Водосбросное сооружение
SPILLWAY STRUCTURE

Изобретение относится к гидротехнике, а более конкретно к водосбросным сооружениям средне- и высоконапорных гидроузлов, пропускающим излишки воды из верхнего бьефа водотока в нижний бьеф с одновременным гашением энергии этого потока, преимущественно используемых в сложных геологических и топографических условиях.
Известно водосбросное сооружение, размещенное между верхним и нижним бьефом водотока, включающее водозаборное и концевое устройство, соединенные водоводом, в разрыве которого установлена камера с затворами. (Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. - М.: Энергия, 1979. - 336 с., стр. 10, рис 1-2, в, аналог.)
Недостатком известного сооружения является необходимость расположения его оси вдоль русла водотока и необходимость иметь большой прямолинейный участок водотока, примыкающий к водосбросному сооружению со стороны нижнего бьефа.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является, выбранным в качестве прототипа (Животовский Б.А. Водосбросные и сопрягающие сооружения с закруткой потока. Монография. - М.: Изд-во РУДН, 1995. - 190 с., рис 1.3, б) водосбросное сооружение, размещенное между верхним и нижним бьефом водотока, включающее водозаборное устройство и присоединенный к нему водовод, в конце которого установлена камера с затворами и энергогасящее устройство, к которому присоединен конечный участок водовода, соединяющий его с концевым устройством.
Недостатком, известного устройства, является неполное гашение энергии потока в энергогасящем устройстве и необходимость дополнительного повторного гашения энергии, что в сложных геологических и топографических условиях не обеспечивает безопасной эксплуатации как самого водосбросного сооружения, так и гидроузла в целом, поскольку для гашения остаточной энергии потока также требуется большая длина участка акватории, примыкающего к концевому устройству.
Из анализа представленных известных технических решений в области гидротехники выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала технических средств для гашения энергии потока воды в водосбросных сооружениях.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности, безопасности работы и экономичности сооружения за счет полного гашения избыточной энергии сбрасываемого потока в энергогасящем устройстве, что позволяет обеспечить интенсивное растекание потока в концевом устройстве и применять это водосбросное сооружение при расположении водовода под любым углом к руслу водотока, вплоть до прямого угла, одновременно устраняя возможность образования воздушных мешков под сводом отводящего водовода и угрозу возникновения гидравлических ударов.
Сущность изобретения заключается в том, что водосбросное сооружение, размещенное между верхним и нижним бьефом водотока, включающее водозаборное устройство и концевое устройство, соединенные водоводом, в разрыве которого смонтирована камера с затворами и энергогасящее устройство, имеет концевой участок водовода со стороны верхнего бьефа, выполненный с вертикальным отклонением вниз и примыкающий сверху к затворной камере, а энергогасящее устройство, выполненное в виде вертикально расположенной цилиндрической шахты, торцом верхнего участка соосно присоединено к затворной камере снизу, а нижним участком через боковое отверстие соединено отводящим водоводом с концевым устройством, причем, отводящий водовод выполнен с обратным уклоном, а концевое устройство выполнено расширяющимся в плане.
Предлагаемое водосбросное сооружение поясняется чертежами, где:
фиг. 1. Продольный разрез по оси водосбросного сооружения по 1-1 фиг 2.
фиг. 2 Разрез по оси водосбросного сооружения по 2-2 фиг. 1.
Водосбросное сооружение размещается в горном массиве 1, расположенном между верхним бьефом 2 гидроузла и нижним бьефом 3 водотока 4, и включает в себя водозаборное устройство 5 и концевое устройство 6, которые соединяются водоводом. Водовод 7 со стороны верхнего бьефа соединяет водозаборное устройство 5 и затворную камеру 8 с установленными в ней с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости затворами 9. Отводящий водовод 10 соединяет концевое устройство 6 с устройством гашения энергии, выполненным в виде вертикально расположенной цилиндрической шахты 11. Верхний торец цилиндрической шахты 11 соосно присоединено к затворной камере 8, а отводящий водовод 10 соединен через боковое отверстие с боковой поверхностью цилиндрической шахты 11 в нижнем ее участке. При этом отводящий водовод 10 выполнен с обратным уклоном. Концевое устройство 6 выполнено расширяющимся в плане. В зависимости от соотношения, расхода, напора на гидроузле и длины водовода 10, цилиндрическая шахта 11 может быть продлена ниже отводящего водовода 10.
Работает водосбросное сооружение следующим образом. При открытии затворов 9 вода начинает двигаться из верхнего бьефа 2 через водозаборное сооружение 5 по водоводу 7 в вертикальную шахту 11, через камеру затворов 8. За отверстиями затворов 9 движение воды приобретает свободное падение. При достижении воды дна вертикальной шахты 11 происходит ее наполнение. Под действием напора, создаваемого столбом воды в цилиндрической шахте 11, вода поступает в отводящий водовод 10 и из него в концевое устройство 6. Одновременно, этот столб воды гасит кинетическую энергию падающей воды. При выходе воды из водовода 10 вода под действием силы тяжести растекается в поперечном направлении концевого устройства 6. В его концевом сечении удельные расходы достигают минимальной величины и обладают, соответственно, минимальной энергией, безопасной для состояния русла.
При падении воды в цилиндрической шахте 11 и формировании в ней столба воды, начнется вовлечение в поток воздуха, содержащегося в вертикальной шахте 11, и вынос его из пространства над столбом воды. По мере выноса воздуха, давление в цилиндрической шахте 11 начнет падать, в результате чего из воды, поступающей в шахту, выделятся растворенный в ней воздух, и через некоторое время установится динамическое равновесие, при котором объем выносимого воздуха будет равен объему воздуха, выделившемуся из воды. При достижении глубокого вакуума он распространится по всему сечению падающей струи, выходящей из затворной камеры 8, и выделение растворимого воздуха будет происходить не только с поверхности струи, но и внутри ее. Под действием этого выделяющегося воздуха струя в поперечном сечении начнет дробиться, превращаясь систему более мелких объемов, распределенных по поперечному сечению вертикально установленной цилиндрической шахты 11. Такая структура падающего потока способствует к снижению гидродинамического давления на дно вертикальной шахты 11. Переход движения потока за затворами 9 в свободное падение предотвращает возможность возникновения кавитационных разрушений в затворной камере 8 ввиду отсутствия контакта воды со стенками камеры затворов за отверстием затворов 9.
Придание отводящему водоводу 10 обратного уклона снимает противоречия между направлениями движения воздуха, вынесенного из цилиндрической шахты 11, и воды, предотвращая возможность образования воздушных мешков, движущихся в пульсирующем режиме в водоводах с прямым уклоном при их напорном режиме, что предотвращает проявление гидравлических ударов и повышает безопасность работы водосбросного сооружения в целом. Одновременно при наличии обратного уклона отводящего водовода 10 в его выходном сечении формируется поток с критической глубиной. При этом небольшая величина этой энергии обеспечивает возможность интенсивного поперечного растекания потока с центральным углом 45°, снижающего величину удельных расходов потока, входящего в русло водотока, что обеспечивается выполнением концевого устройства, расширяющимся в плане, предотвращающим появление плановых боковых водоворотов и плановое сжатие потока, выходящего из отводящего водовода 10.
Выполнение вертикальной шахты с цилиндрическим поперечным сечением обеспечивает индифферентность, как подводящего, так и отводящего участков водовода к гидравлическому режиму сопряжения потока в шахте, что обеспечивает возможность оптимального планового расположения водовода по условиям геологического строения породы, в которой располагаются водоводы, соединяющие водозаборное и концевое устройство с вертикальной шахтой. Таким образом, обеспечивается надежность, безопасность работы и экономичность сооружения и возможность применения предлагаемой конструкции водосбросного сооружения при его размещении в любых топографических и геологических условиях.