УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ВОДОТОКОВ
CONNECTION JOINT OF OPEN WATERCOURSES

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к конструкциям соединительных узлов открытых водотоков.
Известно сооружение для соединения бурных потоков, включающее отводящий канал и подводящие, один из которых расположен под углом к отводящему и имеет на подходе к нему участок быстротока, подводящий канал, расположенный под углом к отводящему, в месте соединения с ним имеет разделительную стенку, которая параллельна дну отводящего канала (Авторское свидетельство SU №896174, кл. E02B 13/00 от 07.01.1982).
Недостатком данного устройства является сложность с примыканием подводящего канала к нижней части транзитного участка канала, для чего необходимы стенки сложной конфигурации и значительное динамическое воздействие подводящего канала, расположенного под прямым углом к отводящему каналу с местным подпором, поворачиваясь в сторону отводящего канала.
Известен также узел соединения открытых водотоков, содержащий примыкающий к транзитному участку канала конец подводящего канала, снабженный струенаправляющими стенками, одна из которых установлена напротив подводящего канала на дне транзитного участка, а другая - перпендикулярно оси транзитного участка канала на откосе, противоположном откосу с подводящим каналом ниже его по течению (Авторское свидетельство SU №1147826, кл. E02B 13/00 от 30.03.1985).
Недостатком данного устройства является наличие сосредоточенного потока в центральной части транзитного канала установки перпендикулярно подводящему каналу струенаправляющей стенки и являющейся источником повышенной пульсации скоростей, опасных для устойчивости ложа канала. Кроме того, для работы такого узла соединения открытых водотоков требуется сложный гидравлический расчет установки стенки на дне транзитного канала, расположенной напротив подводящего канала, т.е. на эффективность формирования потока оказывают также влияние геометрические размеры стенок со сложными гидравлическими расчетами гидравлики для каждого из соединяемых двух потоков. При этом выравнивание потоков происходит на достаточно длинном участке канала, тем самым не обеспечивается нормальная эксплуатация при пропуске воды для разных соотношений расходов соединяемых двух потоков, хотя и предусмотрена вторая перпендикулярная стенка, которая также определяется сложным ее гидравлическим расчетом.
Известен также узел сопряжения водосброса гидротехнического сооружения, содержащий нижний туннель с разделительной стенкой, верхний и отводящий туннели, консоль, перпендикулярную к носку узла сопряжения, образованному лотком верхнего и сводом нижнего туннеля, и опирающуюся на разделительную стенку, консоль прикреплена к носку при помощи шарнира с возможностью поворота в вертикальной плоскости (Авторское свидетельство SU №1168658, кл. E02B 9/06 от 23.07.1985).
Недостатком данного узла сооружения является то, что он требует закрытых туннелей, соединенных под острым углом друг другу в одном направлении транзитного потока. Поэтому в известном узле сопряжения консоль, отделенная от стен узла сопряжения, выполнена сложной конструкции в плане непосредственно в самих туннелях. Конструкции таких закрытых водоводов массивны и сложны при ремонте.
Известен также узел соединения открытых водотоков, включающий перпендикулярно в плане к транзитному каналу конечный участок подводящего канала, который снабжен вертикальной продольной стенкой, делящей его на два рукава с равными входными поперечными сечениями, причем низовой рукав выполнен расширяющимся в плане в сторону транзитного канала (Авторское свидетельство SU №1401108, кл. E02B 13/00 от 07.06.1988).
Недостатком этого узла соединения является низкая эффективность работы, когда поток выходит из одного рукава и направляется прямолинейно навстречу боковому потоку транзитного участка канала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является узел соединения открытых водотоков, включающий подключенный к транзитному каналу подводящий канал и струенаправляющее устройство, выполненное в виде вертикальных стенок, последние установлены вдоль транзитного канала, параллельно между собой и под углом 20…30° к оси транзитного канала, причем стенки от подводящего канала в сторону оси транзитного канала выполнены с уменьшающейся высотой (Авторское свидетельство SU №1511329, кл. E02B 13/00 от 30.09.1989).
Недостатком данного устройства является наличие сложности участка узла соединения, поток, который поступает по быстротоку в транзитный канал еще достаточно с большой скоростью, что ведет к размыву дна сооружения и ложа канала, при этом повышенная пульсация скоростей также не исключает устойчивости ложа канала на повороте потока.
Целью изобретения является создание эффективных гидравлических условий в зоне узла соединения каналов, необходимых и достаточных для регулирования скоростной структуры потока в зоне соединения за счет повышения равномерности распределения.
Указанная цель достигается тем, что узел соединения открытых водотоков, включающий подключенный к транзитному каналу подводящий канал, в котором установлены вертикальные стенки параллельно между собой вдоль оси подводящего канала в сторону оси транзитного канала, по оси дна подводящего канала выполнен донный прямоугольный лоток, к дну лотка примыкает расширяющийся в плане колодец с вертикальными стенками, расположенными на отметке дна подводящего канала, донный лоток в конце снабжен двумя криволинейно направляющими вертикально установленными щитками, расположенными со стороны колодца, при этом один конец щитка закреплен к дну лотка, а другой примыкает к одной из стенок колодца в начальной его части, с козырьком, закрепленным к верхней стенке колодца, имеющим шарнирно прикрепленные к нему и колодцу с приводом телескопические опоры вертикального перемещения козырька, причем задняя стенка колодца выполнена с обратным уклоном в сторону продольной оси транзитного канала и ориентирована вниз по течению канала.
Отмеченный технический результат обеспечивается тем, что из подводящего канала поток воды, разделяясь по ширине канала на три части, поступает в колодец, образованный вертикальными стенками с донным лотком, который снабжен криволинейно направляющими вертикально установленными щитками, и козырьками, имеющими шарнирное соединение с верхними кромками стенок расширяющегося колодца и закрепленными на дне подводящего канала, где и происходит уменьшение нагрузок, воспринимаемых  транзитным каналом, и соответственно происходит распределение удельных расходов и скоростей, что приводит к равномерным местным скоростям по ширине транзитного канала в узле сопряжения, что уменьшает или предотвращает полностью возможность образования локальных  размывов за креплением, т.е. повышается устойчивость узла сопряжения в целом. Поскольку возвратное течение происходит непосредственно в пределах расширяющегося колодца, то поток устремляется в сторону ориентировано вниз по течению транзитного канала. Обеспечивается равномерность по ширине подводящего канала расхода воды между стенками канала и стенками донного лотка по высоте наполнения, не нарушая заданную пропорциональность деления потока по ширине подводящего канала с регулируемыми козырьками телескопическими опорами, установленными на дне колодца с вертикально-поступательным движением. Кроме того, формируется гидравлическая структура потока, характеризующаяся внешними и внутренними границами гидравлической струи, взаимодействующей с транзитным потоком транзитного канала в процессе слияния двух потоков. При этом водоворотная зона в колодце, образующаяся вдоль правого берега транзитного канала, образует небольшую поворотную зону непосредственно в самом колодце, и поток практически равномерно дальше распределяется вниз по течению транзитного канала. Благодаря криволинейным щиткам под козырьками в колодце образуется соударение между собой струй, далее образуется течение, направленное из колодца, задняя стенка которого выполнена с обратным уклоном в сторону продольной оси транзитного канал.
Такое соотношение скоростей в расширенном колодце создает условия, при которых поток, поступающий из подводящего канала в транзитный канал, не оказывает существенных динамических нагрузок на узел соединения двух потоков, а это способствует активному движению воды вниз по течению транзитного канала. Таким образом, донный лоток, дно которого расположено ниже дна подводящего канала, поворотные козырьки и криволинейные щитки управляют скоростной гидравлической структурой потока из подводящего канала в расширенном колодце.
Автору не известны устройства, содержащие аналогичную взаимосвязь при решении задачи узла соединения открытых водотоков в плане, поэтому, по его мнению, предлагаемое техническое решение обладает критерием «существенные отличия».
На фиг. 1 изображен узел соединения открытых водотоков; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
К транзитному каналу 1 перпендикулярно в плане примыкает подводящий канал 2. В конце подводящего канала 2 и по оси его дна установлен донный прямоугольный лоток 3 с разделительными стенками 4, колодец 5 с расширяющимися в плане вертикальными боковыми стенками в сторону откосов транзитного канала 1. Заканчивается донный лоток 3 криволинейными направляющими щитками 6, служащими для направления потока под козырьками 7. Козырьки 7 имеют шарниры, прикрепленные к верхним торцам боковых стенок расширяющегося колодца 5, и шарнирно прикрепленные снизу козырька и к дну колодца телескопические опоры 8. Задняя стенка 9 колодца 5 выполнена с обратным уклоном в сторону продольной оси транзитного канала 1 и ориентирована вниз по течению канала. Угол наклона козырька регулируется телескопической опорой 8 относительно дна подводящего канала 2. Дно донного лотка 3 расположено ниже дна подводящего канала 2.
Узел соединения открытых водотоков работает следующим образом.
Принцип действия узла соединения основан на использовании гидравлических свойств потока. Вода, поступающая по каналу 2 с донным прямоугольным лотком 3 и разделительными стенками 4, разделяется на три потока. Средний поток донного лотка 3 разделяется дополнительно до поступления в колодец 5, между криволинейными вертикальными направляющими щитками 6, а боковые потоки при равном заданном коэффициенте пропорциональности к требуемой ширине подводящего канала 2 с донным лотком 3 перед козырьками 7 в виде порога с подвижной телескопической опорой 8 позволяют осуществить вододеление на переходном участке в плане прямоугольного сечения по высоте наполнения канала 2 и наполнения донного лотка 3 с разделительными стенками 4. Это в свою очередь обеспечивает равномерное распределение скоростей по ширине козырька 7 (перекрытия), не нарушая при этом заданную пропорциональность деления потока между донным лотком 5 вдоль оси канала 2.
Козырек 7 устраивается такой длины, чтобы ниспадающие струи с него поступали непосредственно в расширяющийся колодец 5, который имеет заднюю стенку с обратным уклоном в сторону продольной оси транзитного канала 1 и обеспечивал бы гашение энергии в колодце 5, далее обеспечивал бы практически равномерное соединение двух потоков в канале. Таким образом, общий поток из колодца 5 выходит в транзитный канал 1 под козырьками 7 с расширяющимися боковыми стенками колодца и плавно соединяется с потоком канала 1.
Благодаря предложенной конструкции узла соединения его высота становится меньше, так как донный лоток с разделительными стенками и расширяющийся колодец с установленными криволинейными направляющими щитками и с козырьками, шарнирно связанными с телескопическими опорами, позволяет регулировать гидравлическую структуру потока, поступающего в колодец из подводящего канала.
Предлагаемое изобретение позволяет существенно упростить компоновку узла соединения открытых водотоков, повысить надежность, уменьшить нагрузки, воспринимаемые в сторону продольной оси транзитного канала, исходя из взаимосвязи основных элементов узла соединения, чем повышается эффективность объединения основных двух потоков, которые направляются вниз по течению канала.