Классификация гидросооружений

Водосливная часть представляет собой невысокую водосливную плотину, имеющую прямолинейное очертание в плане. Наиболее часто выполняют водослив с низким порогом, реже практического профиля. Особенность берегового водосброса – это отсутствие с его низовой стороны устройств для гашения энергии сбрасываемого расхода. Чаще вода поступает в водоотводящее устройство без гашения энергии. Водоотводящее устройство состоит обычно из промежуточного канала и сопрягающего сооружения в виде быстротока или многоступенчатого перепада и устройства для гашения энергии. Отводящий промежуточный канал служит для выравнивания потока и подвода его к сопрягающему сооружению. Длина канала определяется топографическими условиями и при большом уклоне его не устраивают. Дно и откосы канала укрепляют бетонным покрытием, которое зависит от скорости потока и геологических условий.

Быстроток представляет собой канал, уклоном больше критического (i > 0,05-0,25) иногда больше (в скальных грунтах) Ширина быстротока может быть постоянной или переменной (для гашения энергии и для сокращения объема работ). Сечение быстротока может быть прямоугольным, трапецеидальным или полигональным. Днище лотка устраивают на нескальных грунтах толщиной 0,3-0,8 м, на скальных без облицовки. По длине лотка устраивают деформационно- температурные швы через 20-25 м.

Сопряжение быстротока с н/б осуществляется с помощью водобойного колодца или стенки.

На скальных грунтах сопряжение осуществляется с помощью трамплина с сосредоточенной струей и реже рассеивающего трамплина (рис. 7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А-А

План

Рис. 7. Береговой открытый водосброс

1 – подводящий канал; 2 – головная  часть в виде водослива; 3 –  отводящий промежуточный канал; 4 – сбросная часть (быстроток); 5 – концевая часть; 6 – грунтовая плотина; 7 – русло реки

Многоступенчатый перепад применяют при значительных уклонах (i > 0,25) и небольших расходах (до 15 м3/с). Наиболее употребимая высота ступени 4-6 м. Длину ступени назначают не менее двух высот перепада уровней на ней. Размеры колодца и высоту водобойной стенки назначают из условия полного гашения энергии потока. Иногда дну колодцев придают обратный уклон для лучшего гашения энергии, скорость на ступенях принимают 2-3 м/с.

На нескальных грунтах продольные и поперечные стенки обычно отделяют от водобойной плиты вертикальными швами для их независимой осадки. Все швы оборудуются противофильтрационными уплотнениями. На скальных грунтах водобойные плиты не устраиваются. Размеры водобойной плиты, продольных и водобойных стенок устанавливают расчетом на устойчивость. В скальных грунтах выполняют выравнивающую облицовку толщиной 0,3-0,4 м (рис. 8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продольный разрез

Рис. 8. Многоступенчатый перепад

1 – глинобетон; 2 – понур; 3 –  плоский затвор; 4 – продольная  стенка; 5 – водобойная стенка; 6 - колодец

Траншейные водосбросы

Траншейный водосброс представляет собой открытый береговой водосброс с боковым отводом воды. В состав сооружений входят: а) водосливная часть в виде водослива с широким порогом или практического профиля; б) траншея, в которую поступает вода, сбрасываемая через водослив; в) отводящий канал и сопрягающее устройство в виде быстротока, перепада или трамплина с соответствующими устройствами для гашения энергии потока. Водослив транш. водосброса может быть регулируемый т.е. с затворами на гребне или автоматического действия и его гребень находится на отм. НПУ. Регулируемые водосливы при напоре до 8 м могут пропускать до 8000 м3/с, а автоматического действия при форсировке до 2 м. пропускают только 600 м3/с. Гребень водослива обычно располагается параллельно траншее. Траншея представляет собой канал с изменяющейся по длине шириной и высотой и применяется он в основном в скальных и полускальных породах, когда размещение фронтального водослива затруднено. Особенностью такого водослива является винтовое движение потока в траншее, и для устранения такого движения  в части пролетов устраивают носок, а в конце траншеи – распределительную стенку или порог. Размеры траншеи определяют расчетом, а затем проверяют на модели (рис. 9). Гидравлический расчет траншеи заключается в определении длины водослива, габаритных размеров траншеи и размеров элементов сопрягающих сооружений.

А-А

       79.5

План

Рис. 9. Траншейный водосброс

1 – ремонтный затвор; 2 – основной  затвор; 3 – ось плотины; 4 – сбросная часть

Шахтные водосбросы

Шахтные водосбросы состоят из поверхностного водослива, вертикальной или слегка наклонной шахты и водоотводящего тракта (рис.4 с.372). Шахта водосброса имеет круглое поперечное сечение и обычно  размещена в скальной выработке, лишь иногда она выполняется в виде башни (при неблагоприятных условиях). В качестве водоотводящего тракта, как правило, используется строительный тоннель или галерея, с которой сопрягают шахту. Они применяются в средне- или высоконапорных гидроузлах, возводимых на скальных основаниях со сбросными расходами до 5000 м3/с.

По условиям работы шахтные водосбросы подразделяются на регулируемые (с затворами) и автоматического действия. Нерегулируемые водосбросы применяются только при малых расходах и напорах до 2 м, в основном при форсировке уровня.

По форме гребня в плане – на кольцевые (полные и неполные) и лепестковые. Кольцевые водосбросы выполняются обычно практического профиля или с широким порогом, наклоненным в сторону воронки под углом 6-9°.Ширина гребня определяется размерами водосброса и типом затвора, если они предусматриваются и назначают в пределах 3,5Н<B<(0,4 – 0,5)R, где Н – напор на гребне, а R – радиус воронки. Сливная часть воронки плавно сопрягается с шахтой с помощью сужающегося книзу переходного участка. Степень сужения задают из условия недопущения разрыва сплошности потока. Диаметр отводящего туннеля выбирают из условия обеспечения нормальной работы сооружения как в период его эксплуатации, так и при пропуске строительного расхода.

Лепестковые водосливы имеют сбросной фронт в 2-2,5 раза больше кольцевого водослива того же размера и позволяют пропускать тот же расход при значительно меньшем уровне воды в нижнем бьефе.

Туннельные водосбросы

Они состоят из водоприемника и водосброса, выполняющего роль водоотводящего тракта.

Туннельные водосбросы применяются на средне- и высоконапорных гидроузлах, возводимых на скальных породах.

По высотному положению водоприемника  подразделяются: с глубинным и поверхностным водоприемниками. Последние используются только для пропуска эксплуатационных расходов, а первые могут выполнять роль водоспусков для опорожнения водохранилища или для попусков воды в нижний бьеф, а в начале строительства для пропуска строительных расходов.  Глубина погружения под уровень оголовка глубинного водосброса определяется напором, при котором можно управлять его затворами (рис. 10).

а)

Рис. 10. Туннельный водосброс с траншейным водоприемником

а – план и продольный разрез водосброса; б – водослив с носками на сливной грани

Водоприемник с поверхностным водозабором выполняется в виде фронтального водослива практического профиля или с широким порогом. Туннельные водосбросы с поверхностным водоприемником проектируются обычно в безнапорном режиме по всей длине водоотводящего тракта. В водосбросах с глубинным водоприемником режим потока может быть напорным и безнапорным, что зависит от расположения регулирующих затворов. При расположении затворов в начале туннеля режим движения потока за затвором – безнапорный, а перед затворами – напорный. При расположении затворов в конце туннеля режим движения напорный по всему водосбросу. Расход, который можно пропустить по одной нитке туннеля, равен 5000-6000 м3/с. Гашение энергии потока осуществляется чаще всего отбросом струи от выхода из туннеля.

Сифонные водосбросы

Сифонные водосбросы представляют собой трубчатый водосброс автоматического действия, используемого для сброса воды из в/б в нижний. Он представляет собой трубу, проложенную в верхней части бетонной водосливной плотины практического профиля переменного сечения. Вход в сифон в 1,5- 2 раза больше сечения трубы над гребнем (рис. 11) и его  верхняя кромка погружена под уровень воды. В нижней части трубы расположено устройство для пресечения попадания воздуха в трубу в виде трамплина или водяной пробки. Сифон включается автоматически при превышении отметки НПУ на 20-30 см. (гребень водослива на отметке НПУ) и выключается при поступлении воздуха из входного отверстия.

Рис. 11. Сифонный водосброс

а, б – сифон с подтопленным входом; в – сифон с носком для создания водяной завесы; г – схема носка, отклоняющего поток; д – входная часть сифонного водосброса

Выбор типа водосброса

Тип водосброса выбирают с учетом: а) типа плотины и напора на ней; б) паводковых и строительных расходов; в) общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов; г) топографических, геологических и гидрогеологических условий; д) эксплуатационных условий; е) технико-экономических сопоставлений.

При прочих равных условиях при наличии грунтовой или каменно-набросной плотины лучше береговой водосброс, чем русловой, если не возникает проблем с пропуском строительных расходов. Береговой водосброс применяется при расходах до 5000 м3/с и малыми объемами на подводящий и отводящий тракт.

Траншейные и шахтные водосбросы целесообразно строить на скальных грунтах и крутых береговых склонах.

Сифонные водосбросы строят на малых водохранилищах с быстро наступающими паводками, но для пропуска льда и бревен дополнительно необходимы отверстия с затворами.

Шахтные, траншейные и сифонные с отводящей частью в виде туннелей применяют при расходах до 5000 м3/с.

Туннельные водосбросы применяют, когда туннель служит также для пропуска строительных расходов, и затем его входная часть отключается бетонной пробкой.

Водоспуски

Применяются в основном в гидроузлах с грунтовыми плотинами, типы и конструкции которых зависят от топографических и геологических условий и сбрасываемых расходов.

По расположению в гидроузле подразделяются: 1) в теле грунтовой плотины; 2) береговые (вне тела грунтовой плотины). К первым относятся трубчатые водоспуски, ко вторым – туннельные или открытые водоспуски, которые применяются очень редко и при малых напорах.

Трубчатые водоспуски применяются в плотинах из грунтовых материалов малой и средней высоты, выполненных из одной или двух ниток труб, снабженных затворами  и устройствами для приема воды и управления затворами  в виде башни или камеры. Башенные водоспуски применяются чаще, как более надежные (рис. 12). Трубы водоспусков изготовляются из ж/б и очень редко из металла.

 

 

 

 

Рис. 12. Трубчатый железобетонный водовыпуск башенного типа

1 – железобетонная труба; 2 –  башня; 3 – грунтовая плотина

Строительные расходы пропускаются полным сечением с временными затворами в головной части, которые заделывают бетонной пробкой. Подходные каналы к водовыпускам выполняют в виде каналов с креплениями, рассчитанных на пропуск строительных расходов. Башня выполняется круглой, размер которой зависит от диаметра трубопроводов, но не менее 2-3 м. При наличии в основании слабых грунтов галерею разрезают по длине швами на отдельные секции не более 10-15 м, а на прочных основаниях ограничиваются устройством усадочных швов через 10-15 м, которые после усадки заделываются.

Выходную часть выполняют в виде водобойного колодца и переходного участка от галереи к трапецеидальному каналу, на скальных грунтах можно ограничиться отбросом струи.

На выбор типа водоспуска существенное влияние оказывает характер основания и при слабых основаниях устраивают трубчатый водоспуск с трубами, прокладываемыми в этих галереях. Галерею сначала используют для пропуска строительного расхода.

Укладка труб водоспуска непосредственно в грунт допускается только для скального основания или плотного малодеформируемого нескального грунта.

В гидроузлах средних и малых напоров с грунтовыми плотинами устраивают водоспуски башенного типа как наиболее надежные. В высоконапорных гидроузлах предпочтение отдают безбашенным водоспускам.

Устройство нижнего бьефа

Рис. 13. Воронка размыва за плотиной

В н/б при пропуске воды через плотину получаем возле нее большие скорости, которые могут привести к размывам. В этом случае образуется большая воронка размыва, глубина которой может достигать hр = (2-3) H (рис. 13). На больших плотинах на скальных основаниях поток может разрушить и его, что может привести к разрушению самой плотины. Имея это в виду, н/б за плотиной покрывают надлежащим креплением. Чтобы уменьшить стоимость работ по укреплению русла. за плотиной устраивают различного типа гасители энергии, при помощи которых уменьшают кинетическую энергию, чем уменьшают размывающую скорость потока. Устройство креплений в нижнем бьефе требует больших затрат и поэтому приходится обращать особое внимание на проектирование  креплений н/б, расчет которых проверяется на лабораторных моделях. Чаще всего проектирование н/б осложняется рядом обстоятельств, которые сопровождаются сбросом воды и затрудняют теоретические расчеты. Эти осложняющие обстоятельства следующие: