Консольные перепады (сокращенно — консоли) устраивают в местах сосредоточенного падения трассы канала пли в местах сброса воды из канала в ближайшее понижение местности. При большом расстоянии от начала консоли до питающего ее канала последний соединяется с консолью подводящим каналом. Самая консоль состоит из лотка типа быстротока, нижняя часть которого располагается над откосом на глубоко опущенных в грунт опорах (рис. 6—28). Лоток продолжается за опоры, образуя свес-консоль, которая и послужила общим названием всего сооружения.
Вода, падая с консоли, размывает грунт (образуя так называемую воронку размыва) до глубины, обеспечивающей гашение энергии падающей струи. Консоли с большими расходами воды, вследствие ряда неопределенностей в расчете величины воронки размыва, сравнительно еще мало распространены.
Расчетным расходом консоли будет наибольший расход, иногда более опасными оказываются небольшие, по длительные расходы, которые образуют хотя и менее глубокие и широкие коронки, зато ближе расположенные к опоре и тем самым угрожающие подмывом и опоре и откосу.
Воронку за перепадом разрабатывает сама падающая струя; но для того чтобы отдельные, более слабые участки грунта, па которые впервые в начале эксплуатации падает струя, не подверглись размыву в сторону, нижний канал продолжают до места падения струи.
Рис. 6—2$. Консольный перепад:
1 — вход; 2 — мостики; 3 — бетонный лоток; 4 — железобетонный лоток; 5 — консоль; 6 — трамплины; 7 — рамная опора; 8 — балки жесткости; 9 — габионное крепление.
Откос под консолью должен быть устойчив против оползания, что должно быть проверено расчетом; планируя откос под консолью, ему следует придавать заложения не меньше следующих: для плотного суглинка 1,25—1,50, в зависимости от высоты откоса (учитывая и глубину воронки размыва); для среднего суглинка 1,5—2,0 и для супеси 2,0—2,5.
Воронку со стороны консоли и сбоку по бортам укрепляют гибким креплением — габионами; для небольших и средних консолей при наличии камня внутренние откосы воронки (со стороны консоли и по бокам) укрепляют каменной отсыпью.
Откос под консолью для предохранения его от размыва утечками из лотка (при деревянных конструкциях) необходимо замащивать, укрепляя низ его габионами. Последние полезно класть в виде тюфяка и на откосы будущем воронки, с тем чтобы по мере размыва воронки тюфяк лег на ее откос.
Для консолей с малыми расходами с целью ослабления расширения воронки в плане рекомендуется применять плавучие (деревянные), связываемые через бревно рамы-клетки, падая в которые вода более спокойно растекается в воронке; рамы успокаивают волнение в воронке и способствуют уменьшению ее размыва; количественной оценки работы рам не имеется.
Мощная струя консольного перепада, падая, вымывает яму и образует ряд интенсивных вихрей (рис. 6—29), размывающих неукрепленный грунт в поперечном к консоли направлении, вследствие чего вдоль откоса (поперек падающей струи) образуются глубокие и длинные размывы.
Для ограничения боковых размывов целесообразно устраивать, начиная от половины длины отлета струи, тонкие железобетонные направляющие стенки по железобетонным сваям, с центральным углом роспуска в 12—15°.
В уже образовавшихся поперечных размывах возможна установка направляющих систем щитов (понтонов) или запаней, ограничивающих дальнейший размыв бортов воронки.
Положительные результаты дает постановка зубчатых трамплинов в конце консоли, которые расщепляют падающую струю воды, что значительно уменьшает глубину и ширину воронки.
На слабых грунтах (илистые, мелкопесчаные) консоли мало применимы, так как воронки за ними получаются очень широкими и глубокими.
Рис. 6—29. Воронка размыва за консольным перепадом с боковыми водоворотами.
Вход в консоль ничем не отличается от входа в быстроток. Лоток консольных перепадов аналогичен быстротокам; в той части, где он опирается на опоры, его делают из дерева или из железобетона. При небольших размерах последней части консоли обычно достаточно двух опор — береговой, отстоящей от верхней бровки откоса земли под консолью не менее 5 м для небольших сооружений и не менее 10 м для более крупных, и концевой, по конструкции — стоечной свайной, на опущенных подмывом буровых трубах, асбоцементных трубах с последующим заполнением их арматурой и бетоном и т. п.
Во избежание размокания и размыва грунта под лотком в деревянных консолях необходимо добиваться устранения утечек через щели — конопаткой, прокладкой толя (недолговечно) или просмоленного полотна между верхним и нижним пастилами. В небольших консольных перепадах лоток устраивают из железобетона; в длинных консолях передняя (верховая) часть лотка может быть устроена из монолитного бетона (рис. 6—28), если это окажется экономически выгодным, или из сборных железобетонных блоков.
Железобетонные консоли соединяют с верхней частью быстротока (железобетонного или бетонного) шарниром, не пропускающим воду (рис. 5—13).
Рассмотренные выше конструктивные формы лотков быстротоков применимы и в консолях; необходимо лишь соблюсти условие получения в копне консоли больших выравненных скоростей. Для большего отлета струи от опор и делают консоль; с той же целью конец ее завершают горизонтальным лотком. Устройство этой части лотка с отрицательным уклоном (т. е. подъемом), казалось бы, должно дать еще больший отлет струи и тем самым усилить устойчивость опор сооружения. Однако такое устройство можно допускать, когда консоль работает с постоянным или с почти постоянным расходом; при большой изменчивости расходов может случиться, что струи с малым расходом будут затоплены в консоли, уменьшат скорость; падая с небольшой горизонтальной скоростью, они могут вызвать подмыв опоры.
Свойство консоли с отрицательным уклоном удалять воронку размыва может быть сохранено и при малых расходах путем устройства отверстий в дне приподнятого участка консоли, благодаря которым под консолью образуется косой дождь, не опасный в отношении размыва.
Отверстия размерами в плане 0,1 х 0,4 -4- 0,3 х 0,8 устраивают в шахматном порядке, длинной стороной вдоль консоли.
Борта консоли рассматривают как несущие балки; ввиду того что толщина бортов невелика (25—15 см), но верху и низу их делают утолщения для размещения продольной арматуры, используя их для внешней архитектурной обработки лотка. При нешироких лотках поверх них полезно делать через 1,5—3 м поперечные балки, значительно усиливающие жесткость лотка; по балкам устраивают служебный мостик для осмотра консоли и очистки ее от случайно попавших в нее предметов. В широких консолях верхние поперечные балки из-за их большого пролета не устраивают, а служебные мостики располагают сверху на бортах консоли или с боков бортов, продолжая наружу плиту дна лотка (рис. 6—28).
Для широких консолей может оказаться недостаточным двух несущих балок-бортов; в таких случаях ставят дополнительные балки, которые можно располагать как над дном, так и под дном лотка; в последнем случае получается более жесткая конструкция, вследствие постановки между продольными балками сильных связей — поперечных балок.
При размещении балок над дном лотка получается струйная консоль; здесь полезно балки к концу консоли устраивать расходящимися (с центральным углом между соседними балками 6—8°), что ведет к уменьшению удельного расхода в месте падения струи на грунт, т. с. к уменьшению размыва.
Металлические консоли, а иногда и деревянные, устраивают с полуциркульным поперечным сечением лотка, опирающегося на самостоятельные несущие балки. В лотках с полуциркульным очертанием получается сосредоточенная падающая струя воды, размывающая широкие и глубокие воронки.
При большой длине лотка консоли для облегчения конструкции ставят промежуточные железобетонные рамные опоры. Подошвы концевой и ближайшей с ней промежуточной онор принято закладывать ниже дна воронки, т. е. достаточно глубоко.
Опоры высоких консолей не закладывают в открытых котлованах, потому что при этом отрывается почти весь откос земли, чем нарушается его цельность и прочность; в таких случаях приходится прибегать к опускным колодцам или железобетонным сваям, опускаемым бойкой, подмывом.
Лоток консоли, в зависимости от ширины его, делают однострунным или многострунным; в конце его на свешивающейся части устраивают слив для предупреждения затекания воды под дно литка. При отсутствии слива зимой, во время пропуска через консоль малых расходов и особенно при утечках через затворы па входе в лоток, под концом лотка образуются большие сосульки льда.
Во время длительных перерывов в работе зимой при утечках воды через неплотности в затворах под консолями могут образоваться глыбы льда, соединяющиеся при небольшом высоте консоли со свисающими с нее сосульками.
Зимний режим, формирование воронки размыва и текущая работа консолей требуют повышенного внимания со стороны эксплуатационного персонала.
Гидравлические расчеты.
Расчет лотка одинаков с расчетом быстротоков, разница лишь в соотношениях размеров поперечного сечения. Лоток консолей не стремятся делать гидравлически на и выгоднейшего сечения, так как при таком, вообще узком, сечении получаются большие удельные расходы, создающие глубокую воронку размыва.
С целью уменьшения глубины воды в конце консоли концевую часть ее делают слегка расходящейся, получая при этом меньшие удельные расходы воды. Проф. М. С. Вызго1 предлагает ставить в конце консоли гребенку из наклонных зубцов, которая вследствие расщепления струи уменьшает глубину размыва воронки до 50%.
Расчет воронки должен дать достаточно достоверное представление об ее размерах и форме; необходимо заранее знать глубину воронки и заложение ее откосов с тем, чтобы расположить опоры консоли в достаточно падежных от подмыва местах.
До настоящего времени еще не имеется точных приемов расчета размеров воронки; существующие приемы приближенны, в них не учитывается увеличение расхода в месте падения струи, происходящее от незамкнутых вихрей в воронко размыва.
Падающая с консоли струя захватывает воздух (аэрируется) и увеличивается в объеме; при больших высотах падения Р (рис. 6—30) падающая струя расщепляется на отдельные мелкие струи, также наполненные воздухом, вследствие чего значительно уменьшается размыв за консолью.
Дальность отлета струи при горизонтальной консоли находится по формуле (рис. 6—30):
(6-51)
где φ — выбирается по таблице 6—3;
ν и h — скорость и глубина на конце консоли, находимые по формулам гидравлики без учета аэрации.
В случае наклона консоли вверх под углом β к горизонту дальность отлета находится по формуле:
(6-52)
В случае наклона консоли вниз под углом β к горизонту дальность отлета находится по формуле (6—52) с заменой знака плюс на минус у первого слагаемого в числителе.
Скорость входа струи в воду воронки найдется из выражения:
(6-53)
1 М. С. Вызго. Консольные перепады. Ташкент, 1933.
По второму способу расчета, предложенному проф. М. С. Вызго1, наибольшую глубину воды в воронке находят из уравнения:
(6-59)
где коэффициент аэрации А принимают по таблице 6—5.
Таблица 6-5
Величины коэффициентов размыва к выбирают по таблице 6—6.
Т а б л и ц а 0-6
1 М. С. Вызго. Уменьшение размывов и увеличение габаритов струн и глубин быстротекущих потоков. «Гидротехническое строительство» № 7, 1947.
Формулы (6—56) и (6—59) свидетельствуют о значительном влиянии величины удельного расхода в месте падения струи на глубину размыва; с целью уменьшения глубины и ширины воронки полезно делать конец лотка консольного перепада расширяющимся.
При гладкой консоли роспуск ее стен (в плане) делают с заложением 1:9-1:15 (т. е. с центральным углом около 12—8 ) при скоростях течения 8—15 м/сек.
Если консоль вначале снабдить тонкими железобетонными или металлическими направляющими стенками высотой около (1.2 4- 2,5) Л, то между каждой парой соседних стенок можно устоять роспуск с центральными углами посредине 15—18°, по бокам 8—6 (рис. 6—31), что значительно увеличит общий угол роспуска и ширину участка падения струи и тем самым уменьшит удельные (расчетные) расходы в месте падения струй.
С целью равного деления расхода между стенками их следует размещать еще на лотке консоли (рис. 6—31), постепенно увеличивая их высоту, во избежание фонтанирующих выплесков. Стенки являются несущей конструкцией консоли.
Значительно уменьшает глубину воронки и ослабляет интенсивность боковых водоворотов за ней устройство на консоли трамплинов (рис. 6—32), которые расщепляют струю на отдельные струи — нижние и верхние. Нижние струи, выходящие из прозоров между трамплинами, быстро растекаются в воздухе и падают на воду по всей ширине в пли несколько больше ее; верхние струи, поднимаясь над нижними, энергично аэрируются и падают по ширине, большей ширины конца консоли, т. е. со значительно пониженным удельным расходом.
Рис. 6—32. Консоль с трамплинами:
1 — лоток; 2 — консоль; 3 — опора; 4 — трамплины; 5 — мостики.
При скоростях 8—15 м/сек высоту трамплинов назначают около (1,2-2,0) h, ширину прозора — в 1,5—2,0 раза уже ширины трамплина; делается это потому, что часть воды скатывается с трамплинов в прозоры. Трамплинные струи сильнее аэрируются и скорее расщепляются воздухом, чем нижние, особенно когда трамплины расставлены симметрично в шахматном порядке относительно оси перепада.
Рис. 6—33. К расчету траектории струй.
При проектировании трамплинов им желательно придавать криволинейное очертание с углом схода β 30-60. Отклоненные направляющими стенками или трамплинами струи, парируясь, надают общей широкой струей.
На рисунке 6—33 показана расчетная схема траекторий осей струй — нижней с координатами У ОХ и верхней с координатами УβΧ; начала координат помещены на середине глубины каждой струи. Вследствие условности в выборе величины коэффициента скорости не будет большой погрешности, если начала координат поместить на уровне поверхности воды.
Уравнение параболы падения (без учета потерь) будет:
При постановке стенок млн трамплинов в расчетные уравнения ((5—56) и (6—59) подставляют уменьшенные, в соответствии с конструкциями, удельные и общие расходы каждой струи.
Устройство стенок вместе с трамплинами (рис. 6—31) еще более усиливает рассеяние и аэрацию струй и расширяет фронт падения их; при расстановке трамплинов в шахматном порядке падающие расщепленные струи будут покрывать широкую и длинную площадь воронки, не вызывая больших размывов и сильных водоворотов.
Высоту ребер на конце консоли увеличивают до 2,5h.
Дальнейшее развитие рассеивателей приводит к перепаду веерного типа (рис. 6—34), в котором ставится отражатель — рассеиватель струй, напоминающий по форме створку раковины; его очертание подбирается исследованиями на моделях.
Кромка рассеивателя устраивается из ряда трамплинов (зубчатки) с разными углами схода (β=30 -60) и 2—3 узкими щелями или сливными трубками, спускающими воду из раковины после работы перепада. Дно раковины устраивается криволинейным, возвышающимся от краев к середине; раковина ставится низко, близ уровня воды нижнего бьефа.
При больших скоростях течения воды в лотке (больше 25 м/сек) струя рассеивается отражателем в крупный дождь, почти по производящий размыва грунта.
