11.4. Сопряжение бьефов

И ГАШЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПОТОКА ЗА ВОДОСЛИВАМИ

При пропуске воды через водосливные сооружения при плоти­нах в нижнем бьефе непосредственно за этими сооружениями раз­виваются большие скорости потока, что может привести к раз­мыву грунта основания в этих местах, а затем и к подмыву и раз­рушению самих сооружений. В связи с этим при проектировании водосливных плотин уделяется большое внимание определению ха­рактера сопряжения бьефов и разработке мер по защите соору­жений от подмыва.

Гидравлические расчеты сопряжения потока с нижним бьефом подробно излагаются в специальных курсах гидравлики или в спра­вочной литературе [16] и поэтому здесь не приводятся. При рас­четах обычно добиваются, чтобы вторая сопряженная глубина h_acc была меньше глубины воды в нижнем бьефе hdt. Если это не соблю­дается, то прыжок в нижнем бьефе будет отогнан, что нежелатель­но, так как при этом на значительном протяжении дна ниже плоти-

343

ны будут иметь место большие скорости потока, вследствие чего потребуется устройство крепления дна реки на этом участке, что обычно невыгодно.

Для исключения отгона прыжка в нижнем бьефе устраивают конструкции гасителей избыточной энергии потока — водобойные колодцы, водобойные стенки, шашки, пирсы и др. Наиболее рас­пространенными являются водобойные колодцы (рис. 11.13) и во­добойные стенки (рис. 11.14). Размеры этих сооружений опреде­ляют расчетом. Иногда их используют в комбинации с другими типами гасителей, что позволяет уменьшить глубину колодца или высоту водобойной стенки. Наиболее часто применяют шашки или пирсы (рис. 11.15, а, б). Высота шашек меньше их ширины (или длины), у пирсов, наоборот, больше. Устанавливают их в 1 ... 3 ряда в шахматном порядке на водобое, в колодцах, а иногда и на рис­берме. Обычно первый ряд гасителей располагают на расстоянии 3/г от сжатого сечения, где h — глубина потока в конце прыжка. Тип, форма и размеры гасителей подбирают на основании иссле­дований в лаборатории или устанавливают по аналогии с сущест­вующими сооружениями.

Ряд из шашек или пирсов образует прорезную стенку. Стенку, прорезанную не на всю глубину, называют зубчатой (рис. 11.15, в).

Гашение энергии при комбинации из стенок и других гасителей более эффективно, чем каждого из них в отдельности. Так, эффек­тивное гашение обеспечивает водобойный колодец с клиновидны­ми прорезями (рис. 11.15, г).

Гашение энергии шашками, пирсами и подобными им устройст­вами происходит в результате расщепления ими потока на отдель­ные струи, которые за гасителями взаимно пересекаются, вслед­ствие чего возникают сбои и вихри, способствующие гашению энер­гии потока.

При установке шашек или пирсов на водобое в первом прибли­жении их высоту принимают равной h= (0,75... l,l)h_com, ширину b= (0,5... l,0)/i_Com, а расстояния между шашками и их рядами — равными Ъ. Более точно, как было отмечено выше, эти размеры ус­танавливают на основании специальных исследований. Наличие га­сителей на водобое позволяет уменьшить требуемую для затопле­ния прыжка глубину на 10...30%.

Водобой и рисберма. На водобое гасится значительная часть энергии потока, в связи с чем он подвергается большим нагруз­кам. Поэтому его выполняют, как правило, в виде массивной бе­тонной плиты, защищаемой от истирания наносами, плавающими телами, слоем особо прочного бетона, сталебетона или пластобе­тона. В швы между телом плотины и водобоем устанавливают гидроизоляционные шпонки, предохраняющие от выноса частиц грунта основания. Для снятия фильтрационного давления на плиты водобоя под ними часто устраивают дренаж с обратным фильтром. Профильтровавшуюся воду через колодцы отводят в нижний бьеф (см. рис. 11.3).

344

Рис. 11.13. Сопряжение потока, переливающегося через во­досливную плотину, с нижним бьефом при водобойном колодце

Рис. 11.14. Схема сопряжения потока с ниж­ним бьефом при водобойной стенке

Рис. 11.15. Типы гасителей:

я— шашки; б — пирсы; в — зубчатая стенка; г — концевая часть водобойного ко­лодца с клиновидными прорезями

345

Толщину водобойной плиты (м) при предварительных расчетах можно определять по эмпирической формуле В. Д. Домбров-ского:

(11.27)

где Vcom и team — соответственно скорость течения и толщина струи в сжатом сечении.

Рисбермы выполняют горизонтальными или наклонными. Длину их определяют по опытным данным. Ориентировочно она может быть принята равной

(11.28)

где Н — напор на плотине; 1'_а — длина водобоя.

Чем мельче фракции донных грунтов, тем длиннее должна быть рисберма. Затухание скоростей на рисберме зависит от степени рас­текания потока и ее шероховатости. В низконапорных плотинах шероховатость рисбермы достигается выполнением ее в виде наброски камня в свайных клетках (при скоростях течения воды 3,5...4,0 м/с), ряжей, заполненных камнем, и тяжелых фашин.

При средне- и высоконапорных плотинах в качестве крепления рисбермы используют бетонные и железобетонные плиты. У водо­боя располагают более мощное крепление, а по мере удаления от него — более легкое. Все типы крепления рисбермы должны быть гибкими, водопроницаемыми и укладываться на обратном фильтре. Заканчивают рисберму конструкцией, исключающей ее подмыв, или укладывают фашинный тюфяк, опуская его на глубину большую, чем возможный размыв дна за рисбермой, или при необходимости получить рисберму минимальных размеров в конце ее устанавли­вают ряж на глубину возможного размыва за ним. Вместо ряжа иногда забивают дырчатый шпунт. Часто в конце рисбермы устра­ивают ковш глубиной, равной предполагаемой глубине размыва дна за рисбермой (см. рис. П.З), и верховым откосом с заложением /п = 5. При засыпке в ковш камня или гравия глубина ковша мо­жет быть уменьшена, так как размыв дна в этом случае будет мень­ше в связи с большими допускаемыми неразмывающими скоростя­ми для этих материалов. Слой камня или гравия составляет обычно 1,0 ...3,0 м, но не менее 3d_st, где d_st — приведенный диаметр камня.

Глубина размыва за рисбермой d_was (м) может быть опреде­лена по формуле

(11.29)

где а — коэффициент кинетической энергии, для равномерного по­тока равный 1,1; q — удельный расход на 1 м длины рисбермы, м³/с; d_m — средний диаметр частиц грунта, м.

346