Напорный водосброс с вертикальным выходом потока

ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 532.533:69.034

Б.М. БАХТИН, докт. техн. наук,

М.Ж. РАСУАНАНДРАСАНА, магистр,

МГУП, Москва

НАПОРНЫЙ ВОДОСБРОС С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ ПОТОКА

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований гидравлики водосбросов с вертикальным выходом потока. Сделан вывод о целесообразности применения водосбросов этого типа для гидроузлов на скальных основаниях в долинах с широкими поймами.

Напорные водосбросные сооружения, обладая известными преимуществами перед сооружениями безнапорными (большая пропускная способность при равной площади поперечного сечения, меньшая опасность возникновения и развития кавитационных явлений), применяются значительно реже безнапорных водосбросов. Одной из основных причин этого является сложность обеспечения стабильности напорного режима водовода при расходах меньше расчётных.

Устойчивое существование такого режима возможно, когда пропускная способность концевого участка сооружения оказывается меньше пропускной способности его транзитной части. Для удовлетворения этого условия в практике гидротехнического строительства применяют плавное уменьшение площади поперечного сечения на концевом участке водовода, заглубление выходного сечения водовода под уровень нижнего бьефа, используют разнообразные камеры гашения, обеспечивающие образование внутри камеры гидравлического прыжка с гарантированным затоплением выходного сечения. Камеры гашения могут быть вертикальными - при значительном заглублении выхода либо горизонтальными - при заглублении малом. В последнем случае для повышения гидравлического сопротивления в камере устраивают гасители в виде стенок, балок, заделанных в стенки камеры, или системы вертикальных консолей, образующих решетчатую конструкцию. Известна горизонтальная камера закрытого типа, в которой перекрытие расположено под уровнем нижнего бьефа.

Общим недостатком указанных камер является сложность конструкций и связанная с этим низкая ремонтопригодность, что ограничивает область их применения в сооружениях с относительно малыми расходами. Кроме того,

© Б.М. Бахтин, М.Ж. Расуанандрасана, 2008

удельные расходы за концевыми участками таких водоводов оказываются достаточно высокими. Это требует дополнительных мер по предотвращению опасных размывов, приводя к удорожанию сооружения.

В значительной мере свободен от указанных недостатков водосброс с вертикальным выходом потока [1], схема которого приведена на рис. 1. Транзитная часть такого водосброса (туннельного или трубчатого) может быть выполнена горизонтальной или слабонаклонной, на всей длине заглубленной под уровень нижнего бьефа (рис. 1, а). Возможен также вариант с традиционно незаглубленной транзитной частью и наклонным её участком вблизи выхода (рис. 1, б). Концевой участок водосброса (рис. 1, в), выполняющий функции камеры гашения, включает вертикальный водовод цилиндрической формы, который примыкает к транзитной части сооружения и имеет одинаковое с ней сечение, и горизонтальный диск-отражатель, расположенный над выходным отверстием вертикального водовода и опирающийся на бычки обтекаемой формы, размещённые за пределами выходного сечения. Поток, выходя из вертикального водовода, распластывается по нижней поверхности диска-отражателя, растекаясь радиально. Векторы скорости струй, сходящих с диска-отражателя, ориентированы в горизонтальной плоскости и имеют радиальное направление. При этом сопряжение с нижним бьефом в широком диапазоне пропускаемых расходов происходит по типу поверхностной струи с образованием под ней вальца, придонные скорости в котором невелики и направлены к выходному сечению вертикального водовода. Ясно, что размывы дна в зоне вальца не могут представлять опасности для сооружения. За пределами вальца, когда растекающийся поток «садится» на дно, удельные его расходы и скорости становятся существенно меньше, чем при сходе с диска, что уменьшает опасность размывов. При достаточно прочном скальном основании предлагаемая конструкция концевого участка водосброса может позволить вообще отказаться от каких-либо креплений нижнего бьефа.

Достоинствами такого водосброса являются:

- наличие избыточного пьезометрического давления практически на всех элементах водопропускного тракта, что снижает опасность возникновения и развития кавитационных явлений;

- малые придонные скорости потока вблизи схода струи с диска-отражателя и значительное удаление места её «посадки» на дно нижнего бьефа, упрощающие и удешевляющие защиту концевого участка от размыва.

Предлагаемая конструкция не свободна и от определённых недостатков, главным из которых является ограниченность условий её применения реками с достаточно широкими руслами и поймами, поскольку при узкой долине (ущелье) резко возрастают объёмы земельно-скальных работ по концевому участку водосброса. Другой, менее существенный, недостаток состоит в необходимости ограждения выходного участка от воды нижнего бьефа и откачки заглубленной части водовода при осмотрах и ремонтах. Выполнить это можно с отсыпкой временной кольцевой перемычки из грунтовых материалов, которая будет размыта с началом пропуска паводка через водосброс, либо с устройством шандорного заграждения, опускаемого через отверстия в диске-отражателе в пазы бычков, поддерживающих последний.

б

Рис. 1. Схема гидроузла с напорным водосбросом с вертикальным выходом потока:

а - вариант с заглубленным туннелем; б - вариант с незаглубленным туннелем; в - концевой участок; 1 - плотина; 2 - строительный туннель; 3, 4 - варианты эксплуатационного водосброса; 5 - транзитная часть; 6 - концевой участок; 7 -вертикальный водовод; 8 - бычок; 9 - диск-отражатель

При проектировании такого водопропускного сооружения возникает ряд вопросов, связанных с малой изученностью работы концевого участка подобной конструкции. Прежде всего, это определение пропускной способности водовода, поскольку нет ясности в оценках значений гидравлического сопротивления концевого участка при различных соотношениях его геометриче-

1

ских размеров и глубинах нижнего бьефа. Другим, не менее важным, является вопрос гидравлического режима в нижнем бьефе при выходе потока из-под диска-отражателя. И наконец, представляет интерес оценка пьезометрического давления потока на диск-отражатель и дно нижнего бьефа. Первое необходимо для выполнения расчёта прочности концевого участка, второе - для прогноза размывов за ним.

Исследования были выполнены методом физического моделирования для условий водосброса с диаметром туннеля 4,5 м, пропускающего расходы 230, 300, 398 м3/с (средние скорости в выходном сечении вертикального водовода соответственно равны 14,65; 19,12 и 25,36 м/с). Опыты проводились на модели фрагмента водосброса, воспроизводящей в масштабе 1:50 его концевой участок при соотношениях диаметров диска-отражателя D и выходного сечения вертикального водовода (d = 9,0), равных D/d = 1,11; 2,22; и 3,33. Работу концевого участка изучали в условиях равных высот t расположения диска над уровнем выходного сечения и глубин нижнего бьефа h при соотношениях t/d = 0,55; 0,83; 1,11; 1,39 и h/d = 0,5; 0,75; 1,10.

Определение пьезометрических напоров на разных участках модели (рис. 2) выполняли с помощью 82-92 пьезометров. Из них 8 были установлены радиально в горизонтальной плоскости на расстоянии 3 см от выходного сечения вертикального водовода и служили для определения осреднённой величины пьезометрического напора hGp в потоке перед его выходом в камеру гашения (пространство под диском-отражателем). Это исключало возможность ошибки, вызванной влиянием колена, сопрягающего транзитную часть с вертикальным водоводом. 59 пьезометров были установлены в полу модели на 5 лучах, расходящихся радиально от оси выходного сечения. Распределение давления на диск-отражатель изучали с помощью 15-25 пьезометров, также расположенных на 5 радиальных лучах. Исследование кинематической структуры потока в нижнем бьефе выполняли с применением микровертушки с диаметром крыльчатки 1 см и электронным блоком регистрации скорости при линейном характере тарировочного графика от 3 см/с.

В опытах по изучению коэффициентов сопротивления концевого участка при разных соотношениях его размеров и глубинах нижнего бьефа в указанном створе измерений вертикального водовода определяли осреднённый пьезометрический напор, принимая его за малостью потерь на длине 3 см равным напору в выходном сечении. Изучение работы модели при отсутствии диска-отражателя (в режиме фонтанирования) показало, что избыточный напор z = h^ - h относительно уровня нижнего бьефа вблизи выходного сечения практически отсутствует. Установка диска, реакция которого при соударении с ним потока весьма велика, приводит к возрастанию величины напора h^, создавая подпор аналогично дополнительному гидравлическому сопротивлению в выходном сечении вертикального водовода. Сопротивление, обусловленное этим обстоятельством, может быть оценено условным коэффициентом сопротивления ^под:

Z =—z—

д av0 / 2 g

Здесь v0 - средняя скорость в выходном сечении.

Рис. 2. Схема размещения пьезометров на модели

Потери напора в сооружении обусловлены не только реакцией диска-отражателя, но и сопротивлениями, возникающими при движении потока в полости камеры гашения под диском и при выходе из неё. Можно полагать,

что удельная энергия потока на входе в камеру гашения

потрачена на преодоление этих сопротивлений. Рассматривая концевой уча-

сток как напорный водовод с расчётным сечением ю0 , пропускающий расход Q при действующем напоре г0, можно записать:

0 = ^ол/2^

где р = 1 /д/а + ^вых . В последнем выражении ^вых - коэффициент сопротивления движению потока в пределах камеры гашения, отнесенный к выходному сечению ю0 вертикального водовода. Величину этого коэффициента найдём из выражения

2 0

Свых = - а.

^0

Обобщённый коэффициент сопротивления концевого участка водосброса Сконц, обусловленного обоими указанными факторами, может быть получен как сумма частных коэффициентов:

Сконц ^под + Свых .

Из выражений (1) и (2) ясно, что величина Сконц существенно зависит от

характера кинематической структуры потока в выходном сечении, определяющего значение коэффициента а . Величина его, найденная по опытным данным, составила 1,02. Результаты экспериментов по определению коэффициентов сопротивления концевого участка при различных соотношениях О / d; t / d; И / d и значениях расхода на модели, равных 0,013; 0,017 и 0,0225 м3/с, представлены на рис. 3. Из графиков видно, что изменение относительной высоты t / d расположения диска-отражателя над выходным сечением вертикального водовода в диапазоне 0,83-1,39 не оказывает значительного влияния на величины коэффициентов сопротивления, а значит, и на пропускную способность водовода. С уменьшением t / d ниже 0,83 сопротивление концевого участка резко возрастает. Видимо, это связано с характером растекания вертикальной струи в пространстве между выходным сечением и диском. При близком расположении диска струя остаётся компактной вплоть до соударения с ним, что увеличивает эффект «отдачи», повышая гидравлическое сопротивление камеры гашения. С ростом t / d растёт площадь контакта струи с диском из-за ее растекания, и энергия реакции, приходящаяся на площадь выходного сечения, снижается, обусловливая уменьшение коэффициента сопротивления. С учётом сказанного становится понятным снижение эффекта уменьшения сопротивления при увеличении высоты подъёма диска по мере роста скорости выхода струи, как это следует из графиков рис. 3.

Достаточно слабым оказалось влияние относительного диаметра О / d диска-отражателя на величину коэффициента сопротивления. Лишь при наименьшем из трёх расходов (рис. 3, а), то есть при относительно низкой скорости выхода струи и высотах подъёма диска Ш > 0,55, значения ^кон для малого диска (О / d = 1,11) оказались заметно меньше, чем для дисков больших размеров.

б z

о

0,5

1,0

h/d

Рис. 3. График зависимости Z = f (t /d,h/d,D/d) :

a - g = 230 м3/с; б - Q = 300 м3/с; в - Q = 398 м3/с; О - D/t = 3,33;  - D/d = 2,22; Д - D/d = 1,11;------t/d = 0,55;------t/d = 0,83;--------t/d = 1,11; ....... t/d = 1,39

a

z

в

Видимо, в этом случае струя интенсивно растекается в пространстве под диском, и часть её энергии рассеивается в потоке за пределами камеры гашения.

Более существенным оказывается влияние относительной глубины h/d воды в нижнем бьефе. Из графиков рис. 3 видно, что при всех расходах увеличение глубины h/d в диапазоне 0,5-0,75 приводит к относительно малому изменению коэффициента сопротивления концевого участка (примерно на 5-25 %). С ростом глубины при h/d > 0,75 подъём графиков становится более интенсивным, уменьшаясь, однако, по мере увеличения скорости на выходе струи.

Интересно, что величины коэффициентов сопротивления при больших относительных диаметрах диска-отражателя (D / d = 3,33 и 2,22) оказались ниже, чем при D/d = 1,11 за исключением случая малого расхода и t/d > 0,55, когда интенсивное растекание снижает энергию реакции диска. Причиной этого феномена может служить зарегистрированное в опытах возникновение зон вакуума на нижней поверхности диска и у дна в пространстве под сходящей струёй, что видно из эпюр распределения пьезометрических напоров (рис. 4, а, б), полученных на модели при расходе 0,017 м3/с, соответствующем натурному расходу 300 м3/с, и соотношениях: D/d = 3,33; t/d = 0,83 и h/d = 0,50.

Характер кинематической структуры потока в нижнем бьефе иллюстрируется рис. 4, где кроме указанных выше данных показаны также контуры транзитной струи, донного и поверхностного вальцов и график распределения придонных скоростей, построенные по эпюрам скоростей в вертикальных сечениях, соответствующих точкам измерения (1-10).

Заметим, что при размерах выемки в зоне концевого участка, воспроизведенных на модели (см. рис. 2), картина распределения давлений и скоростей была практически осесимметричной. Из рис.4, в видно, что на длине отлёта струи l, примерно равной 3d, придонные скорости составляют около 1,7 м/с (в пересчёте на натуру) и направлены противоположно движению транзитного потока. Наибольших значений (около 7 м/с) они достигают в зоне «посадки» струи на дно (в сжатом сечении), снижаясь далее до 4,2 м/с на длине 5 м.

Сопоставление всех этих данных свидетельствует, что под струёй, выходящей из вертикального водовода и распластавшейся после соударения с диском-отражателем, формируется валец со скоростями у дна, направленными к оси выходного участка. Кривая пьезометрических напоров под ним (рис. 4, б) расположена ниже уровня воды в бьефе, что вызывает дефицит давления. Давление возрастает вблизи створа, где струя «садится» на дно, и над ней возникает поверхностный валец. Здесь зафиксировано наибольшее значение пьезометрического напора, примерно на 40 % превышающее глубину воды за пределами вальца. Наличие указанного дефицита давления участка может привести к деформации крепления дна, поэтому крепление в этой зоне целесообразно выполнять дренированным, чтобы исключать взвешивающий эффект фильтрационного потока, натекающего из зоны повышенного давления.

Рис. 4. Распределение пьезометрических напоров и придонных скоростей в зоне выхода потока (в перечете на натуру) при Q = 300 м3/с; D/d = 3,33; t/d = 0,83; h/d = 0,50: а - на диске-отражателе, м; б - на дне нижнего бьефе, м; в - эпюра придонных скоростей, м/с

Оценить величину отлёта струи можно с использованием рис. 5, на котором приведены графики зависимости относительной длины отлёта l/d от относительной глубины в нижнем бьефе h/d при различных размерах D/d, высотах расположения t/d диска-отражателя и пропускаемых расходах. Из этих данных видно, что с увеличением расхода отлёт струи возрастает, увеличение глубины приводит к его снижению. Интересно, что тенденции изменения l/d высотой расположения диска-отражателя малого (D/d = 1,11) и большого (D/d = 2,22 и 3,33) диаметров оказались противоположными: в первом случае с ростом t/d

отлёт струи уменьшается, а в другом, наоборот, возрастает. Объясняется это следующими обстоятельствами. При «большом» диске под ним формируется кольцевая струя с радиальными скоростями почти горизонтального направления, величина которых мало зависит от высоты расположения диска. С увеличением значений t/d поднимается осевая поверхность струи, и, соответственно, возрастает ее отлёт. В случае, когда диаметр диска-отражателя меньше или равен диаметру выходного сечения водовода, часть компактной струи из-за её расширения по мере подъёма проходит, не соприкасаясь с диском, в направлении, близком к вертикальному, другая её часть, распластываясь на диске, движется почти горизонтально. По этой причине радиальные скорости потока по периметру диска отклоняются кверху тем сильнее, чем большая часть компактной струи проходит вне его контура. Таким образом, по мере увеличения t/d возрастает высота подъёма струи над уровнем диска-отражателя, значительная часть энергии потока расходуется на преодоление силы тяжести, и, соответственно, уменьшается длина отлёта струи.

Распределение давления на диск-отражатель со стороны струи, выходящей из вертикального водовода, представлено эпюрой пьезометрических напоров на рис. 4, а. Видно, что при относительной высоте расположения диска t/d = 0,83 растекание струи на нём происходит в пределах площади диаметром около 1,7d. Далее поток движется по инерции, и у края диска возникает зона вакуума, вызванного искривлением струи под действием силы тяжести.

На рис. 6 приведены графики зависимости отношений величин силы P давления струи на диск-отражатель, вычисленной по эпюрам пьезометрических напоров, и силы давления R той же струи на плоскую стенку от соотношения h/d при разных значениях D/d и t/d. Величину R вычисляли по формуле

R = Р0v02,

2

где р0, ю и v0 - плотность воды, площадь выходного сечения вертикального водовода и средняя скорость струи в этом сечении. Из рис. 6 видно, что сила давления струи оказалась наибольшей при низком (t/d = 0,55) расположении всех дисков, независимо от глубины воды в бьефе. Уменьшение величин относительного давления P/R с увеличением высоты расположения диска t/d, отмеченное на графиках рис. 6, обусловлено возрастанием потерь энергии, связанных с расширением струи и ростом затрат на подпитку донного (подструйного) вальца. Наибольшая величина силы давления струи на диск-отражатель, зафиксированная в опытах, составила около 6400 кН в пересчёте на натуру. Минимальные величины силы давления получены для диска малого диаметра при D/d = 1,11. Здесь значения P/R во всём диапазоне изменения t/d и h/d не превысили 0,55. Столь малое относительное давление объясняется, видимо, отмеченным выше расширением струи на траектории её движения от выходного сечения до плоскости диска. При этом часть потока не входит в соприкосновение с ним, что снижает долю энергии струи, воспринимаемую диском.

l/d

4,0

2,0

0,5

1,0

h/d

Рис. 5. График зависимости l = f (t/d,h/d,D/d) :

а - Q = 230 м3/с; б - Q = 300 м3/с; в - Q = 398 м3/с; О - D/t = 3,33;  - D/d = 2,22;

Д - D/d = 1,11;

t/d = 0,55;

t/d = 0,83;

t/d = 1,11;

" t/d = 1,39

а

0

б

в

P/R

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

/ / /

' /^f ^ t / P / /

с I , P

! f?" -A

О

L L г" г— ...... Ь- ' -A • i

P/R

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

P/R

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,5 1,0

0,5

0,5 1,0 h/d

S

/ f

С / / / / P J t P

( / / / У

[

1 ..O''' . О

Л

h/d

./ /л

£> г^ гЖ ^

• •' . :В .0- '

1 5 ,,-А -Л--^ *

г-

1,0 h/d

Рис. 6. График зависимости P/R = f (t/d;h/d;D/d) :

а - Q = 230 м3/с; б - Q = 300 м3/с; в - Q = 398 м3/с; О - D/t = 3,33;  - D/d = 2,22; Д - D/d = 1,11;-----t/d = 0,55;-----t/d = 0,83;-------t/d = 1,11; ..... t/d = 1,39

0

б

0

в

0

Следует отметить тенденцию увеличения силы давления с глубиной в нижнем бьефе. Можно предположить, что это обусловлено усиливающимся с ростом глубины натеканием воды в компактную струю из донного вальца, приводящим к увеличению её расхода и, соответственно, энергии. При этом следует ожидать возрастания коэффициента сопротивления концевого участка, что подтверждается данными рис. 3. В свою очередь, подпитка компактной струи энергией вальца должна компенсироваться энергией струи, сходящей с диска-отражателя, и приводить к некоторому уменьшению её отлёта, как это видно из графиков рис. 5.

Несколько неожиданными оказались величины относительного давления P/R, превышающие единицу, полученные при исследованиях работы модели с более крупными дисками-отражателями большого диаметра: D/d = 2,22 и 3,33. Очевидно, это связано с искривлением струй на сходе с диска (см. рис. 4). Скорости сходящих струй в таком случае имеют направление, составляющее с направлением оси компактной струи угол а > 90°. С ростом этого угла, как известно, возрастает, по сравнению с величиной, определяемой по зависимости (4), и сила давления на преграду, достигая в пределе (при а > 180°) значения:

Р = 2р 0V02.

Приведенные выше результаты исследований, по нашему мнению, указывают на возможность и целесообразность применения водосброса рассмотренного типа для гидроузлов на скальных основаниях в условиях русл с достаточно широкими поймами. Они позволяют, обоснованно назначив размеры элементов концевого участка, выполнить расчёты пропускной способности сооружения и дают возможность прогнозировать его размыв. Кроме этого, полученные результаты свидетельствуют о возможности применения водоводов предложенного типа в качестве паводковых водосбросов, водоспусков и водовыпусков.

Библиографический список

1. Концевой участок напорного водопропускного сооружения: пат. 2211279 Рос. Федерация / Б.М. Бахтин, М.Ж. Расуанандрасана; опубл. 28.08.2003, Бюл. № 24.

B.M. BAKCHTIN, M.ZH. RASUANADRASANA

THE HEAD SPILLWAY WITH VERTICAL OUTPUT OF STREAM

The results of experimental investigations of hydraulics of spillways with vertical output of stream are considered in the paper. The conclusion about advisable use of the spillways of this type for hydro joints on rock base in the valleys with wide water-meadows is made.