Шахтный водосброс

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к водосбросным сооружениям автоматического действия, размещаемым в акватории верхнего бьефа гидроузла. Шахтный водосброс включает водоприемный оголовок, выполненный в плане в форме правильного многоугольника, имеющего число сторон, кратное четырем, ствол шахты с квадратным сечением в нижней части, отводящий водовод с вертикальными боковыми стенами и расположенное между ними сопрягающее колено прямоугольного поперечного сечения, грань которого, расположенная со стороны верхнего бьефа, имеет участок круглоцилиндрической формы, а ширина колена равна ширине отводящего водовода. У водоприемного оголовка четыре попарно ортогональные стороны ориентированы параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, сторона квадратного сечения шахты равна ширине отводящего водовода, сливная поверхность ствола шахты выполнена из граней цилиндрической формы, четыре из которых с попарно ортогональными гранями, ориентированными параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, имеют в плане форму трапеции, а остальные форму треугольников. Водоприемный оголовок выполнен в форме последовательно сопряженных между собой прямолинейных отрезков, имеющих круглоцилиндрическое поперечное сечение, грани ствола шахты выполнены эллиптического профиля с направляющими, касающимися в верхней части поверхности водоприемного оголовка, и с центрами осей, размещенными в плоскости нижнего сечения шахты квадратной формы, участок ствола шахты, расположенный между нижним квадратным сечением ствола шахты и входным сечением сопрягающего колена, выполнен в виде конфузора за счет отклонения в сторону верхнего бьефа нижнего ребра грани со стороны нижнего бьефа. У грани сопрягающего колена, расположенной со стороны верхнего бьефа, начальный участок выполнен как продолжение соответствующей грани ствола шахты, а конечный участок - как продолжение нижней грани отводящего водовода. Изобретение обеспечивает упрощение опалубочных и арматурных работ при возведении шахтного водосброса. 4 ил.

 

Изобретение относится к области гидротехники, а именно к водосбросным сооружениям автоматического действия, размещаемых в акватории верхнего бьефа гидроузлов.

Известен размещенный в акватории водохранилища гидроузла шахтный водосброс, включающий водосливную воронку с полным в плане кольцевым водосливом, переходной участок с коленом в нижней части и примыкающий к нему отводящий водовод (Слисский С.М. Гидравлические расчеты высоконапорных гидротехнических сооружений. М.: Энергоатомиздат. 1986. с.27, рис.1.21, аналог).

Недостатком известного устройства является сложность выполнения сливной поверхности, которая представляет собой трехмерную пространственную поверхность, а также сложность конструкции концевой части переходного участка, который выполняется в виде переходника от круглого поперечного сечения ствола шахты к прямоугольному поперечному сечению при выполнении отводящего водовода прямоугольного поперечного сечения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа (патент RU, МПК⁷ 2250951) является размещенный в акватории водохранилища гидроузла шахтный водосброс, включающий водоприемный оголовок, выполненный в плане в форме правильного двенадцатиугольника, ствол шахты с квадратным сечением в нижней части, отводящий водовод с вертикальными боковыми стенами и расположенное между ними сопрягающее колено прямоугольного поперечного сечения, грань которого, расположенная со стороны верхнего бьефа, имеет участок круглоцилиндрической формы, а ширина колена равна ширине отводящего водовода, причем у водоприемного оголовка четыре попарно ортогональные стороны ориентированы параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, сторона квадратного сечения шахты равна ширине отводящего водовода, а сливная поверхность ствола шахты выполнена из граней цилиндрической формы, четыре из которых с попарно ортогональными гранями, ориентированными параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, имеют в плане форму трапеции, а остальные форму треугольников.

Недостатком известного устройства является неучет конструктивных и гидрологических особенностей гидроузла, следствием чего является несоответствие между размерами ребер водосливной воронки и размерами стороны выходного сечения ствола шахты и его высотой, приводящее к усложнению конструкции и не обеспечивающее возможность выполнения сливной поверхности в форме единой поверхности, не имеющей перегибов в плоскости движения воды, а выполнение выходного сечения ствола шахты в форме квадрата в створе примыкания к сопрягающему колену приводит к значительной аэрации потока в колене и начальном участке отводящего водовода во всем диапазоне работы шахтного водосброса, что требует увеличения высоты поперечного сечения колена и отводящего водовода.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышение надежности работы за счет улучшения гидравлического режима протекания потока по всему водопроводящему тракту шахтного водосброса и снижение затрат при возведении шахтного водосброса за счет упрощения производства работ.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом шахтном водосбросе водоприемный оголовок имеет число сторон, кратное четырем, и поперечное сечение круглоцилиндрической формы, грани ствола шахты выполнены эллиптического профиля с направляющими, касающимися в верхней части поверхности водоприемного оголовка и с центрами осей, размещенными в плоскости нижнего сечения шахты квадратной формы, участок ствола шахты, расположенный между нижним квадратным сечением ствола шахты и входным сечением сопрягающего колена выполнен в виде конфузора за счет отклонения в сторону верхнего бьефа нижнего ребра грани со стороны нижнего бьефа, причем у грани сопрягающего колена, расположенной со стороны верхнего бьефа, начальный участок выполнен как продолжение соответствующей грани ствола шахты, а конечный участок как продолжение нижней грани отводящего водовода.

Предлагаемый шахтный водосброс поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4. На фиг.1 показан вертикальный разрез шахтного водосброса по продольной оси отводящего водовода, на фиг.2 - вид сверху на шахтный водосброс с четырехгранной водоприемной воронкой, на фиг.3 - вид сверху на шахтный водосброс с восьмигранной водоприемной воронкой, на фиг.4 - вид сверху на шахтный водосброс с шестнадцатигранной водоприемной воронкой.

Шахтный водосброс, размещенный в акватории 1 водохранилища гидроузла, образованного плотиной 2, имеет водоприемный оголовок 3 и ствол 4. К нижнему сечению 5 ствола 4 шахты присоединен переходной участок, выполненный в виде конфузора 6, к которому примыкает колено 7, в свою очередь соединенное с отводящим водоводом 8 с продольной 9 и поперечной 10 осями. Оголовок 3 выполнен в плане в форме правильного многоугольника с числом сторон, кратным четырем. Многоугольник в плане сориентирован таким образом, чтобы его попарно ортогональные стороны 11 и 12 были соответственно параллельны осям 9 и 10 отводящего водовода 8. Стороны нижнего сечения 5 ствола 4 шахты, как и стороны 11 и 12 водоприемного оголовка 3, попарно параллельны осям 9 и 10. Нижнее сечение 5 ствола 4 шахты является одновременно входным сечением конфузора 6 и выполнено квадратной формы со стороной квадрата, равной, как и ширина колена 7, ширине отводящего водовода 8. Выходное сечение 13 конфузора 6 образовано отклонением нижнего ребра его грани 14 в сторону верхнего бьефа гидроузла. Колено 7 имеет прямоугольное поперечное сечение с шириной, равной ширине отводящего водовода 8. Расположенная со стороны верхнего бьефа криволинейной формы грань 15 сопрягающего колена 7 выполнена как продолжение одновременно соответствующей грани 12 шахты и дна отводящего водовода 8, а потолочная грань 16 как продолжение потолка водовода 8 при выполнении его поперечного сечения прямоугольной формы. При выполнении поперечного сечения отводящего водовода 8 с потолком в виде криволинейного свода между сопрягающим коленом 7 и водоводом 8 должен быть размещен переходной участок, плавно сопрягающий колено 7 и отводящий водовод 8.

Водоприемный оголовок 3 выполнен в форме последовательно сопряженных между собой прямолинейных отрезков, имеющих круглоцилиндрическое поперечное сечение. Позицией 17 показана ось гребня оголовка 3, а позицией 18 - линия сопряжения граней ствола 4 шахты и поверхности оголовка 3.

Внутренняя боковая поверхность ствола 4 шахты представляет собой многогранную усеченную пирамиду с криволинейными гранями. Четыре грани, проходящие через стороны 11 и 12 оголовка 3 и соответствующие стороны нижнего сечения 5 ствола 4 шахты, имеют форму криволинейной трапеции, а остальные грани, проходящие вверху через соответствующие стороны оголовка 3 и в нижней части через вершины сечения 5, имеют форму криволинейного треугольника.

Все грани боковой поверхности ствола 4 шахты выполнены из эллиптических поверхностей. Образующие эллиптических поверхностей граней водосливной поверхности шахты имеют центры осей, расположенные в плоскости его нижнего квадратного сечения, и в верхней части касаются соответствующих поверхностей водоприемного оголовка 3. Позицией 19 обозначен уровень воды в акватории 1 гидроузла.

Рассмотренная конструкция сливных поверхностей шахты позволяет выполнить боковые поверхности и дно отводящего водовода 8, боковые поверхности и грань 16 сопрягающего колена 7 и конфузора 6 и соответствующие грани сливной поверхности ствола 4 шахты и водоприемного оголовка 3 как единые поверхности, не имеющие ребер перегиба в вертикальных сечениях шахтного водосброса.

Работает шахтный водосброс следующим образом.

При подъеме уровня 19 воды выше гребня 17 оголовка 3 происходит ее перелив в шахту и движение по сливным граням ствола шахты в форме кольца в поперечном сечении. Отсутствие на сливной поверхности оголовка 3 и ствола 4 шахты поперечных ребер относительно направления течения воды способствует сохранению сплошности потока, безотрывному протеканию по сливным граням и его минимальной аэрации в зоне выхода из шахты. Наличие в нижней части ствола 4 конфузора 6 обеспечивает вход потока в сопрягающее колено 7 в виде компактной струи с отрывом его от потолочной грани 16 колена 7 даже при наличии ее насыщения воздухом в зоне смыкания струй в нижней части ствола 4 шахты. По мере повышения уровня 19 воды увеличивается горизонтальная составляющая скорости потока, переливающегося через оголовок 3 шахты, приводящая в существующих конструкциях шахтного водосброса к отрыву нижней поверхности потока от поверхности оголовка 3 и смыканию струй потока в верхней части шахты, что в дальнейшем приводит к появлению неблагоприятного гидравлического режима и требует специальных конструктивных мероприятий для предупреждения этого режима.

Выполнение оголовка 3 круглоцилиндрического профиля вызывает образование вакуума в подструйном пространстве, под действием которого струя прижимается к сливной поверхности и во всем диапазоне расходов не происходит смыкания струй потока в верхней части шахты. Нижний участок ствола 4 шахты, начиная от выходного сечения 13 конфузора 7, в этом случае работает как затопленное отверстие с различной степенью затопления, зависящей от величины пропускаемого расхода.

Снабжение нижней части ствола 4 шахты конфузором 6 обеспечивает отрыв потока от верхней грани 16 сопрягающего колена, предупреждая тем самым появление вакуумных зон и опасности кавитационного разрушения водопроводящего тракта.

Оптимальная конструкция шахтного водосброса полигонального очертания в плане получается при примерном равенстве длины сторон оголовка 3 и сечения 5 ствола 4 шахты, размеры которого определяются расчетным расходом шахты и его высотой. Длина гребня 17 оголовка 3 определяется расчетным расходом шахты и напора на нем, определяемым из экономических соображений. Принимая за длину стороны оголовка 3 длину сечения 5, определяется требуемое число сторон многоугольника оголовка 3, за расчетное значение которого принимается ближайшее число, кратное четырем.

Выполнение внутренней поверхности шахты полигонального очертания в поперечном сечении позволяет выполнить сливную поверхность с одномерной кривизной, создание которой при строительстве обеспечивается опалубкой, выполненной из плоских листов при одновременном упрощении арматурных работ в результате замены криволинейной кольцевой арматуры на прямолинейную.

Размещенный в акватории водохранилища гидроузла шахтный водосброс, включающий водоприемный оголовок, выполненный в плане в форме правильного многоугольника, имеющего число сторон, кратное четырем, ствол шахты с квадратным сечением в нижней части, отводящий водовод с вертикальными боковыми стенами и расположенное между ними сопрягающее колено прямоугольного поперечного сечения, грань которого, расположенная со стороны верхнего бьефа, имеет участок круглоцилиндрической формы, а ширина колена равна ширине отводящего водовода, причем у водоприемного оголовка четыре попарно ортогональные стороны ориентированы параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, сторона квадратного сечения шахты равна ширине отводящего водовода, сливная поверхность ствола шахты выполнена из граней цилиндрической формы, четыре из которых с попарно ортогональными гранями, ориентированными параллельно продольной и поперечной осям отводящего водовода, имеют в плане форму трапеции, а остальные - форму треугольников, отличающийся тем, что водоприемный оголовок выполнен в форме последовательно сопряженных между собой прямолинейных отрезков, имеющих круглоцилиндрическое поперечное сечение, грани ствола шахты выполнены эллиптического профиля с направляющими, касающимися в верхней части поверхности водоприемного оголовка, и с центрами осей, размещенными в плоскости нижнего сечения шахты квадратной формы, участок ствола шахты, расположенный между нижним квадратным сечением ствола шахты и входным сечением сопрягающего колена, выполнен в виде конфузора за счет отклонения в сторону верхнего бьефа нижнего ребра грани со стороны нижнего бьефа, причем у грани сопрягающего колена, расположенной со стороны верхнего бьефа, начальный участок выполнен как продолжение соответствующей грани ствола шахты, а конечный участок - как продолжение нижней грани отводящего водовода.