Водосбросное сооружение

4. Водосбросное сооружение.

В составе низко- и средненапорных гидроузлов с земляной плотиной могут устраиваться открытые и закрытые (трубчатые) водосбросные сооружения.

Открытые водосбросные сооружения могут располагаться в теле земляной плотины (это водосбросные плотины, которые здесь не рассматриваются, т.к. они являются предметом второго курсового проекта по гидротехническим сооружениям) и вне теле плотин (на берегу) - это береговые водосбросы.

Выбор типа водосбросного сооружения зависит от типа плотины и напора на ней, величины паводковых и строительных расходов, топографических, геологических и гидрологических условий района строительства, общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов и др., и осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов.

Береговые водосбросы применяются в составе гидроузлов низкого и среднего напоров с грунтовой плотиной при паводковых расходах, не превышающих 5000 м³/с. При тех же условиях и небольших паводковых расходах (до 100 м³/с, иногда больше), а также узких створах целесообразно применение трубчатых башенных водосбросов, т.к. они используются первоначально для пропуска строительных расходов, а в период эксплуатации они служат также и для смыва отложившихся наносов, и для опорожнения водохранилища.

Башенные водосбросы.

Башенные водосбросы (рис. 4.1а) состоят из: головной части (башни), одной или нескольких труб и концевого участка в виде водобойного колодца или носка-трамплина, который используется для отброса струи и применяется обычно в случае скального основания. Ось башенного водосброса трассируется по возможности перпендикулярно к оси плотины в русле или в пониженных местах поймы.

В башне размещаются ремонтные и рабочие затворы, перекрывающие входные сеченая труб, сороудерживающие решетки и механизмы для маневрирования ими, а также служебные помещения. Сечение башни в плане может быть круглым или прямоугольным. Размеры ее зависят от диаметра трубопроводов. Толщина стенок башни обычно уменьшается снизу вверх, но она не должна быть меньше 20 см.

Размещать башню можно в зоне подошвы верхового откоса плотины, в средней его части или у гребня плотины, но всегда она должна располагаться на прочном материковом грунте.

Трубы малого диаметра могут быть металлическими или железобетонными. Металлические трубопроводы чаще всего укладываются внутри железобетонных галерей, которые используются в период возведения гидроузла для пропуска строительных расходов.

Снаружи металлические трубопроводы покрываются антикоррозионным покрытием.

Трубы больших поперечных сечений выполняются из железобетона с круглыми, овальными или прямоугольными отверстиями. При устройстве нескольких труб они объединяются в общую многоочковую конструкцию. Внешние поверхности железобетонных труб делаются вертикальными .или наклонными, что целесообразнее с точки зрения сопряжения их с телом плотины. Трубы должны располагаться на плотном грунте основания на уровне подошвы плотины или ниже ее, в траншее. По длине трубы разрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной не более I0...15 м. Для предотвращения фильтрации воды через швы они уплотняются шпонками, а для борьбы с контактной фильтрацией воды вдоль трубы, в местах стыков секций устанавливаются противофильтрационные ребра (диафрагмы).

Подходной участок к башенному водосбросу выполняется в виде канала, рассчитанного на пропуск строительного расхода. Дно и откосы его крепятся каменной неброской или бетонными плитами в зависимости от скорости течения.

Пропускная способность напорных башенных водосбросов (Q) определяется по формуле:

Q = m w ,  (4.1)

где w - площадь выходного поперечного сечения трубы;

- коэффициент расхода;

g - ускорение свободного падения;

Н_q- действующий напор, принимаемый равным разности между расчетным уровнем воды в верхнем бьефе (НПУ) и центром тяжести выходного сечения трубы при незатопленном истечении, и разности НПУ и уровня нижнего бьефа, соответствующего пропуску расчетного расхода, - при затопленном выходном отверстии.

 Коэффициент расхода напорного башенного водосброса

m =  , (4.2)

где  - сумма коэффициентов сопротивлений местных и по длине.

 В глубинных водосбросах постоянного поперечного сечения, работающих в напорном режиме, надлежит учитывать следующие виды местных сопротивлений:

 - на вход (коэффициент сопротивления для прямоугольного входа x_вх  = 0,42, при криволинейном очертании ( по радиусу) - 0,10, для определения x_вх  других форм оголовков имеются специальные графики [10];

- в пазах плоских затворов при относительной ширине паза

b_п/ b <0,1 следует приниматьx_п = 0,05, при b_п/ b > 0,2 x_п = 0,1. Здесь b - ширина водосбросного отверстия на участке размещения затворов, b_п  - ширина паза. Для двух и более последовательно расположенных пазов затворов коэффициенты сопротивлений следует суммировать - на сороудерживающей решетке

x_р = b( )^4/3sin a (4.3)

где s - толщина стержня решетки;

b_c - величина просвета между стержнями;

b - коэффициент, зависящий от формы стержней ( при круглой форме стержней b = 1,79);

a - угол наклона решетки к горизонту.

Если глубинные водосбросы имеют повороты, сужение, расширение и т.д. коэффициент сопротивления для них определяется по [10].

Коэффициент сопротивления по длине

x_дл. = , (4.4)

где l - длина трубы;

R =  - гидравлический радиус;

c- смоченный параметр.

Для круглого сечения R = , где d - диаметр трубы.

С - коэффициент Шези, может быть определен по формуле Манинга

С = , (4.5)

где n - коэффициент шероховатости (для бетонной поверхности , он может быть принят равным 0,012 [10]).

Гидравлический расчет башенного водосброса выполняется в следующем порядке:

На поперечном разрезе земляной плотины выбирают местоположение башни и определяют длину трубы.

Задаются формой и размерами поперечного сечения трубы, ее продольным уклоном и по формуле Шези

Q_{тр. =} wс , (4.6)

находят пропускную способность одной трубы.

Здесь w - площадь живого сечения одной трубы;

С - коэффициент Шези;

R - гидравлический радиус;

J - уклон дна трубы.

Определяют необходимое количество труб для пропуска в безнапорном режиме строительного расхода

n = (4.7)

По зависимости (4.1) проверяют пропуск расчетного паводкового расхода через найденное ( по условиям пропуска строительного расхода) количество труб. Если принятого количества труб и их размеров оказывается недостаточно для пропуска расчетного паводкового расхода, то увеличивают либо размер поперечного сечения трубы, либо количество труб.

Береговые открытые водосбросы.

Открытые береговые водосбросы состоят из подводящего канала, головной части в виде водосливной плотины, регулирующей сбрасываемый расход, сопрягающего сооружения и отводящего канала. Иногда между водосливной плотиной и сопрягающим сооружением устраивается промежуточный канал. Ось водосбросного тракта стремятся трассировать перпендикулярно горизонталям по возможности прямолинейной, что дает минимальную его длину.

Трасса водосброса может быть криволинейной, она может проходить в пределах плеча плотины или вне ее.  

По выбранной трассе водосбросного тракта на миллиметровой бумаге в масштабе строится продольный профиль дневной поверхности. На профиль наносятся все элементы водосброса таким образом, чтобы основания всех сооружений располагались на прочном коренном грунте при минимальных объемах земляных работ по устройству котлованов под сооружения водосброса.

Подводящий канал должен обеспечивать плавный подвод воды к водосливу. В плане он обычно имеет криволинейное очертание. При больших глубинах канал может выполнятся с горизонтальным дном, а при малых глубинах - с обратным уклоном, что обеспечивает более равномерный и плавный вход в него воды. Поперечное сечение подводящего канала трапецеидальное с заложением откосов от 1,5 до 2,5 в нескальных грунтах и от 0,5 до вертикальных - в скальных. Если скорость потока в канале превышают допустимые по размыву, дно и откосы его укрепляются каменной наброской или бетонными плитами.

Головная часть представляет собой водосливную плотину с широким порогом прямолинейного очертания в плане. Водосливной фронт плотины делится быками на отдельные водосливные отверстия, перекрываемые рабочими и ремонтными затворами. Стандартные размеры водосливных отверстий приведены в табл.4.1.

Таблица 4.1

Пролет (ширина) отверстия, b, м	0,4 0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 3 3,5 4 4,5 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 30
Высота отверстия, H, м	0,6 0,8 1 1,25 1,5 1,75 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 10 11 12 13 14 15 16

Гидравлический расчет водосливной плотины с широким порогом состоит в определении размеров (ширины и высоты) водосливных отверстий, их количества и проверки пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий по формуле:

Q = s_n emnb (4.8)

где s_n - коэффициент подтопления водослива;

e- коэффициент бокового сжатия;

m - коэффициент расхода водослива;

H₀ - напор на водосливе с учетом скорости подхода;

g - ускорение свободного падения;

n - количество водосливных отверстий;

b - ширина водосливного отверстия.

В первом приближении принимают s_n = 1,0, e = 1,0 ,

m = 0,32...0,38 и H₀  = H. Величиной H задаются в пределах 2...5 м в соответствии со стандартными размерами отверстий (табл. 4.1).

Подставляя в формулу (4.8) ориентировочные значения s_, e, m и H определяют величину n.b. По найденной величине, в соответствии со стандартными размерами отверстий (табл. 4.1) и учитывая, что по условиям эксплуатации количество водосливных отверстий следует принимать не менее трех назначают ширину водосливного отверстия и их количество.

После определения высоты (H), ширины (b) и количества водосливных отверстий производится проверка пропускной способности проектируемой плотины.

Для этого необходимо уточнить значения H₀, m, e и s_n.

Напор с учетом скорости подхода определяется по зависимости

Н₀ = Н + , (4.9)

где g - ускорение силы тяжести, принимаемое равным 9,81 м²/с;

a - коэффициент Кориолиса, равный 1...1,1;

V₀ - скорость подхода, равная средней скорости в ВВ в сечении, отстоящем от напорной грани водослива на расстоянии (3...5) Н.

Если непосредственно за головной частью устраивается сопрягающее сооружение (быстроток, перепад и т.д.), то водосливная плотина с широким порогом будет неподтоплена и коэффициент подтопления s_n = 1.

Коэффициент бокового сжатия для водосливов с широким порогом рекомендуется определять по А.Р. Березинскому [10]

e = 1 - , (4.10)

где р - высота водослива;

a = 0,1 - при плавном очертании быков и устоев;

a = 0,19 - при их прямоугольном очертании;

 b - ширина водосливного отверстия;

 d - толщина бычка.

Толщина неразрезного бычка

d = d₀ + 2n, (4.11)

здесь d₀ ³ 0,8 м - толщина суженного пазами перешейка быка;

n =  - глубина паза рабочих затворов;

 m = ( ) b - ширина паза рабочих затворов.

В случае разрезного быка толщина его, вычисления по (4.11), увеличивается на 0,5...1,0м.

Формула (4.10) справедлива при

> 0, 2 и <3, при < 2 следует принимать  = 0,2 , а при > 3 - принимать  = 3.

Для водоемов с широким порогом при 2,5 £  £10 и

0 £  £ 3 коэффициент расхода определяется по А.Р.Березинскому [10]:

- при закругленном входном ребре

m = 0,36 + 0,01 (4.12)

- при прямоугольном входном ребре

m = 0,32 + 0,01 (4.13)

Уточнив таким образом все выше перечисленные параметры, производят проверку пропускной способности принятых размеров водосливных отверстий

Q = s_nmenb H₀^3/2³ Q_р.п. (4.14)

Если сопрягающее сооружения располагается непосредственно за водосливной плотиной (промежуточный канал отсутствует), то устройство для гашения кинетической энергии сбрасываемого потока не устраивается. При наличии промежуточного канала необходимо выполнить расчет сопряжения бьефов (за бытовую глубину в НБ водослива принимается расчетная глубина воды в канале) и предусмотреть устройства для гашения энергии сбрасываемого потока.

Промежуточный канал проектируется в том случае, когда продольный профиль дневной поверхности по оси водосбросного тракта имеет небольшой уклон и устройство сопрягающего сооружения непосредственно за водосливом ведет к резкому увеличению объемов земляных работ в котлованах сооружений. Уклон дна канала принимается меньше критического, расчет выполняется по формулам равномерного движения воды. Поперечное сечение промежуточного канала трапецеидальное, дно и откосы которого могут крепиться каменной неброской или бетонными плитами в зависимости от скорости потока и геологических условий.

Сопрягающее сооружение в береговых открытых водосбросах низко- и cредненапорных гидроузлов устраиваются в виде быстротоков, быстротоков с усиленной шероховатостью, консольных перепадов и многоступенчатых перепадов.

4.2.1. Быстроток выполняется в виде бетонного или железобетонного лотка с прямоугольным, трапецеидальным или полигональным поперечным сечением (рис. 4.1б). Уклон дна быстротока принимается всегда больше критического и наиболее часто задается в пределах 0,05...0,25. Ширина быстротока может быть постоянной или переменной, что обуславливается как условиями гашения энергии в нижнем бьефе, так и возможностью некоторого сокращения объемов работ.

В быстротоках небольшой ширины на нескальном основании стенки и днища представляют собой монолитную неразрезную конструкцию докового типа. В широких быстротоках боковые стенки отрезаются от днища деформационными швами. Толщина днища принимается 0,3... 0,8 м, стенки и днище по длине лотка разрезаются деформационными швами через 20...25 м.

В прочных скальных породах бетонная облицовка не устраивается, а в слабых скальных и полускальных породах дно и откосы быстротока покрываются заанкеренной бетонной облицовкой толщиной 0,2... 0,3 м .

В плане быстротокам необходимо придавать прямолинейное очертание, но иногда для уменьшения объемов строительных работ устpaивают быстротоки с виражом. На криволинейном участке дну быстротока придается поперечный уклон, вогнутая боковая стенка его делается большей высоты, чем выпуклая.

В быстротоках большой ширины, а также на криволинейных участках без поперечного уклона дна, для обеспечения устойчивости потока в поперечном направлении устраивают продольные раздельные стенки.

При высоком положении уровней фильтрационного потока по трассе быстротока устраивается дренаж под днищем и за боковыми стенками. Чаще всего применяется трубчатый дренаж.

Превышение боковых стенок быстротока над уровнем воды в нем (кривая свободной поверхности воды в быстротоке устанавливается гидравлическим расчетом) принимается по табл. 4.2.

Таблица 4.2

Расход в быстротоке, м3/с	1	1…10	10…30	30…50	50…100
Превышение боковых стен над уровнем воды, см	20	30	40	50	60

Гидравлический расчет быстротока при заданных параметрах поперечного сечения, длины и уклона дна заключается в построении кривой свободной поверхности потока и определении максимального значения его скорости, а также расчете сопряжения бьефов и выполняется в следующем порядке:

Глубина воды на входе в быстроток (h₁) принимается равной критической глубине

h₁ = h_кр = , (4.15)

где a = 1...1,1;

Q - расход в быстротоке;

b_б  - ширина быстротока.