Безвакуумный и вакуумный профили водосливной грани

ЛЕКЦИЯ 3

Профили водосливных плотин

Плотинные поверхностные водосбросы могут пропускать в нижний бьеф плавающие лед, шугу сор и т. п. За счет своей простоты и удобства в эксплуатации они получили довольно широкое распространение. На рис. 3.1 представлены разновидности профилей бетонных водосливных плотин.

Водосливом практического профиля (рис. 3.1, а ÷ г, е) обычно называют водосливы, во-первых, у которых водосливная грань очерчена по внутренней грани струи, ниспадающей с водослива тонкой стенки, а во-вторых, при соблюдении условия , где — ширина водослива, — напор на гребне водослива. Водосливы практического профиля широко используются в плотиностроении и имеют некоторые разновидности. Так, например, профиль плотины, представленный на рис. 3.1, а широко используется на плотинах на нескальном основании, где требуется устраивать дорогостоящее крепление дна, а профили плотин на рис. 3.1, б, в применяют при скальных грунтах основания. Плотину с низким уступом часто применяют еще и тогда, когда в нижний бьеф через специально созданный ледосбросной фронт приходится сбрасывать большие массы льда. Преимущество плотины с высоким уступом появляется при высоких сооружениях, когда вода сбрасывается с достаточной скоростью, чтобы отбросить струю на большее расстояние с целью отодвинуть воронку размыва как можно дальше от сооружения.

Водосливы с широким порогом применяются на низконапорных гидроузлах (рис. 3.1, ж);

Водосбросные плотины с водосливными оголовками (рис. 3.1, д, е) применяются в арочных плотинах и невысоких плотинах в виде стенки.

а	б
в	г	д
е	ж	з

Рис. 3.1. Профили водосбросных плотин

ЛЕКЦИЯ 3

Профили водосливных плотин

Плотинные поверхностные водосбросы могут пропускать в нижний бьеф плавающие лед, шугу сор и т. п. За счет своей простоты и удобства в эксплуатации они получили довольно широкое распространение. На рис. 3.1 представлены разновидности профилей бетонных водосливных плотин.

Водосливом практического профиля (рис. 3.1, а ÷ г, е) обычно называют водосливы, во-первых, у которых водосливная грань очерчена по внутренней грани струи, ниспадающей с водослива тонкой стенки, а во-вторых, при соблюдении условия , где — ширина водослива, — напор на гребне водослива. Водосливы практического профиля широко используются в плотиностроении и имеют некоторые разновидности. Так, например, профиль плотины, представленный на рис. 3.1, а широко используется на плотинах на нескальном основании, где требуется устраивать дорогостоящее крепление дна, а профили плотин на рис. 3.1, б, в применяют при скальных грунтах основания. Плотину с низким уступом часто применяют еще и тогда, когда в нижний бьеф через специально созданный ледосбросной фронт приходится сбрасывать большие массы льда. Преимущество плотины с высоким уступом появляется при высоких сооружениях, когда вода сбрасывается с достаточной скоростью, чтобы отбросить струю на большее расстояние с целью отодвинуть воронку размыва как можно дальше от сооружения.

Водосливы с широким порогом применяются на низконапорных гидроузлах (рис. 3.1, ж);

Водосбросные плотины с водосливными оголовками (рис. 3.1, д, е) применяются в арочных плотинах и невысоких плотинах в виде стенки.

а	б
в	г	д
е	ж	з

Рис. 3.1. Профили водосбросных плотин

Безвакуумный и вакуумный профили водосливной грани

Водосливная грань водосливов безвакуумного очертания построена по форме струи водослива с тонкой стенки (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Образование водосливной грани безвакуумного водослива

Необходимо отметить, что при увеличении напора с величины H₁ до величины H₂ на водосливе безвакуумного очертания может образоваться вакуум, поэтому при построении профиля плотины безвакуумного очертания необходимо использовать максимальный профилирующий напор, который, как правило, является ФПУ.

Построение начального безвакуумного профиля плотины выполняется следующим образом. Зная профилирующий напор и наметив начало осей координат Ox и Oy, строят кривую CD (рис. 3.3, а). Далее проводят прямую СА и кривую сопряжения EF. Кривая EF сопрягается с кривой, построенной по координатам Кригера-Офицерова или при необходимости с ее продолжением (участок DE) радиусом R, равном:

R = (0,5 ÷ 1,0) (H + H₀) — для невысоких плотин на нескальном основании;

R = (0,25 ÷ 0,50) (H + H₀) — для высоких плотин на скальном основании,

где H — наибольший напор на сооружение (наибольшая разница уровней верхнего и нижнего бьефов);

H₀ — максимальный напор на гребне водослива.

а	б	в
г	д	е

Рис. 3.3. Начальный гидравлический (а) и варианты (б ÷ е) окончательных (практических) профилей плотины с безвакуумным очертанием

Практический (реализуемый на практике) профиль плотины часто отличается от гидравлического. В случае, когда водосливная стенка начального профиля характеризуется недостаточной устойчивостью на сдвиг по ее основанию, возможны варианты корректировки профиля (рис. 3.3, б ÷ д), при этом необходимо понимать, что вместе с увеличением устойчивости сооружения увеличивается объем бетона, поэтому всегда надо стремиться к оптимальному профилю, у которого коэффициент устойчивости близок к допускаемому.

В случае, когда плотина начального профиля характеризуется избыточной устойчивостью, то применяется схема (рис. 3.3, е), в которой из начального профиля удаляют объем бетона 1. В этом случае появляется некоторая сложность при производстве бетонных работ (сложность выполнения опалубки наклонной части консоли), однако это оправдывается экономией бетона.

Вакуумные профили водосливных плотин характеризуются отрывом струи от водосливной грани и образование полости с пониженным давлением. В результате образуется явление подсоса, которое увеличивает пропускную способность водослива.

Наиболее изученными являются вакуумные профили с круговым и эллиптическим очертаниями оголовка (рис. 3.4). Согласно проведенным исследованиям
Н. П. Розановым наилучшим из криволинейных профилей является эллиптический, у которого соотношение полуосей эллипса лежит в пределах b/a = 2 ÷ 3. В этом случае при P/r_ф = 9,4 коэффициент расхода равен m = 0,55, когда у профилей с безвакуумным очертанием максимальный коэффициент расхода достигает лишь m = 0,50.

а	б

Рис. 3.4. Вакуумные профили водосбросных плотин с круговым (а)
и эллиптическим (б) оголовками

Наличие этого обстоятельства должно давать существенное превосходство вакуумного профиля над безвакуумным, однако практика плотиностроения доказывает обратное.

Практика показывает, что вакуумные профили плотин имеют преимущества только лишь в некотором уменьшении высоты затворов (до 5 %), что является практически несущественным. Вместе с тем вакуумные профили обладают присущими им недостатками:

· нестабильность вакуума в связи с периодическими колебаниями струи и заглатыванием ею воздуха, что вызывает удары и вибрацию сооружения.

· возможные разрушения водосливной грани в зоне образования вакуума с отрывом камней и закладных деталей;

· появляется вероятность возникновения кавитационной эрозии бетона.

Учитывая изложенные недостатки, применение вакуумных профилей становится ограниченным. Инженеры пришли к выводу, что использование вакуумных профилей наиболее целесообразным является на плотинах без затворов, у которых гребень плотины находится на отметке НПУ. В таких плотинах для пропуска паводковых вод стремятся к достижению наименьшей величины переливающегося слоя воды, что возможно при использовании вакуумных профилей.