Рассматриваются водосбросные сооружения высоконапорных гидроузлов. Излагаются основы расчета высокоскоростных потоков применительно к водосбросным сооружениям, в том числе аэрации, прогноза кавитации на элементах сооружений, вентиляции водоводов замкнутого сечения, гашения избыточной кинетической энергии и пр. Даются рекомендации по конструктивным решениям. Первое издание вышло в 1979 г. Настоящее издание дополнено методами расчета и примерами конструктивных решений. Введена глава, посвященная использованию в гидротехнических сооружениях закрученных потоков. Рассчитано на студентов гидротехнических и гидромелиоративных специальностей вузов, а также может быть использовано специалистами, работающими в области проектирования и исследований гидроузлов.

Предисловие
Введение

Глава 1. Водосбросные сооружения высоконапорных гидроузлов и их гидродинамические особенности
1.1. Типы водосбросов высоконапорных гидроузлов
1.2. Примеры водосбросных сооружений высоконапорных гидроузлов
1.2.1. Водосбросы в составе бетонных плотин
1.2.2. Водосбросы, совмещенные со зданием ГЭС
1.2.3. Береговые водосбросы
1.2.4. Водосбросы грунтовых плотин
1.3. Воздействие высокоскоростных потоков на сооружения
1.3.1. Повреждения водосбросных сооружений кавитацией
1.3.2. Влияние аэрации и деаэрации на работу водосбросных сооружений
1.3.3. Влияние волнообразования на работу водосбросов
1.3.4. Абразивный износ гидротехнических сооружений
1.3.5. Разрушения под влиянием динамической нагрузки

Глава 2. Основные понятия и общие зависимости, используемые при гидравлических расчетах высоконапорных водосбросов
2.1. Формы движения на характерных участках водосбросов
2.2. Пульсация скоростей и давлений
2.3. Пульсационные составляющие мгновенной скорости и давления при плавно изменяющемся движении
2.4. Определение гидродинамических нагрузок на элементы водосбросных сооружений
2.5. Кинетическое давление
2.6. Потери напора на гидравлическое трение
2.6.1. Формулы коэффициента λ
2.6.2. Формулы коэффициента Шези для безнапорных водоводов с бетонной облицовкой
2.7. Осредненная местная скорость
2.8. Начальный участок
2.8.1. Длина начального участка
2.8.2. Местная скорость и коэффициенты гидравлического трения в пределах начального участка
2.9. Коэффициент сжатия струи при истечении из отверстия

Глава 3. Кавитация и кавитационная эрозия
3.1. Представление о кавитации и кавитационной эрозии
3.2. Критическое давление и критический вакуум
3.3. Коэффициент понижения давления за неровностями. Критическое число кавитации. Число кавитации
3.4. Влияние пульсации давления на процесс развития кавитации. Перемежающаяся кавитация
3.5. Значения чисел K_кр для элементов водосбросного тракта. Значения K_кр для неровностей
3.6. Прогноз кавитации с учетом пульсации давления и перераспределения давления в сечении на повороте
3.7. Кавитационная эрозия
3.8. Меры борьбы с кавитационной эрозией
3.9. Кавитация на гранях пазов плоских затворов
3.10. Кавитация на гасителях энергии и расщепителях потока
3.11. Критический параметр кавитации водобойных стенок
3.12. Критический коэффициент кавитации оголовков раздельных быков напорных водосбросов

Глава 4. Аэрация потоков и свободных струй
4.1. Механизм образования аэрации и структура аэрированного потока
4.2. Критерий начала аэрации
4.3. Расчет распределения воздуха по глубине потока
4.3.1. Распределение концентрации воздуха в аэрированном потоке
4.3.2. Расчет концентрации воздуха в аэрированном потоке при самоаэрации
4.4. Ориентировочный расчет глубины аэрированного потока
4.5. Аэрация отброшенных и свободнопадающих струй

Глава 5. Аэрация потока в водоводах замкнутого сечения и вентиляция надводного пространства
5.1. Режимы и формы движения воды и воздуха, самоаэрация и аэрация
5.2. Обеспечение устойчивого безнапорного движения в водоводе замкнутого поперечного сечения
5.3. Расчет вентиляции надводного пространства при равномерном движении воды
5.4. Расчет расхода воздуха и вентиляции при неравномерном движении аэрированного потока
5.5. Расход воздуха, захватываемого гидравлическим прыжком
5.6. Расход воздуха, захватываемого потоком за порогом и боковыми уступами в затворной камере и на трассе водосброса
5.7. Влияние вентиляции на положение гидравлического прыжка в туннеле за затвором

Глава 6. Бурные потоки в пределах поворотов и переходных участков
6.1. Особенности бурного потока
6.1.1. Основные допущения теории двухмерных бурных потоков
6.1.2. Распространение малых волн возмущения на поверхности
6.1.3. Изменение скорости и глубины потока в расширяющемся и сужающемся русле при спокойном и бурном потоках
6.1.4. Изменение уровня свободной поверхности бурного и спокойного потоков при плавном повышении дна
6.1.5. Околокритическая область движения
6.2. Образование косых волн в бурном потоке
6.3. Крутая косая волна
6.4. Профиль свободной поверхности крутой косой волны
6.5. Расчет сужающихся участков с плоским дном и прямолинейными стенками
6.6. Растекание потока на плоскости
6.6.1. План течения потока, растекающегося на плоскости
6.6.2. Угол расширения бурного потока, растекающегося на плоскости
6.6.3. Бытовая глубина затопления участка растекания
6.6.4. Расширение русла криволинейными стенками
6.7. Расчет двухмерных бурных потоков методом характеристик
6.7.1. Принцип метода характеристик
6.7.2. Уравнение двухмерного планового потока
6.7.3. Характеристики
6.7.4. Использование метода характеристик
6.7.5. Сужающиеся и расширяющиеся переходные участки с плоским горизонтальным или наклонным дном и криволинейными стенками
6.8. Поворот бурного потока
6.8.1. Поворот по дуге окружности потока в русле с наклонным, прямолинейным в поперечном сечении дном
6.8.2. Поворот с постоянной глубиной
6.8.3. Поворот потока в русле с горизонтальным в поперечном сечении дном
6.8.4. Образование косых волн на повороте бурного потока по дуге окружности
6.8.5. Поворот с переменным радиусом, сопрягающийся с прямолинейными участками

Глава 7. Расчет конструкций с криволинейным дном
7.1. Теоретические основы метода
7.1.1. Уравнение свободной поверхности
7.1.2. Аналитическое описание плана течения и граничных условий
7.1.3. Задание продольного профиля граничной линии тока
7.1.4. Уравнение неразрывности, вычисление скоростей и отметок дна
7.1.5. Уравнение распределения давления по вертикали в пространственно искривленном потоке
7.1.6. Влияние аэрации потока
7.2. Техника расчета
7.2.1. Расчет рассеивающих трамплинов с помощью таблиц
7.2.2. Расчет глубины размыва за трамплинами
7.3. Расчет радиальных расширяющихся и сужающихся трамплинов и переходных участков

Глава 8. Водосливы высоких бетонных плотин
8.1. Безвакуумные водосливы высоких гравитационных и контрфорсных плотин
8.2. Вакуумные водосливы
8.3. Сопряжение водослива с дном нижнего бьефа
8.4. Водосливы арочных и многоарочных плотин
8.5. Борьба с кавитационной эрозией элементов водослива

Глава 9. Трубчатые водосбросы и водовыпуски
9.1. Пропускная способность напорных водосбросов
9.2. Коэффициенты сопротивления и расхода напорных водосбросов
9.3. Давление потока на криволинейные границы напорного водосброса и распределение скоростей по сечению на повороте
9.3.1. Распределение давления и скорости при концентрическом расположении стенок (дна, потолка)
9.3.2. Расчет давлений и скоростей при неконцентрических стенках
9.3.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных давления и скоростей в сечении на повороте
9.3.4. Пульсация давления в сечении на повороте
9.4. Очертания оголовков входных участков
9.4.1. Коэффициент относительного падения давления
9.4.2. Коэффициент С_р для оголовка между плоскими стенками
9.4.3. Очертания пространственных оголовков
9.4.4. Скорость набегания потока на неровность оголовка и учет пульсационной составляющей давления
9.4.5. Заглубление входного отверстия водосброса
9.5. Переходные участки напорных водосбросов
9.6. Сопряжение с водосливной поверхностью короткого напорного водосброса
9.7. Сифонные водосбросы
9.7.1. Пропускная способность сифона
9.7.2. Устройства для включения и разрядки сифонов. Режимы работы сифона
9.7.3. Ограничение действующего напора

Глава 10. Береговые водосбросы
10.1. Быстротоки
10.1.1. Основные задачи гидравлического расчета быстротоков
10.1.2. Подводящий канал
10.1.3. Сопряжение порога и канала быстротока
10.1.4. Сопрягающий участок с резким сужением
10.1.5. Роль раздельных стенок
10.1.6. Устойчивость потока на быстротоке
10.1.7. Аэрация на быстротоке и расчет аэраторов
10.2. Туннельные водосбросы
10.2.1. Гидравлические особенности безнапорных туннелей
10.2.2. Безнапорные туннели с затопленным входным отверстием
10.2.3. Кавитация в туннельных водосбросах
10.2.4. Расположение затворов в туннельных водосбросах
10.3. Шахтные водосбросы
10.3.1. Пропускная способность. Профиль кольцевого водослива (водосливной воронки) практического профиля
10.3.2. Коэффициенты расхода кольцевого водослива
10.3.3. Кольцевой водослив с широким порогом
10.3.4. Переходный участок
10.3.5. Вертикальная шахта и колено шахтного водосброса
10.3.6. Пропускная способность шахтного водосброса с затопленной воронкой
10.3.7. Кольцевые водосливы других профилей
10.3.8. Аэрация потока в шахте
10.3.9. Подвод воды к кольцевому водосливу
10.4. Лепестковый шахтный водосброс
10.5. Траншейные водосбросы (водосливы)
10.5.1. Дифференциальное уравнение движения воды в траншее
10.5.2. Формы течения и выбор исходного для расчета сечения
10.5.3. Определение положения критического сечения (h_кр = h₀)
10.5.4. Гидравлический расчет траншеи методом конечных разностей
10.5.5. Расчет глубины в начале траншеи по графикам С.С. Руднева
10.6. Затворные камеры
10.6.1. Общие принципы конструирования затворных камер
10.6.2. Межзатворное пространство

Глава 11. Вихревые водосбросы и гасители энергии
11.1. Особенности вихревых водосбросов и гасителей
11.2. Закрученные потоки. Основные понятия и закономерности
11.3. Вихреобразующие устройства туннельных водосбросов
11.3.1. Цилиндрическая вихревая камера
11.3.2. Вихревое устройство с тангенциальным подводом воды
11.4. Закрученный поток в пределах отводящего тракта
11.4.1. Гидравлические характеристики закрученного потока в отводящем тракте
11.4.2. Расчет пропускной способности вихревого водосброса с длинным отводящим трактом
11.5. Вихревые гасители
11.5.1. Гашение энергии при соединении закрученных потоков
11.5.2. Контрвихревой гаситель
11.6. Вихревой шахтный водосброс
11.6.1. Очертания спиральной камеры и ее пропускная способность
11.6.2. Режим течения в шахте
11.6.3. Режим течения в отводящем туннеле
11.7. Вихревой одноярусный или многоярусный шахтный водосброс с тангенциальным подводом воды

Глава 12. Режимы нижнего бьефа. Гашение энергии и размывы русла за водосбросами высоконапорных сооружений
12.1. Режимы сопряжения бьефов высоконапорных сооружений и способы гашения избыточной энергии потока
12.2. Гасители энергии
12.3. Отброс струи
12.4. Глубина воды под отброшенной струей
12.5. Свободное падение струи
12.6. Концевой боковой слив
12.7. Расчет местных размывов за высоконапорными сооружениями

Приложения
Список литературы
Предметный указатель

Предисловие

При проектировании водосбросных сооружений основными исходными параметрами являются напор, от которого зависят скорости в пределах водосбросного тракта, и расчетный расход. При скоростях, отвечающих высоким (а в ряде случаев и средним) напорам, помимо традиционных расчетов пропускной способности водосброса и гашения энергии в нижнем бьефе, требуется выполнять специальные расчеты. Они позволяют учесть особенности взаимодействия потока и элементов проточной части, появляющиеся с увеличением скоростей: развитие кавитации, аэрации, образование волн возмущения, увеличение пульсационных составляющих гидродинамической нагрузки и пр. Этим вопросам в учебниках гидравлики и гидротехнических сооружений отводится ограниченное место, либо они вообще опущены.

Настоящее учебное пособие позволяет изучающим гидротехнические сооружения и занимающимся проектированием высоконапорных водосбросных сооружений получить представление о научных основах и степени надежности рассмотренных решений и использовать их в практике проектирования.

В начале книги (гл. 1) дается обзор конструктивных решений высоконапорных водосбросных сооружений, их гидравлических особенностей, поведения в условиях эксплуатации. Материал обзора может быть источником для отыскания аналогов в процессе проектирования. Гл. 2 посвящена общим вопросам расчета пропускной способности водосбросных сооружений, в ней разъясняются некоторые используемые в следующих главах основные понятия.

В гл. 3 и 4 рассматриваются расчеты прогноза кавитации, кавитационной эрозии и аэрации. Сопоставлены результаты расчета начала аэрации по наиболее известным формулам и приведен способ расчета структуры аэрированного потока В.П. Троицкого, позволяющий определять распределение воздуха по всей глубине потока, вплоть до дна. Основным содержанием гл. 5 является расчет вентиляции надводного пространства безнапорного туннеля.

Гл. 6 и 7 в основном посвящены особенностям бурных потоков и их управлению стенками и дном двоякой кривизны. Рассматривается бурный поток на повороте, растекание на плоскости и пр. По бурным потокам имеется большое число работ, и материал, помещенный в этих главах, следует рассматривать как введение в круг вопросов расчета бурных потоков.

В последующих главах рассматриваются некоторые особенности расчета водосливных бетонных плотин (гл. 8), трубчатых (гл. 9) и береговых (гл. 10) водосбросов. Содержание гл. 11 дает представление об особенностях закрученных потоков и расчете водосбросов с закруткой потока. Рассмотренные конструкции не нашли пока практического использования, но они весьма перспективны. Применительно к вихреобразующим устройствам использован разработанный Г.Н. Абрамовичем метод расчета аппаратов для распыления жидкостей, а для водосбросных трактов с закрученным потоком — метод расчета Б.А. Животовского.

В заключительной гл. 12 рассматриваются расчеты дальности отброса струи, расчет концевого бокового слива глубины местных размывов за водосбросами.

В каждой главе уделяется внимание особенностям элементов конструкций. Примеры расчета и некоторый справочный материал полезны при выполнении курсовых и дипломных проектов. Опыт использования в учебном процессе первого издания книги подтвердил целесообразность такой ее структуры.

Настоящее издание, помимо упомянутых выше расчетов конструкций с закруткой потока и концевого бокового слива, отсутствующих в первом издании книги, дополнено расчетами некоторых других конструкций. Приведен разработанный автором способ расчета участка сопряжения нового типа между быстротоком и его головной частью, расчет плановых очертаний подводящего канала водоприемников водосбросов, дополнен расчет лепесткового шахтного водосброса, даны способы расчетов оптимального высотного положения носка для отброса струи, аэраторов, устанавливаемых на быстротоке. Улучшен способ расчета начального участка напорного водовода. Предпочтение в книге отдано наиболее достоверным и по возможности простым способам расчета.

При написании книги автором использованы результаты исследований советских специалистов, опубликованные в монографиях, а также в Трудах координационных совещаний по гидротехнике, в трудах ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева, Гидропроекта имени С.Я. Жука, ВОДГЕО, ГрузНИИЭГС и высших учебных заведений, в журналах «Гидротехническое строительство», «Энергетическое строительство». Использованы материалы зарубежных изданий, а также доклады, опубликованные в трудах международных конгрессов по гидравлическим исследованиям (МАГИ) и большим плотинам (СИГБ).

Автор выражает признательность лицам, предоставившим оригинальный материал, помещенный в книге, а также коллегам, просмотревшим отдельные части рукописи и давшим полезные советы: докторам техн. наук А.Д. Альтшулю и Л.И. Высоцкому (написавшему часть гл. 7), кандидатам техн. наук М.Я. Гильденблату, Б.А. Животовскому, А.П. Мордасову, В.Г. Санояну, В.О. Токмаджяну, В.П. Троицкому и за неоценимую помощь в работе над рукописью — инженеру Е.В. Кузнецовой, которая также является соавтором гл. 4 и § 2.8 и 11.6. С признательностью автор учел замечания канд. техн. наук H.A. Петрова, способствующие улучшению настоящего издания. Автор с благодарностью принял советы и пожелания, высказанные в рецензиях доктором техн. наук Н.А. Ржаницыным, канд. техн. наук Б.А. Животовским и заслуженным строителем РСФСР Г.А. Полонским на первое издание книги.