то обстоятельство, что в пределах нижнего бьефа образуются поперечные уклоны свободной поверхности, порождающие поперечные токи воды.

Ширина русла в нижнем бьефе обычно больше ширины водосливного фронта. Такое положение обуславливает пространственную картину движения воды в нижнем бьефе.

За отверстием, пропускающим наибольший удельный расход, устанавливается более низкий уровень воды в нижнем бьефе. Поэтому поперечные токи воды в области нижнего бьефа будут направлены к тем местам, где имеются большие расходы. В результате расход относительно мощных струй, выходящих из отверстия, вдоль потока будет увеличиваться.

Встречаются, однако и другие случаи пространственного движения воды, когда удельный расход относительно мощных струй по длине потока уменьшается.

В обоих случаях, показанных на рисунке 1, струя, выходящая из отверстия и поступающая в широкий нижний бьеф, может прижиматься или к правому, или к левому берегу. Это явление и есть сбойность течения. Различают устойчивую сбойность, когда картина движения воды в нижнем бьефе после нарушения ее какими-либо внешними причинами восстанавливается снова в начальном виде, и неустойчивую сбойность, когда струя в силу тех или других случайных обстоятельств меняет (во времени) свое положение (рис. 1,б). Это явление наблюдается, когда удельные расходы отдельных струй, выходящих из отверстия, увеличиваются вдоль течения.

Уменьшение удельных расходов получается за счет растекания потока за быками (рис.2,а); случай, когда отверстия открыты через одно (рис.2,б); случай, когда поток защищен от притока воды с боков направляющими стенками, которые при этом дают возможность потоку расширяться в плане (рис. 2,в).

При наличии широкого водосливного фронта уменьшение удельного расхода за счет растекания потока в нижнем бьефе получается ничтожным и с ним можно не считаться. Практически растекание потока имеет смысл учитывать в случае растекания его за быками (рис.2,а). При этом необходимо стремиться к улучшению и интенсификации процесса растекания на водобое, к стабильному поддержанию донного режима сопряжения, использовать для этих целей не только гасители и растекатели, но и например в случае низкопороговой водосливной плотины, наклон водосливной грани ниже затворов. Устанавливая режим расширения струи, следует учитывать как тип гасителей, так и их местоположение, плановую ориентацию, конструктивное выполнение в совокупности с длиной быков, диапазоном изменения сбросных расходов и соответствующих им глубин.

Несмотря на то, что поверхностный режим в ряде случаев может оказаться благоприятным с точки зрения недопущения больших размывающих скоростей за креплением, с точки зрения обеспечения благоприятных условий растекания потока в плане и по глубине, управления потоком с помощью гасителей целесообразность допущения этого режима сопряжения бьефов весьма проблематична.

Поэтому перечисленные меры могут быть намечены с достаточной уверенностью только на основании лабораторных опытов.

При растекании потока в плане и постепенном увеличении глубины также происходят потеря кинетической энергии потока и уменьшение скоростей течения. Однако угол растекания потока в плане за сооружением сравнительно невелик: отклонение крайних струй от осевого направления обычно не превосходит 5-120 и зависит от скорости течения, глубины и других элементов потока.

При поступлении потока в более широкое русло большую роль играют зоны водоворотов, образующиеся на границах потока до полного его расширения поскольку в транзитном, протекающем со значительными скоростями потоке давление ниже, чем в зонах водоворотов, происходят натекание воды из этих зон в транзитный поток и сжатие его боковыми водоворотами, увеличение скоростей и удельных расходов основного потока, замедление растекания и гашение энергии его.

Рис. 3. Конструктивные мероприятия по борьбе со сбойностью в нижнем бьефе

а - гасители-расщепители в комбинации с водобойной стенкой; б - три шашечных гасителей; в - водобойная стенка в конце водобоя и расширяющаяся рисберма; г- комбинация растекателей с шашечными гасителями; д- порог-растекатель; е- комбинация удлиненных бычков с двумя рядами шашечных гасителей; ж- комбинация направляющих стенок с тремя рядами ребер искусственной шероховатости.

Это явление часто наблюдается в нижних бьефах гидроузлов, когда вода пропускается из верхнего бьефа не по всему водосливному фронту узла, а через часть его, например через здание ГЭС при закрытых затворах плотины или через часть отверстий плотины. В этих условиях сбрасываемый поток часто отжимается к одной стороне русла (сбойное течение), что ведет к размыву берега и подмыву прилегающих сооружений. Удельный расход воды при сбойном течении возрастает в 1,5 - 2,5 раза против среднего расхода на рисберме, вследствие чего за рисбермой происходят глубокие местные размывы, превосходящие средние иногда в 10 раз и более. Наличие сбойного течения вызывает необходимость усиления и удлинения креплений русла в нижнем бьефе.

При сопряжении гидравлическим прыжком (плоская задача) может происходить размыв русла бурным потоком при отгоне прыжка и спокойным потоком - при расположении части или всего послепрыжкового участка за креплением нижнего бьефа сооружения. В условиях плоской задачи гаситель энергии должен оказывать на поток в первую очередь реактивное воздействие. бьеф сбойный течение водопропускной

Плоская задача сопряжения бьефов исследована более полно, чем пространственная.

Гашение энергии потока при пространственной форме сопряжения (сбойном течении) более сложно, чем при плоском. Это объясняется тем, что при сопряжении сбойном течением наряду с гашением избытка кинетической энергии необходимо расширение потока в плане.

Исследователями [2.3.4] уделено значительное внимание вопросу пространственных потоков за сооружениями. Для предотвращения сбойного течения в нижнем бьефе гидротехнических сооружений были предложены различные конструкции гасителей-растекателей. Недостатком этих гасителей является работа сооружения неполным фронтом.

В настоящее время разработан большой комплекс-различных методов, предотвращающих возникновение сбойных течений или уменьшающих их. Имеются различные подходы к классификации способов и путей решения задач по борьбе со сбойностью в гидротехнических сооружениях, например (рис.3):

- применение различных типов гасителей и растекателей. увеличивающих гидравлическое сопротивление и создающих в пределах водобоя более высокий уровень воды, чем в нижнем бьефе;

- использование гасителей-растекателей в комбинации с водобойной стенкой или концевым распределительным порогом;

- подбор оптимальной длины раздельных бычков или устоев, позволяющих отделять транзитную часть потока от не транзитных масс жидкости до тех пор, пока глубина его будет существенно меньше глубины нижнего бьефа;

- устройство водобойной стенки, создающей такой перепад, что за ней образуется донное сопряжение бьефов;

- придание поперечному сечению отводящего русла полигональной формы, препятствующей развитию сбоя;

- применение криволинейных в плане и соответственным образом ориентированных водосливов, позволяющих обеспечить необходимое расширение потока на рисберме;

- использование конструкций креплений, в пределах которых поток расширяется либо в плане, либо по вертикали (наклонные водобои).

На основе различных исследований, можно сделать вывод о том, что за водосливными плотинами низкого и среднего напоров наиболее целесообразно применение трех типов гасителей: прорезной водобойной стенки, сплошной водобойной стенки и гасителя - растекателя.

Как правило, движение сбрасываемого потока в нижнем бьефе сопровождается его резким расширением в плане. Параметры этого расширения обусловлены плановыми очертаниями берегов и расположением водопропускного сооружения относительно русла реки. Резкое плановое расширение неизбежно сопровождается отрывом потока от стенок сооружения и возникновением водоворотных зон. Это приводит к разделению потока на транзитную часть, в которой перемещается основная масса воды, и нетранзитную - водовороты.

Движение транзитной части возможно в двух формах: в виде плавнорасширяющегося в плане потока, соответствующего его режиму; в виде сбойного течения, характеризуемого постоянным изменением направления (сбойность) практически нерасширяющейся струи. Границы транзитной части и параметры водоворотов устанавливают специальным гидравлическим расчетом. Возникновение сбойности ухудшает условия сопряжения бьефов и создает неблагоприятную плановую картину течения потока. Формы сбойных течений бывают в виде резкого изменения направления потока в после выхода его из сооружения в широкий нижний бьеф и в виде сжатия потока, вызываемого боковым натеканием воды из окружающих водоворотов.

Явление сбойного течения за гидротехническими сооружениями изучено недостаточно полно. Нет исчерпывающих данных о длине участка сопряжения со сбойным течением.

Гидротехники располагают многими средствами для предотвращения неблагоприятных явлений в нижних бьефах водопропускных гидротехнических сооружений. При разработке конструкции устройств нижнего бьефа не следует пренебрегать ни одним из этих методов, так как возникновение сбойности резко ухудшает скоростной режим в зоне сопряжения бьефов и служит причиной возникновения существенных воздействий на устройство нижнего бьефа, размывов, переформирований дна, откосов и направляющих дамб, отрицательно влияет на условия работы электростанций, насосных станций, судоходных и других специальных сооружений гидроузлов.

Компоновочное и конструктивное решения водопропускного сооружения неразрывно связаны с гидравлическими условиями работы его нижнего бьефа. В большинстве случаев открытые водопропускные сооружения имеют относительно неширокий водосливной фронт и небольшое число водосливных отверстий. Примерами таких сооружений служат водосбросы низко- и средненапорных речных гидроузлов, регулирующие сооружения на малых, средних и больших мелиоративных каналах, а также на каналах переброски стока и т.д. Изучение условий эксплуатации таких сооружений показало, что экономически может быть целесообразным либо отказаться от реализации на них эксплуатационных мероприятий по борьбе со сбойностью, либо применять их одновременно с конструктивными мероприятиями. Комбинируя различные меры борьбы, для этих сооружений можно разработать такие конструктивные решения устройств нижнего бьефа, которые не только обеспечат эффективное гашение избыточной энергии потока, но и позволят снять большинство в режиме их эксплуатации (прежде всего в маневрировании затворами), не опасаясь при этом неблагоприятных последствий, вызванных сбойными течениями.

Литература

1. Чугаев P.P. Гидротехнические сооружения. Водосливные плотины. М.: Высшая школа, 1978, 352 с.

2. Розанов Н.П., Кавешников Н.Т. Гидравлические исследования нижнего бьефа за трубчатыми сооружениями. М.»Колос»,1984.

3. Шинибаев А.Д., Калиев С.М. Некоторые особенности образования сбойных течений. //Вестник КазНТУ, - Алматы. 2004. -№ 5. с.95-101.

4. Николаенко Ю.И. К расчету крепления нижнего бьефа многопролетных водосливных плотин. Методические указания. В сб.: Научно-методические статьи по гидравлике. Высшая школа. М., 1983, вып.5, с. 180-189.

Размещено на Allbest.ru