Техника - молодёжи 1963-10, страница 35

ПУЛЬС ВОДОПАДА

М. МАРКИН,

кандидат технических наук

Вы еще не видите водопада, впереди еще добрых 3—4 км пути, а глухой рокочущий гул и дрожание земли как бы предупреждают, что сейчас вы столкнетесь с проявлением могучей и всесокрушающей силы.

С высоты в несколько десятков, а бывает и сотен метров, грохоча, дробясь на капли, сияя на солнце дымкой бриллиантовых искр, срываются в секунду сотни кубических метров воды. А ведь каждый кубометр — это тонна! Мощность высокого, многоводного водопада огромна. Например, относительно небольшой Нарвский водопад, сбрасывая воду с высоты всего лишь семиметрового уступа, развивает мощность 75 тыс. квт.

Вода, ударяясь о дно реки у подножья уступа, постепенно вырабатывает выбоину, где образуются водовороты. Обломки пород, увлекаемые течением, попадая в водовороты, приходят здесь во вращательное движение. Вода, действуя ими как жерновами, вытачивает глубокие, так называемые «исполино-вые котлы», а также глубокие водобойные колодцы и ниши, которые разрушают оснований уступа. Стихийная сила падающего потока столь велика, что постепенно разрушает, казалось бы, вечный монолит скал, «двигает» водопад вверх ло течению реки, а то и совсем уничтожает его, оставляя на месте высоченного водопада еле заметную речную быстрину. Любой водопад, можно сказать, съедает сам себя.

Ну, а как быть с искусственными водопадами? Ведь сооружаемые людьми плотины гидроэлектростанций создают большие перепады воды и в своей водосливной части являются, по существу, водопадами. А это означает.., Впрочем, приведем одии, но, к сожалению, далеко не единственный случай.

На средиземноморском побережье Франции есть небольшой городок Фре-жюс. В горах, в нескольких километрах севернее города, была выстроена плотина Мальпассе высотой в 60 м. В образовавшемся за плотиной водохранилище находилось 50 млн. м³ воды.

Катастрофа произошла в ночь на 3 декабря 1959 года. Вода, прорвав плотину, ринулась на город. г розная лавина шириной в 1,5 тыс. м неслась со скоростью курьерского поезда. В бурлящем потоке под развалинами домов погибло триста жителей. Свыше двухсот человек пропало без вести. Когда вода схлынула, обнаружились трагические последствия. Полностью разрушены все шоссейные и железнодорожные пути. Повалены телеграфные и телефонные столбы. Толстый слой грязи и песка покрыл остовы разрушенных зданий и обломки автомобилей. "

Да, с водопадами шутки плохи. Каждая новая плотина должна с полной гарантией обеспечивать безопасность и

надежность гидростанции, которая строится на века. Плотина должна быть рассчитана на любой практически возможный подъем воды в водохранилище, а также на любой режим спуска воды через водосливную часть плотины. Она должна надежно противостоять ежедневной и ежесекундной разрушающей силе падающего водяного потока.

Как этого достичь? На первый взгляд ответ очень прост: плотина в целом и ее подножье, о которое ударяется поток, должны выдерживать давление воды, быть достаточно устойчивыми, прочными, долговечными. На практике получается все сложнее. Но перед тем как рассказать об этих трудностях, обратимся к одному открытию, сделанному в ванне.

Нет, речь идет не об Архимеде. Бывают парадоксальные совпадения. Д. И. Менделеев сделал другое важнейшее открытие, и опять-таки в ванне.

В 1903 году Д. И. Менделеев, страдавший закупоркой вен правой ноги, проходил курс лечения серными ваннами в Екслебене. Однажды, принимая ванну, он направил на больную ногу струю теплой воды, вытекавшей под некоторым давлением из наконечника шланга. При этом он обратил внимание, что в случае, когда наконечник находится на расстоянии 90—100 мм от ноги, тело ощущает «скорые колебания».

Более тщательные исследования в лаборатории Главной палаты мер и весов убедили великого русского ученого, что в струе воды появляются внутренние удары, вода в потоке пульсирует. Было установлено, что эта пульсация происходит как в свободной струе, то есть когда водяной поток находится в воздухе, так и в затопленной, когда она движется в жидкости.

Первые опыты показали, что пульсация свойственна водяному потоку при любом наклоне его движения. Частота и величина амплитуды колебаний зависят от высоты падения струи или потока, а также от скорости движения воды. К сожалению, Д. И. Менделееву не удалось вплотную заняться изучением проблемы колебательно-волновых процессов в струях жидкости и определить конкретные величины и закономерности сил пупьсации.

А это важно. Посудите сами. Поскольку вода в потоке пульсирует, то дно реки у плотины должно противостоять не только силе ударов падающего потока, но и его внутренней пульсации.

До последних лет строители не могли определить силу пульсации. Более того, они не могли даже точно измерить, а значит, и рассчитать общее давление падающего потока.

Оставался один выход — строить плотины, особенно участки дна у их основания, так называемые водобои,

Рис. А. ПЕТРОВА

с огромными запасами прочности. Все делалось по старому принципу: «маслом кашу не испортишь». В водобои и являющиеся их продолжением укрепленные участки дна реки закладывались сотни и тысячи тонн лишнего бетона и арматуры. Это намного увеличивало стоимость гидростанций и сроки их строительства.

Мне вместе с инженером С. И. Худяковым удалось разработать конструкцию прибора, который может измерять и натиск водяных каскадов и биение пульса потока.

Используя новый прибор и другую современную электронно-оптическую аппаратуру, были проведены многочисленные исследования пульсации водяных струй. Обработка 50 тыс. осциллограмм, многочисленные съемки пульсирующих струй специальными аппаратами (16—32 тыс. кадров в сек.) позволили в конечном итоге установить закон динамического подобия потоков и струй жидкости. Впервые получить уравнение для подсчета волновой энергии и ее мощности, закон «жизни» водопада.

Конкретным обобщением этой работы явились четыре математические формулы. Учитывая основные данные водяного потока, они точно определяют нагрузки, которые испытывают в любом месте модель водосливной плотины и ее водобоя и, соответственно, аналогичное место у настоящей плотины,

Теперь мы можем предугадать внутреннюю «жизнь» и «поведение» водяного потока. Установлено, что с увеличением высоты плотины, иными словами — напора воды, частота колебаний потока увеличивается медленно, затем при определенных напорах увеличивается более быстро, а достигнув своего максимума (равного 373-г375 гц), частота колебаний начинает резко пв-деть.

В отличие от частоты внутренних колебаний водяных струй размах их колебаний (двойная амплитуда), после того как частота достигла своего максимума, не уменьшается, а, наоборот, начинает резко увеличиваться.

Объективные закономерности поведения падающей струи, нашедшие свое отражение в выведенных нами формулах, наглядно доказывают, что каждая капелька струи в любой момент времени одновременно совершает и линейное и колебательно-волновое движения. Это подтверждает справедливость гипотезы известного французского ученого-физика Луи де Бройля о том, что любому движению малого или большого тела, будь то движение электронов или мяча для игры в гольф, присущ дуализм (двойственность).

От теоретических секретов «жизни» струи возвратимся к практике. Серия опытов на модели Чебоксарской ГЭС и

30