11.8. Режимы протекания потоков за малыми водопропускными сооружениями
Опыт эксплуатации малых искусственных сооружений показывает, что в подавляющем большинстве случаев их повреждения связаны с воздействием потока воды, и размывы обычно начинаются на выходных участках. Скорости на выходе из сооружения достигают 5-6 м/с, в то время как допускаемые неразмывающие скорости для грунтов отводящих русел составляют всего 0,7-1,0 м/с.
Вытекающий поток воды находится чаще всего в бурном состоянии и обладает большой кинетической энергией, которая вызывает размыв русла за сооружением. В большинстве случаев русло нижнего бьефа за водопропускными сооружениями имеет большую ширину, чем ширина отверстия водопропускного сооружения. Характер пространственного движения потока в очень широком нижнем бьефе зависит от глубины воды в нем и параметров потока на выходе из сооружения.
В зависимости от бытовой глубины потока в укрепленном отводящем русле возможны три формы сопряжения потока, выходящего из водопропускного сооружения, с бытовым потоком в широком нижнем бьефе, когда Bрусла>8bсоор.
1. Сопряжение по типу затопленной струи. Этот вид сопряжения наблюдается, когда струя, вытекающая из сооружения, будет полностью затоплена (рис. 11.16а). В нижнем бьефе происходит растекание струи в массе воды; при этом наблюдается постепенное уменьшение скоростей течения вдоль потока.
Рис. 11.16. Сопряжение потоков в отводящем русле за сооружением
2. Сопряжение по типу сбойного течения. Этот вид сопряжения наблюдается при глубине нижнего бьефа, несколько меньшей глубины, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения. Сбойному течению присущи некоторые опасные свойства (рис. 11.16б).
Поток, выходящий из сооружения в нижний бьеф, двигается сначала без растекания в стороны. С боковых сторон поток граничит с водоворотными зонами, которые могут сжимать транзитный поток. При глубинах нижнего бьефа, близких к глубине, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения, происходит свал потока в одну сторону, и сопряжение бьефов осуществляется в форме пространственного гидравлического прыжка. В результате прорыва воды в одну из водоворотных зон динамическая ось потока искривляется. Поэтому транзитная струя натекает на боковые стенки отходящего русла. Уменьшение скоростей в транзитной струе и выравнивание их по сечению отводящего русла происходит очень медленно. Поэтому требуется крепление не только дна, но и стенок отводящего русла на значительном протяжении.
3. Сопряжение по типу свободного растекания бурного потока. Поток, выходящий из отверстия, попадает в отводящее русло, глубина в котором меньше, чем глубина на выходе из сооружения. Под действием силы тяжести происходит растекание потока в стороны (по направлению к берегам). В результате этого область растекания бурного потока, сопрягающаяся с бытовым потоком и водными массами нижнего бьефа посредством косых гидравлических прыжков, принимает в плане характерную форму «лепестка» (рис. 11.16в).
При увеличении бытовой глубины в нижнем бьефе размеры «лепестка» уменьшаются, пока не произойдет переход к сбойному течению, когда бытовая глубина сравняется с глубиной, сопряженной с глубиной на выходе из сооружения пространственным прыжком.
Растекание бурного потока в узких нижних бьефах (при относительной ширине нижнего бьефа (Bрусла<8bсоор) характеризуется рядом особенностей:
поток, выходящий из сооружения, растекается в стороны. Так же как и в предыдущем случае, зона растекания сопрягается с водоворотными зонами посредством косых гидравлических прыжков. В местах набегания крайних струек потока на боковые стенки отводящего русла, т. е. в сечении полного растекания, происходит внезапное увеличение глубин и образование косых гидравлических прыжков. Эти косые гидравлические прыжки распространяются вниз по течению, если бытовой поток находится в бурном состоянии;
если бытовой поток находится в спокойном состоянии, в отводящем русле наблюдается обычный прямой гидравлический прыжок. С увеличением бытовой глубины прямой гидравлический прыжок придвигается ближе к своему предельному положению в сечении полного растекания;
если глубина нижнего бьефа больше глубины, при которой прямой гидравлический прыжок располагается в сечении полного растекания, происходит прорыв водных масс в водоворотные зоны и переход к сбойному течению (рис. 11.17).
Для предотвращения размывов выходных участков следует защищать лог на определенной длине. Защита от размыва заключается в правильном выборе типа и размеров укрепления, которые назначают или из условия отсутствия местного размыва, или из допущения размыва, безопасного для устойчивости, как укрепленного участка русла, так и самого сооружения.
Рис. 11.17. Схема свободного растекания в узком русле: 1 – линия растекания; 2 – водоворот; 3 – сечение полного растекания; 4 – косой гидравлический прыжок; 5 – прямой гидравлический прыжок; 6 – конец зоны растекания
Назначение типа укрепления по скорости на выходе из трубы справедливо только для спокойных потоков. При растекании бурных потоков скорости получаются значительно большими, чем выходные. Скорость может увеличиться примерно в 1,5 раза.
Выходные участки не укрепляют только в тех редких случаях, когда скорости на выходе из сооружения весьма малы и не могут нарушить устойчивость, как самого русла, так и сооружения. В большинстве же случаев наблюдаются размывы неукрепленных русел, и правильное назначение укреплений выходных участков имеет не меньшее значение, чем определение размеров отверстий искусственных сооружений.