В работе представлены материалы по гидравлическим расчетам береговых водосбросных сооружений, имеющих сложную геометрическую форму. Предложены методы гидравлического расчета прямолинейных трактов водосбросов с постоянным и переменным сечением при плавных и резких деформациях свободной поверхности потока, непризматических участков водосбросов с криволинейным дном, конструкций концевых устройств. Методы расчета представлены в виде аналитических зависимостей, таблиц, графиков. Работа предназначена для инженеров, работающих в области проектирования и строительства энергетических и ирригационных сооружений, и для исследователей.

Предисловие
Введение

Глава I. Безнапорные береговые водосбросы
I-1. Основные элементы водосбросов
I-2. Возможные формы бурных потоков в безнапорных водоводах

Глава II. Гидравлический расчет прямолинейных в плане трактов водосбросных сооружений с неизменяющейся формой поперечного сечения
II-1 Краткие указания к построению кривых свободной поверхности потока в призматических руслах с большим уклоном дна
II-2. Построение кривых свободной поверхности потока и определение гидродинамического давления на дно в пределах русл с переменным уклоном дна
II-З. Построение кривых свободной поверхности при наличии гидравлических прыжков
Список литературы

Глава III. Гидравлический расчет непризматических участков водосбросов с плоским дном при плавных деформациях свободной поверхности
III-1. Общие сведения об управлении бурным потоком при помощи плановых форм русл
III-2. Одномерное (плавноизменяющееся) движение потока в непризматических руслах. Расчет водоводов по заданному закону изменения гидравлических параметров потока
III-3. Двухмерные (плановые) бурные потоки в непризматических руслах
III-4. Расчет участка поворота
III-5. Расчет симметричных сужений и расширений
III-6. Расчет переходного сужающегося участка на тракте водосброса с использованием радиального течения
III-7. Расчет расширяющегося переходного участка водосброса с использованием радиального течения
III-8. Расчет сужающего сопряжения равномерных потоков при большом уклоне дна водовода
III-9. Расчет сужающего сопряжения неравномерных потоков при большом уклоне дна
III-10. Расчет сужающего сопряжении неравномерного потока с равномерным
III-11. Расчет сужающего сопряжении равномерного потока с неравномерным
Список литературы

Глава IV. Расчет непризматических участков водосбросов с плоским дном при резких деформациях свободной поверхности потока
IV-1. Виды деформации свободной поверхности потока и основные расчетные зависимости
IV-2. Построение свободной поверхности потока и плана течения в районе крутой косой волны
IV-3. Взаимодействие крутых косых волн друг с другом и с твердыми стенками русл
IV-4. Проектирование и гидравлический расчет сужающихся русл, обусловливающих резкую деформацию бурного потока
IV-5. О предельных углах поворота боковых стенок. Проектирование сужений в закрытых водоводах
Список литературы

Глава V. Расчет непризматических участков водосбросов с криволинейным дном
V-1. Особенности гидравлического расчета участков водосбросов с криволинейным дном
V-2. Расчет участков сужения и расширения
V-3. Расчет участков поворота (виражей)
Список литературы

Глава VI. Расчет концевых устройств безнапорных водосбросов при сопряжении бьефов по типу отброшенной струи
VI-1. Классификация и принцип действия трамплинов
VI-2. Плоские трамплины
VI-3. Цилиндрические трамплины
VI-4. Криволинейные трамплины
Список литературы

Предисловие

Настоящая работа является основным итогом выполнения гидравлических исследований управляющих бурными потоками конструкций водосбросных сооружений высоконапорных гидроузлов, выполнявшихся во Всесоюзном ордена Трудовою Красного Знамени научно-исследовательском институте гидротехники им. Б.Е. Веденеева, в Ленинградском ордена Ленина политехническом институте им. М.И. Калинина, в научно-исследовательском секторе ордена Ленина проектно-изыскательского и научно-исследовательского института «Гидропроект» им. С.Я. Жука, в Московском энергетическом институте и в Саратовском политехническом институте.

Отдельные главы и параграфы подготовлены следующими авторами: канд. техн. наук Т.С. Артюхиной (ВНИИГ) — §VI-1; канд. техн. наук В.Г. Вереземским (НИС Гидропроекта) — § II-3, IV-5 (часть); доктором техн. наук проф. Л.И. Высоцким (Саратовский политехнический институт) — § V-1—3, VI-4 (часть); доктором техн. наук. проф. Б.Т. Емцевым (МЭИ) — § I-2, II-1. III-1—3; канд. техн. наук В.Т. Орловым (ЛПИ) — § II-2, VI-2, 3 (часть); доктором техн. наук, проф. Д.Д. Турсуновым (ЛПИ) — Введение, § I-1, II-3 (часть), III-4—3, VI-1—4,5 (часть), VI-4 (часть); канд. техн. наук В.В. Холодковым (МЭИ) — § III-6—11; канд. техн. наук В.Ф. Циликиным (ВНИИГ) — § VI-2 (часть), 3 (часть).

Работа выполнена под общим руководством и подготовлена к печати под редакцией заведующего лабораторией гидравлики гидроузлов и сооружений ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, проф., доктора техн. наук Ф.Г. Гунько.

Введение

Береговые безнапорные водосбросы являются весьма распространенными сооружениями в составе гидроузлов с высокими глухими плотинами (бетонными или из местных материалов). Эти водосбросные сооружения характеризуются следующими особенностями:

а) в отличие от поверхностных водосбросов, устраиваемых в пределах плотины, они имеют проточную часть (тракт водосброса) значительной длины, которая представляет собой или открытый канал (быстроток) или безнапорный туннель;
б) вследствие того, что в пределах водосбросных трактов обычно имеются большие продольные уклоны, на них почти всегда возникает бурный режим движения с высокими абсолютными скоростями;
в) водосброс и его элементы обычно имеют сложные геометрические формы из-за недостаточно благоприятных топографических и геологических условий участков, по которым трассируются открытые водосбросные каналы, а также вследствие необходимости получения удовлетворительных условий сопряжения бьефов.

На начальных участках водосбросов устраивают различного рода сужения, а на концевых участках, наоборот, расширения. Дополнительно к этому в открытых водосбросных каналах, а иногда и в туннелях создают виражи для поворота в плане бурного высокоскоростного потока. При набегании бурного высокоскоростного потока на криволинейное дно или искривленные в плане боковые стенки указанных переходных участков на свободной поверхности потока образуются волны, которые обусловливают значительную неравномерность распределения глубин и расходов по ширине водосбросных сооружений. В связи с этим увеличивается необходимая высота боковых стенок, ухудшаются условия сопряжения бьефов и т. п.

Движение воды в безнапорных водосбросах высоких плотин в ряде случаев сопровождается явлениями кавитации, которые могут вызвать кавитационную эрозию дна и стенок этих сооружений, явлениями самоаэрации, связанными с изменением сопротивлений движению воды, явлениями спонтанного волнообразования при значительной неравномерности распределения глубин и расходов по длине и ширине рассматриваемых сооружений.

Поэтому гидравлический расчет безнапорных водосбросных сооружений гидроузлов с высокими плотинами представляет собой сложную задачу, решаемую при помощи ряда зависимостей, позволяющих получить численные характеристики упомянутых явлений и назначить необходимые конструкции и размеры сооружений. Эти зависимости устанавливались различными исследователями применительно к каждому из перечисленных выше явлений, а именно к расчету:

1) форм потока в пределах тракта водосброса при его сужениях, расширениях, поворотах;
2) аэрации потока, сопротивлений и спонтанного волнообразования на протяжении тракта;
3) кавитации, оценка которой должна выполняться на основании зависимостей, полученных в результате изучения общих закономерностей возникновения и развития этих явлений.

Указанные зависимости до последнего времени не были критически проанализированы и обобщены, нуждались в доработках. Это я составило одну из задач работы по гидравлике высоконапорных водосбросных сооружений, выполнявшейся в 1966—1973 гг. рядом научно-исследовательских и учебных институтов по плану важнейших научно-исследовательских работ Государственного Комитета Совета Министров ССХР по науке и технике.

В результате выполнения этой работы подготовлены:

1) настоящие рекомендации для гидравлического расчета управляющих бурными потоками конструкций водопропускных сооружений высоконапорных гидроузлов;
2) рекомендации по гидравлическому расчету водопропускных трактов безнапорных водосбросов на аэрацию и волнообразование;
3) рекомендации по учету кавитации при проектировании водосбросных гидротехнических сооружений.

Эти материалы вооружат проектировщиков современными методами гидравлического расчета сложных и ответственных сооружений — безнапорных водосбросов гидроузлов с высокими плотинами, а следовательно, позволят проектировать эти сооружения наиболее экономично. 

В данную работу включены расчетные зависимости и рекомендации, отобранные на основании тщательного анализа имеющихся литературных данных по рассматриваемому вопросу.

Выводы этих зависимостей или описание соответствующих экспериментальных исследований здесь не приводятся (подобно тому, как это сделано в «Гидравлическом справочнике» акад. H.Н. Павловского издания 1937 г.). Однако в работе даны ссылки на литературные источники, в которых содержатся выводы и описания опытов.

Высокоскоростные потоки в руслах со сложной геометрической формой уже давно являются объектом интенсивных исследований как отечественных, так и зарубежных ученых. Эти исследования впервые были начаты в СССР Н.Т. Мелещенко, H.Е. Кондратьевым и затем продолжены С.Н. Нумеровым, Ф.И. Франклем, Г.И. Сухомелом и др.; в США эти вопросы разрабатывались Л. Иппеном, Р. Кнаппом, Д. Даусоном. X. Раузом и другими исследователями.

В 1967 г. была издана монография Б.Т. Емцева, в которой дается подробный обзор и дальнейшее развитие указанных исследований, а в 1968 г.— монография Л.И. Высоцкого, посвященная вопросам гидравлического расчета водотоков с криволинейным дном. Появился ряд работ (В.Г. Вереземского, Л.А Турсунова и др.), в которых излагаются различные методы расчета рассматриваемых сложных бурных потоков.

Все вышеизложенное позволило обобщить материалы по гидравлическим расчетам береговых водосбросных сооружений, имеющих сложную геометрическую форму.

Некоторые способы расчета, изложенные ниже, можно использовать для расчета камер затворов при безнапорном режиме их работы, поверхностных водосливов, донных и туннельных эксплуатационных и строительных водосбросов, рабочих водовыпусков и других водопропускных сооружений, имеющих участки с безнапорным режимом течения.

Рекомендации не содержат способов расчета входных участков береговых водосбросов специальных типов, таких как траншейный водосброс, шахтный водосброс с кольцевой воронкой и воронкой типа «маргаритка» и других подобных сооружений.

В данной работе расчетными являются в основном схемы с потенциальным движением жидкости, а силы сопротивления рассматриваются как объемные силы, равномерно распределенные по сечению потока.

Явления аэрации потоков и спонтанного волнообразования, а в ряде случаев и силы трения не учитываются, вследствие чего приведенные ниже решения поставленных задач следует рассматривать как первое приближение. После того как будут разработаны специальные методы расчета, предполагается учесть и указанные факторы.

Следует также заметить, что в настоящей работе в основном даются способы решения обратной задачи гидравлики, т. е. даются способы расчета и выбора таких размеров и геометрических форм водосбросных сооружений, которые обеспечивают надлежащую форму бурных высокоскоростных потоков, минимальную высоту волн, образующихся на свободной поверхности этих потоков, а следовательно, сравнительно равномерное распределение глубин и расходов 5го ширине рассматриваемых русл.

Работа состоит из 6 глав.

В первой главе дано общее описание безнапорных сооружений, приведена их классификация, поясняются некоторые наиболее часто встречающиеся термины.

Во второй главе приведены зависимости для гидравлического расчета прямолинейных в плане призматических участков водосбросных сооружений, причем здесь рассматривается как плавноизменяющееся, так и резкоизменяющееся движение. Случаи плавноизменяющегося движения в руслах с малым уклоном дна предлагается рассчитывать известными способами, поэтому они здесь не рассматриваются. В руслах с большим уклоном дна это движение рекомендуется рассчитывать по способу Б.Т. Емцева.

Кривые свободной поверхности на участках с резким и плавным изменением уклона дна, а также гидродинамическое давление потока на дно этих участков могут рассчитываться по способу В.Т. Орлова.

Даются также способы гидравлического расчета несовершенных прыжков (резкоизменяющееся движение) в виде периодических волн и прыжка-волны, разработанные В.Г. Вереземским и А.А. Турсуновым.

В третьей главе рассматриваются вопросы гидравлического расчета и проектирования непризматических участков водосбросных сооружений с плоским дном и криволинейными в плане боковыми стенками.

В четвертой главе приведены зависимости для гидравлического расчета и рекомендации для проектирования суживающихся русл, образованных прямолинейными и плане боковыми стенками.

В пятой главе рассматриваются непризматические русла с криволинейным дном.

В шестой главе дается описание различных концевых устройств водосбросных сооружений, применяемых с целью улучшения условий сопряжения бьефов.

Списки использованной литературы приведены в конце каждой главы.