Možnosti převádění kulminačních průtoků přes přehrady kaskádovými skluzy

Abstract

Disertační práce je zaměřena na popis proudění kaskádovým skluzem ovlivněným bočním přítokem vody, která přepadá přes korunový přeliv hráze. V průběhu zpracování disertační práce bylo provedeno kritické zhodnocení dostupných teoretických přístupů použitelných k řešení proudění na kaskádových skluzech. Přestože používání kaskádových konstrukcí ve vodním stavitelství je možno vysledovat v různých technických návrzích již od starověku, oživení snah o využití kaskádových skluzů bylo zaznamenáno v posledních cca 20 letech s příchodem nových materiálů a technologických postupů výstavby vodních staveb.Rešerše české resp. československé odborné literatury ukázala, že řešením kaskádových skluzů se čeští, resp. českoslovenští autoři přímo nevěnovali. Klasické přístupy k dané problematice kaskádových skluzů byly položeny v první polovině 20. století ruskými autory, např. Agroskin (1950). Kaskádové skluzy jsou v klasickém přístupu řešeny jako sled dílčích vývarů, v nichž výškou prahu na konci každého stupně jsou vytvořeny podmínky pro vznik vzdutého vodního skoku. Na klasické řešení kaskádových skluzů navázali ve větší míře až autoři na konci 2. poloviny 20. století. Jako hlavní osobu v novodobém výzkumu proudění na kaskádových skluzech je možno uvést prof. H. Chansona, který popsal jednotlivé režimy proudění na kaskádovém skluzu a následně formuloval vztah pro jejich určení. Společná pro teoretické přístupy zkoumaného fyzikálního jevu je bohužel skutečnost, že vlivu bočního přítoku přepadající vody do kaskády se žádný z dále citovaných autorů nevěnoval.Zkoumaný hydraulický jev proudění kaskádovým skluzem s vlivem bočního přítoku představuje komplikovaný případ prostorového proudění se značným provzdušněním a pulsacemi hladiny. Proto byl pro dosažení cílů disertační práce zvolen přístup s použitím fyzikálního modelu, jenž byl pro účely disertační práce postaven ve vodohospodářské laboratorní hale Fakulty stavební ČVUT. Fyzikální model v případě pozorování takto komplikovaného hydraulického jevu představuje nezastupitelný způsob jeho zkoumání. Fyzikální model byl postaven v měřítku Ml = 1:20 za splnění předpokladů Froudova zákona podobnosti.Hlavním cílem disertační práce pro kaskádový skluz s vlivem bočního přítoku bylo stanovení a popis režimů proudění a provedení analýzy dostupných teoretických vztahů s posouzením jejich využitelnosti pro kombinovaný jev střetávaní proudů na kaskádovém skluzu. Na základě měření byla rovněž provedena na jednotlivých stupních analýza ztrát mechanické energie proudu. Výsledky měření poskytly rovněž projekční praxi podklady k navrhování kaskádových skluzů s vlivem bočního přítoku.

This thesis focuses on investigation of flow down a stepped chute with a lateral inflow from a crest dam spillway. A critical review of available theoretical approaches to hydraulic calculation of flows on stepped chutes has been carried out. Although it is possible to find the use of stepped chutes in hydraulic engineering in various technical designs since the antiquity, a renewed interest in the usage of stepped chutes has been created only in the past 20 years due to a development of new construction materials and technological processes of construction in hydraulic structures.The state-of-the-art review based on authors from the former Czechoslovakia showed that Czech, respectively Czechoslovakian´s authors did not directly deal with stepped chute designs. Classical theoretical approaches to hydraulics of stepped chutes were explained by Russian authors e.g. Agroskin (1950) in the first half of the 20th century. In this classical approach, stepped chutes were considered as a cascade of stilling basins in which sill height creates conditions for the formation of drowned hydraulic jumps. The authors followed more or less this classical approach by the end of the 20th century. A new modern approach to research of flow characteristics in stepped chutes is represented by Prof. H. Chanson, who has described the different regimes of flow and found the formula for their determination. Unfortunately until now no information from literature dealing with the simultaneous influence of the lateral inflow to stepped chutes has been found.The hydraulic phenomenon of the flow on stepped chutes with lateral inflow represents a complicated case of three-dimensional flow with significant air entrainment and water level fluctuations. Therefore to meet the objectives of the Ph.D. thesis, the investigation on a physical model, which had been built in the laboratory of CTU - Faculty of Civil Engineering was used. The physical model represents a reliable method of investigating of this complicated hydraulic phenomenon. The physical model was constructed in the Ml = 1:20 scale ratio in order to fulfil the assumption of Froude's law of similarity.The main goals of this thesis for the stepped chute with lateral inflows were investigation and description of the flow regimes as well as a review of available theoretical approaches. Based on the experimental measurements on the edge of each step an analysis of the loss of mechanical energy has been carried out. The experimental results of flow on stepped spillways with lateral inflows also provided valuable input data for hydraulic engineering design practise.