14. Установление характера сопряжения падающей с водослива струи с нижним бьефом
В зависимости от напора и расхода воды, пропускаемого в паводок в нижний бьеф, а также грунтов основания могут устанавливаться следующие режимы сопряжения бьефов: донный, поверхностный и с отбросом струи.
При донном режиме сопряжения наибольшие скорости потока наблюдаются у дна реки, а при поверхностном – у поверхности воды. Поверхностный режим сопряжения может происходить в условиях надвинутого к плотине или отогнанного от нее вальца и его чаще всего используют в плотинах на скальных основаниях. В этом случае носок водослива выполняется в виде уступа определенной высоты. Режим сопряжения с отбросом струи предусматривает ее свободное падение на значительное расстояние от носка плотины, который выполняется в виде трамплина. Этот режим применяется у плотин среднего и большого напоров на скальных основаниях при наличии как поверхностных, так и донных водосбросов.
Донный режим сопряжения широко используют для плотин на нескальных основаниях при малых и средних напорах. Он происходит в виде гидравлического прыжка (рис. 16), при котором поток переходит из бурного состояния в спокойное, и в зависимости от глубины воды нижнего бьефа может быть затопленным или отогнанным. При затопленном прыжке скорости течения в нижнем бьефе за плотиной меньше по величине, а следовательно и меньше вероятность размыва дна реки.
Рис. 16. Донный режим сопряжения бьефов
Для обеспечения донного режима сопряжения
в условиях затопленного прыжка необходимо
соблюсти условие, при котором глубина
нижнего бьефа при пропуске паводка
была бы больше сопряженной глубины
.
Сопряженную глубину определяют из условия гидравлического прыжка
,
м (31)
где 
‒ коэффициент,
учитывающий неравномерность распределения
скоростей течения по сечению потока;
– удельный расход в сжатом сечении
потока, принимаемый равным удельному
расходу на гребне водослива (28);
– глубина воды в сжатом сечении потока
,
м (32)
где 
– скорость потока в сжатом сечении,
определяемая по выражению
,
м/с (33)
Здесь
– скоростной коэффициент.
Так как
является неизвестной величиной, ее
определяют методом последовательных
приближений. Первоначально полагая
,
по зависимости (33) находят
,
а затем уточняют
(32), по которому определяют новое значение
.
Расчет продолжают до тех пор, пока
полученное значение
по формуле (32) не окажется примерно
равным заданному
по (33). Для этого обычно достаточно
двух–трех приближений.
Далее, определив
по (31), проверяют соблюдение условия
.
Если условие не выполняется,
,
то имеет место донный режим сопряжения
в условиях отогнанного прыжка, при
котором будут наблюдаться значительные
скорости течения в нижнем бьефе. Для
получения затопленного прыжка
рекомендуется устраивать за носком
плотины водобойный колодец глубиной
и на эту величину понижается отметка
дна. При пониженной отметке дна необходимо
заново выполнить сопряжение участка
сливной части плотины радиусом
с новым положением дна и уточнить расчеты
и
.
Длину колодца принимают равной длине
прыжка
,
м (34)
Сопряжение падающей струи с нижним бьефом в условиях затопленного прыжка на практике можно обеспечить и при помощи затворов, регулирующих пропускаемый расход паводка.
Падающая с водослива струя, обладая значительным запасом энергии, вызывает в нижнем бьефе за плотиной повышенные скорости движения потока, которые могут привести к размыву грунта основания и являются неприемлемыми по экологическим условиям для речного русла. Для динамического восприятия потока и защиты грунта основания от размыва в нижнем бьефе за плотиной предусматривается возведение различных устройств, к которым относятся водобой с гасителями энергии, рисберма, в пределах которой скорости потока снижаются до допустимых для неукрепленного русла значений, и предохранительный (успокоитель-ный) ковш в конце рисбермы.
Типы и размеры устройств нижнего бьефа определяются в зависимости от скорости течения и материала, из которого они изготовлены. Если скорости потока превышают допустимые значения, то в этом случае на водобое и рисберме предусматривается устройство гасителей.
Допустимый удельный расход воды на рисберме определяется по зависимости
,
м2/с (35)
где 
,
м – бытовая глубина нижнего бьефа при
НПУ;
– допустимая скорость течения на
рисберме, принимаемая в зависимости от
рода материалов: для бетонных плит –
(1,5–2,5) м/с; железобетона – (2,5–3,0) м/с;
камня – (3,0–3,5) м/с.
Если допустимая величина расхода (35)
окажется больше расчетного
,
то гасители не требуются, а при
на водобое и рисберме требуется устройство
гасителей.
Расчетный удельный расход воды на рисберме определяют по зависимости
,
м2/с (36)
В качестве гасителей могут использоваться
пирсы, шашки, рассекатели, зубъя-выступы,
решетки, носки-расщепители, др. и их
комбинации. Их размеры подбираются по
результатам лабораторных исследований.
Наиболее широкое применение получили
пирсы, шашки и зубья-выступы, их располагают
в плане рядами в шахматном порядке.
Первый ряд гасителей обычно устраивают
на расстоянии
от сжатого сечения, шашки и зубья
принимают прямоугольного или
трапециевидного сечений высотой
и
.