Przelew Glen Canyon został zniszczony przez pęcherzyki, więc naprawiono go dodając powietrze
W 1983 r. przez przelewy Glen Canyon Dam popłynęły niezwykle duże ilości wody. Wydawałoby się, że betonowy tunel najbardziej powinien bać się bezpośredniego uderzenia strumienia. Tymczasem jednym z głównych niszczących mechanizmów była kawitacja: przy bardzo dużej prędkości lokalne ciśnienie w wodzie spadało tak mocno, że powstawały pęcherzyki pary. Gdy trafiały do obszaru wyższego ciśnienia, gwałtownie zapadały się przy powierzchni, powodując miejscowe uderzenia i wyrywanie betonu. Uszkodzenia były ogromne. Po naprawie do tuneli dodano aeratory — szczeliny wprowadzające warstwę powietrza pod szybko płynącą wodę. Paradoksalnie najlepszą ochroną betonu przed wodą okazało się dodanie do przepływu jeszcze jednego ośrodka: powietrza.
Bardzo szybka woda może zacząć wrzeć bez podgrzewania
Wrzenie kojarzy się z wysoką temperaturą, ale ciecz zaczyna przechodzić w parę wtedy, gdy lokalne ciśnienie spada poniżej odpowiedniej wartości dla danej temperatury. W szybko płynącej wodzie, szczególnie przy gwałtownych zmianach geometrii i dużych prędkościach, mogą powstawać strefy bardzo niskiego ciśnienia. W tych miejscach tworzą się pęcherzyki pary. Nie jest to jednak spokojne gotowanie w czajniku. Pęcherzyki są przenoszone dalej i trafiają do obszarów, w których ciśnienie ponownie rośnie. Wtedy ich objętość gwałtownie maleje i dochodzi do implozji.
Implozja przy powierzchni zachowuje się jak mikroskopijny młot
Zapadający się pęcherzyk może generować bardzo wysokie lokalne ciśnienia i szybkie strugi cieczy. Pojedyncze zdarzenie jest mikroskopijne, ale w przepływie hydraulicznym może występować ogromna liczba takich implozji w tym samym obszarze. Powtarzające się uderzenia niszczą najpierw niewielkie nierówności powierzchni, tworząc kolejne miejsca sprzyjające zaburzeniom przepływu. Proces może więc sam się wzmacniać. Beton, który doskonale przenosi statyczne ciśnienie wody, staje się podatny na bardzo intensywną lokalną erozję dynamiczną.
W 1983 r. uszkodzenia weszły głęboko w konstrukcję
Bureau of Reclamation opisuje, że podczas ekstremalnych przepływów w 1983 r. przelewy Glen Canyon Dam musiały przenieść wielkie ilości wody. W tunelach powstała kawitacja, która usunęła fragmenty betonowej wykładziny i zaatakowała skałę pod nią. Problem nie był kosmetyczny. Uszkodzenie kanału o takiej energii przepływu może szybko pogłębiać się i zmieniać geometrię, co z kolei jeszcze bardziej zaburza strumień. Po wydarzeniu przelewy gruntownie naprawiono, traktując przyczynę hydrauliczną, a nie tylko uzupełniając wyrwane miejsca nowym betonem.
Aerator tworzy pod strumieniem warstwę powietrza
Po modernizacji w tunelach pojawiły się specjalne air slots. Geometria powoduje lokalne oderwanie strugi od dna i zasysanie powietrza do przestrzeni między wodą a betonem. Pęcherzyki i warstwa powietrzna amortyzują bezpośredni kontakt szybkiego strumienia z powierzchnią i ograniczają zdolność implozji kawitacyjnych do niszczenia materiału. To nie jest zwykłe „napowietrzanie wody” jak w akwarium. Ilość powietrza, kształt uskoku i warunki przepływu są projektowane tak, aby utrzymać ochronną warstwę przy bardzo dużej energii hydraulicznej.
Konstrukcja wodna musi kontrolować energię, nie tylko ilość wody
W przelewie zapory najłatwiej myśleć o przepustowości: ile metrów sześciennych wody na sekundę może przepłynąć bez przelania się zbiornika. Glen Canyon pokazuje, że równie ważne jest to, co dzieje się z energią tego przepływu. Wysoko położona woda ma ogromną energię potencjalną, która w tunelu zamienia się w prędkość. Jeśli nie zostanie bezpiecznie rozproszona, zaczyna niszczyć obiekt służący właśnie do jej odprowadzania. Hydrotechnika polega więc w dużej mierze na sterowaniu miejscem i sposobem, w jaki energia wody może zostać utracona.