Гигантские воронки на плотинах кажутся бездонными: куда на самом деле уходит вода?

Когда вода начинает переливаться через край такой воронки, зрелище выглядит тревожно. Поток сходится со всех сторон, ускоряется и исчезает в отверстии, под которым не видно дна. Со стороны кажется, будто в водохранилище открыли огромный сток и теперь оно может опустеть целиком.

Почему плотине нужен отдельный водосброс

Водохранилище не может бесконечно принимать воду от осадков и таяния снега. Во время сильного паводка приток иногда превышает расход через турбины и обычные водовыпуски. Если уровень поднимется до верхней кромки, вода начнет переливаться там, где для нее не предусмотрено безопасного пути.

Особенно опасен такой перелив для земляных и каменно-набросных плотин. Быстрый поток размывает откос, уносит материал насыпи и расширяет образовавшуюся промоину. Неконтролируемая вода опасна и для бетонных сооружений: она может повредить оборудование и размыть грунт у основания.

Поэтому избыток заранее направляют в водосброс с известной пропускной способностью. Чаще он выглядит как широкий бетонный канал, однако в узком каньоне для такого сооружения может не хватить места. Если рядом находится прочная скала, в ней устраивают шахту и отводящий тоннель, оставляя на поверхности круглую горловину.

Зачем вход сделали похожим на воронку

Круглая форма позволяет разместить длинный водосливной край на небольшом участке. Например, при диаметре горловины 22 метра длина ее окружности достигает примерно 69 метров. Вода поступает сразу со всех сторон, а расширенный край плавно направляет ее в сужающуюся шахту.

Отметка края определяет момент включения. Пока поверхность водохранилища находится ниже, воронка бездействует. Когда вода поднимается над краем, начинается перелив. Чем выше уровень, тем больше расход. В водосбросе без затворов это происходит автоматически, без команды оператора.

Поэтому воронка не способна опустошить все водохранилище. Она работает как верхнее переливное отверстие в раковине: уровень опускается ниже края — поступление прекращается. Для обычной подачи воды, работы турбин и намеренного понижения уровня используются отдельные каналы и трубопроводы, входы которых расположены глубже.

Куда уходит попавшая внутрь вода

Из сужающейся горловины поток попадает в вертикальную или круто наклоненную шахту. Внизу находится плавный поворот, соединяющий ее с почти горизонтальным тоннелем. Резкое колено здесь не подойдет: набравшая скорость вода создала бы сильные удары и вибрацию.

Тоннель проходит в скальном массиве рядом с плотиной и заканчивается ниже нее. Вода не исчезает под землей, а возвращается в ту же реку, русло которой перегородила плотина. В зависимости от конструкции на выходе находится укрепленный канал, водобойный бассейн или конструкция, отбрасывающая струю в безопасную часть русла. Без гашения энергии быстрый поток начал бы разрушать берега и размывать основание сооружения.

Вода в этом тоннеле обычно обходит гидроэлектростанцию и не производит электричество. Шахтный водосброс нужен прежде всего для безопасного пропуска избытка, тогда как к турбинам ведут отдельные управляемые напорные тракты.

Почему правильный поток не должен закручиваться

Хотя сооружение называют воронкой, сильный водоворот внутри ему мешает. Закрученный поток занимает часть сечения воздушной полостью, неравномерно нагружает конструкцию и может уменьшить пропускную способность именно во время паводка.

В идеальном случае вода подходит к краю равномерно по всей окружности. Однако близкий берег, склон или сама плотина нарушают симметрию. Чтобы подавить вращение, перед горловиной устанавливают направляющие перегородки и гасители вихрей. Их положение нередко проверяют на уменьшенной гидравлической модели, наблюдая, как меняются уровень, расход и давление.

Воздух в центре потока при этом необходим. Пока вода стекает по стенкам шахты, он поддерживает свободное течение. Если доступ воздуха внезапно перекрывается, тоннель может попеременно заполняться водой и освобождаться. Возникают пульсации, гидравлические удары и скачки давления.

При большой скорости появляется еще одна опасность — кавитация. В областях низкого давления возникают пузырьки пара, которые затем схлопываются у поверхности бетона. Множество таких микроскопических ударов постепенно выбивает из нее частицы. Поэтому шахте придают плавный профиль, тщательно отделывают ее стенки и при необходимости подводят воздух в опасные зоны.

Что происходит во время сильного паводка

Сначала вода проходит через круглый край как через обычный водослив. При дальнейшем подъеме узким местом становится горловина, а затем может заполниться и тоннель. Переход от свободного потока к движению в заполненной трубе способен сопровождаться рывками и пульсациями давления, поэтому рабочий диапазон водосброса рассчитывают заранее.

Отдельную угрозу создают бревна и ветви. Течение собирает их возле одного круглого входа, где они способны образовать затор. Для защиты используют плавающие заграждения, направляющие конструкции и регулярную очистку. Простая частая решетка подходит не всегда: при большом количестве мусора она сама быстро перекроет воду.

Из-за сложной гидравлики шахтные водосбросы строят не повсеместно. Они удобны при дефиците места и наличии прочного скального основания, но их труднее осматривать, ремонтировать и защищать от засорения. Если рельеф позволяет, широкий открытый канал для большого расхода нередко оказывается проще.