4. ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПЛОТИНАХ ИЗ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4. ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПРИ ПЛОТИНАХ
ИЗ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
4.1. Назначение и классификация водопропускных сооружений
Гидротехнические сооружения любого назначения, пропускающие
через себя воду, принято называть водопропускными.
Эти сооружения различны по своему назначению, местоположению
в плане, по высоте и имеют конструктивные особенности, (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Сооружения при плотине из местных материалов:
а – план плотины; б – продольный разрез по оси плотины; в – план водосбросного
тракта; 1 – плотина; 2 – водосбросной тракт; 3 – водозаборное сооружение (водозабор);
4 – магистральный канал; 5 – водоспуск; 6 – подводящий канал; 7 – шлюз-регулятор;
8 – сбросной канал; 9 – сопрягающее сооружение; 10 – отводящий канал; 11 – русло
водотока.
В состав гидроузла может входить одно или несколько
водопропускных сооружений, которые классифицируют по ряду
признаков.
По водохозяйственному назначению водопропускные сооружения
делят на водосбросы, водоспуски, водозаборы, сооружения
комплексного назначения (водосбросы-водоспуски, водосбросыводозаборы и т.п.), водосливные плотины, водовыпуски.
По гидравлическому режиму работы водопропускные сооружения
могут быть напорными, безнапорными, напорно-безнапорными
(полунапорными).
По режиму эксплуатации водопропускные сооружения бывают
автоматического действия и управляемые (с затворами). В отдельных
случаях применяют водосбросы полуавтоматического действия,
361
которые обеспечивают пропуск части сбросного расхода в
автоматическом режиме, а часть расхода пропускают через отверстия,
перекрываемые затворами.
По конструктивному признаку различают водопропускные
сооружения закрытые (трубчатые), открытые (лотковые), сборные,
монолитные и комбинированные.
По месту расположения в составе гидроузла водопропускные
сооружения делят на береговые, русловые, пойменные.
По расположению водоприемного отверстия относительно уровня
ВБ водопропускные сооружения классифицируют на поверхностные,
глубинные и донные.
4.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)
4.2.1. Общие сведения
Условия применения. В водохранилищных гидроузлах объем
водохранилища в большинстве случаев не вмещает поверхностный
сток, поступающий с водосборной площади. После наполнения
водохранилища до отметки НПУ излишек воды пропускается или, как
говорят, сбрасывается в нижний бьеф плотины, а возможно, и в
гидрографическую сеть, если для этого есть благоприятные условия.
Сброс воды чаще осуществляется при форсированном уровне воды в
водохранилище, но в некоторых случаях он может происходить и при
НПУ.
Типы водосбросов. Под водосбросами при плотинах из местных
материалов понимают комплекс сооружений, задача которых –
обеспечить беспрепятственный пропуск расчетных максимальных
расходов воды из верхнего бьефа в нижний. Путь, оборудованный
сооружениями, по которому происходит сброс излишков воды из
водохранилища в нижний бьеф плотины, называют водосбросным
трактом.
Взаимное расположение сооружений на водосбросном трате может
быть самое различное, но при этом ставится условие – не допускать
подмыва водой плотины и других сооружений гидроузла.
В зависимости от высотного расположения сооружений на
водосбросном тракте и их водных устройств относительно НПУ
различают водосбросы поверхностные и глубинные. К поверхностным
относятся водосбросы, уровень воды в которых во входной части
соприкасается атмосферой, а отводящая часть может быть как
открытой, так и заглубленной в грунт (ниже поверхности земли). В
глубинных водосбросах входная часть расположена под уровнем воды,
а отводящая – в толще грунта. Кроме того, водосбросы
подразделяются на управляемые, когда расходы и уровни воды
362
регулируются затворами, и неуправляемые, в которых сброс воды
происходит всякий раз, как только уровень воды в водохранилище
поднимается выше НПУ.
Каждой группе водосбросных сооружений дают название в
зависимости от конструкции головной (водосливной) части
сооружения. Так, например, водосбросы автоматического действия
подразделяют на: ковшовые (головная часть выполнена в виде ковша),
шахтные (головная часть – шахта), траншейные (сливная часть
выполнена в виде траншеи).
В управляемых водосбросах головными сооружениями чаще всего
являются шлюз-регулятор и редко водосливная плотина, водосливные
отверстия которых перекрываются затворами.
Основные части водосброса. В водосбросном сооружении можно
выделить четыре основные составные части: подводящая,
водоприемная или водосливная, сопрягающая и устройство
нижнего бьефа. Каждая часть существенно отличается своим
назначением, гидравлическим режимом и конструктивным решением.
Подводящая часть обеспечивает плавный подход воды к сливной
(головной) части водосброса, создает благоприятные условия для
нормальной эксплуатации всего сооружения.
Водосливная часть осуществляет прием паводковых вод из
водоема и отвод их в сопрягающую часть сооружения. Водосливная
часть является головной частью водосброса. На управляемых
водосбросах через головную часть прокладывают служебный и
проезжий мост, на ней устанавливают затворы, другое механическое
оборудование и т. д.
Сопрягающая часть соединяет водослив с устройством нижнего
бьефа. По ней вода скатывается с верхнего в нижний бьеф.
Особенности работы сооружений на водосбросном тракте. В
расчетном режиме, то есть с пропуском максимальных расходов
принятой обеспеченности, сооружения водосбросного тракта
работают редко. Они редко включаются в работу и в течение года.
Сброс воды из водохранилища во время весеннего половодья
длится несколько дней, а при дождевых паводках ливневого
характера – несколько часов. Водосбросные тракты должны
включаться в работу и обеспечивать пропуск любых расходов, не
превышающих максимальные расчетные, в любое время года, когда
запасы воды в водохранилище полезно не используются, а уровень
воды превышает расчетный.
Для водохранилищ на местном стоке возможны случаи, когда
объем поверхностного стока будет недостаточным для наполнения
водохранилища до расчетного уровня, и тогда водосброс работать
не будет. Это возможно в маловодные годы, когда к началу
половодья водохранилище полностью сработано.
363
Сооружения для пропуска строительных расходов. В период
возведения плотины расходы водотока пропускают через специальные
временные сооружения, выполняемые в виде труб или тоннелей.
Располагают их на низких отметках, близких к отметкам дна
водотока, и прокладывают в основании плотины или в обход ее. В
тех случаях, когда это возможно, эксплуатационные водопропускные
сооружения следует использовать для пропуска строительных
расходов.
При благоприятных топографически условиях строительные
расходы пропускают по обводному каналу.
Низкое расположение сооружений для пропуска строительных
расходов позволяет иметь перемычки небольшой высоты,
ограждающие котлован плотины от затопления. Такие перемычки
возводят в некотором удалении от подошвы плотины со стороны
верхнего и нижнего бьефов или включают их в состав тела
плотины.
Совмещение водосбросов с сооружениями другого назначения.
Считается рациональным водосбросы совмещать с другими
сооружениями гидроузла. Это дает экономию в затратах и облегчает
эксплуатацию их. Так, целесообразно водосбросы совмещать с
водовыпускными сооружениями, а также с сооружениями для пропуска
строительных расходов. Примером такого совмещения служит
шахтный водосброс (рис. 4.31, 4.36).
Расходы воды водосбросов. Расходы воды, подлежащие в
процессе эксплуатации пропуску через водосбросные сооружения
при плотинах из местных материалов, определяются исходя из
расчетного максимального расхода воды
водотока (реки) в
естественном
незарегулированном
состоянии
с
учетом
трансформации стока, вызванных хозяйственной деятельностью в
бассейне водотока (реки). Обеспеченность максимальных
расходов принимают в зависимости от класса сооружений (табл.
4.1).
Т а б л и ц а 4.1. Вероятность превышения расчетных максимальных
расходов воды
Расчетный
случай
Основной
Поверочный
Ежегодная вероятность превышения максимальных расходов
воды в зависимости от класса сооружения
I
II
III
IV
0,1
1
3
5
0,01
0,1
0,5
1
Пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного
случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном
подпорном уровне верхнего бьефа (НПУ): через эксплуатационные
364
водосбросбросные устройства при полном их открытии; через все
гидротурбины ГЭС; через все другие водопропускные сооружения
при нормальной их эксплуатации.
Пропуск расчетного расхода воды для поверочного расчетного
случая должен обеспечиваться при максимальном допустимом
(форсированном)
подпорном
уровне
(ФПУ)
всеми
водопропускными
сооружениями
гидроузла,
включая
эксплуатационные водосбросы, гидротурбины ГЭС, водозаборные
сооружения оросительных систем и систем водоснабжения,
судоходные шлюзы. рыбопропускные сооружения и резервные
водосбросы. В этом случае допускаются деформации русла и даже
частичное
разрушение
отдельных
частей
вспомогательных
сооружений без потери их общей устойчивости.
Для небольших водохранилищ при ограниченной водосборной
площади расчет водосбросов обычно ведут на расход от дождевых
паводков. Для водохранилищ с большими водосборными площадями
расчетные расходы будут от половодья.
4.2.2. Открытые
водосбросы
береговые
регулируемые
поверхностные
Состав сооружений водосбросного тракта. Открытые береговые
поверхностные водосбросные тракты располагают на берегах и
склонах долины в обход плеча плотины. В связи с этим они получили
название береговых водосбросов (рис. 4.1,а). Вода из водосбросных
трактов поступает в нижний бьеф гидроузла, а при благоприятных
топографических условиях может быть выпущена в соседний водоток
или в пониженные участки местности. Особенность поверхностных
водосбросов состоит в том, что входные участки их расположены
на высоких отметках.
В состав водосбросных трактов в общем случае входят следующие
сооружения: подводящий канал, регулирующее сооружение, сбросной
(соединительный) канал, сопрягающее сооружение, отводящий канал и
ледоудерживающие устройства. Однако не всегда в состав
водосбросного тракта входят все перечисленные сооружения. Нередко
отсутствует один из каналов, например подводящий или сбросной, но
возможно отсутствие и двух каналов.
Через сооружения водосбросного тракта обычно сброс льда из
водохранилища в нижний бьеф плотины не предусматривается.
Ледяной покров не имеет подвижек и тает на месте. Но по длине
подводящего канала, поскольку в нем имеются скорости, возможно
движение льда. Отдельные льдины также могут подойти к
водосбросным сооружениям в результате ветрового нагона. Для
недопущения льда на водосбросной тракт в начале подводящего канала
365
или перед шлюзом-регулятором ставят ледоудерживающие устройства,
через которые свободно проходит вода, но задерживаются лед и
другие плавающие тела.
Трасса водосбросного тракта. Под трассой понимают осевую
линию сооружений, проложенную на местности с разбивкой на ней
пикетажа. Она может быть как прямолинейной (рис.4.2,а), так и с
углами поворота (рис.4.2,б) и проходить в некотором удалении от
плеча плотины или частично врезаться в него. Для обеспечения
плавного движения потока воды на водосбросном тракте, когда трасса
имеет углы поворота, вписываются кривые с радиусом не менее
пятикратной ширины канала по урезу воды, т.е. R ≥ 5B.
Рис. 4.2. Трасса поверхностного водосбросного тракта:
а – прямолинейная; б – с углами поворота; в – разбивка кривой на трассе
При разбивке кривых, когда задан угол поворота β, вычисляют
тангенс по формуле:
β
(4.1)
T  Rtg
2
Следует иметь виду, что здесь тангенс Т не является
тригонометрической функцией, а определяется как длина отрезка
прямой от угла поворота до начала или конца кривой (рис. 4.2,в).
Определяют длину кривой
πRβ
(4.2)
l кр 
180
Зная тангенс и длину кривой, определяют пикеты начала и конца
кривой. Пример разбивки кривой на водосбросном тракте приведен на
рисунке 4.2,в [16].
На криволинейных участках трассы рекомендуется размещать
каналы, а другие сооружения водосбросного тракта относить на
прямолинейные участки. Размещение сооружений на криволинейных
участках трассы поведет к выполнению и криволинейных конструкций
в плане.
366
Продольный профиль по водосбросному тракту. Продольные
профили принято вычерчивать в разных масштабах – большем по
вертикальной оси и меньшем по горизонтальной. На профиле наряду с
отметками поверхности земли (черными отметками), расстояниями
между фиксированными точками (соседние точки с фиксированными
отметками поверхности земли на продольном профиле соединяют
прямыми линиями) и пикетами наносят также проектные отметки
сооружений (красные отметки), уклоны, план трассы с указанием
местоположения начала и конца кривых. На продольном профиле
приводят также грунты и физико-механические характеристики их.
Пример продольного профиля по водосбросному тракту приведен на
рисунке 5.3.
Рис. 4.3. Продольный профиль по поверхностному водосбросному тракту
Продольный профиль строят по оси трассы водосбросного тракта
по материалам геодезических съемок. При предварительном
проектировании его можно выполнить камерально, используя для
этого план с горизонталями.
367
Размещение сооружений на водосбросном тракте. Высотное
размещение всех сооружений на водосбросном тракте определяется
таким образом, чтобы иметь минимальные выемки, причем
допускается на отдельных участках выполнять частично насыпь.
Исходя из этого условия, выбирается и трасса. Каналы с
минимальными выемками или частично в насыпи легче очищать от
снега перед пропуском сбросных расходов, учитывая, что такую
очистку часто выполняют вручную.
Грунты из выемок водосбросных трактов рекомендуется
укладывать в тело плотины, если по физико-химическому составу они
пригодны для насыпи. Перемещение грунта из выемок в тело плотины
позволяет сократить затраты по гидроузлу, но при этом следует
учитывать, что глубокие выемки осложняют эксплуатацию
сооружения, особенно при пропуске расходов половодья.
Необходимо отметить, что при выборе трассы водосбросного
тракта исходят из следующих соображений: выемки на верхнем
участке трассы используются для насыпи плотины; выемки нижнего
участка трассы значительно удалены от плотины; дальняя возка грунта
здесь будет к тому же вверх, низинные грунты по строительным
качествам большей частью хуже, чем верховые, поэтому правильно
стремление к большим выемкам наверху и к минимальным внизу.
В целях лучшего использования выемки сбросного тракта как
карьера для плотины канал устраивают с большим наполнением; для
этого отметка дна сбросного канала понижается против отметки дна
порога шлюза на 2…4 м, и паводковый уровень в канале назначают
примерно на высоте hкр (или несколько ниже), устанавливающейся на
пороге шлюза. В таких случаях шлюз пропускает воду в условиях
свободного истечения, т.е. имеет наибольшую пропускную
способность и, следовательно, наименьшие размеры. Однако в этом
случае возможно появление прыжка в сбросном канале и возникает
необходимость в проектировании водобойных устройств за шлюзом.
Если на водосбросном тракте трудно разместить сооружения в
одном месте, допускается их рассредоточить, например вместо одного
сопрягающего сооружения выполнить два и больше. Пример такого
рассредоточенного расположения сооружений на водосбросном тракте
приведен на рис. 4.4.
368
Рис. 4.4. Примеры размещения сооружений на поверхностном водосбросном тракте:
1 – подводящий канал; 2 – шлюз-регулятор; 3 – сбросной канал; 4 – быстроток;
5 – перепад; 6 – консольный сброс; 7 – отводящий канал
Перед водосливом и за ним подводящий и соединительный каналы
должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 1,5В, где В –
ширина канала по урезу воды.
Входную часть подводящего канала во избежание вдольбереговых
течений следует удалять от плотины не менее чем на 20 – 40 м.
Выходная часть отводящего канала должна быть удалена от
плотины не менее чем на 50…100 м, чтобы при пропуске паводка не
возникала опасность подмыва низового откоса грунтовой плотины.
Особенности гидравлического расчета. Гидравлический расчет
открытых береговых регулируемых поверхностных водосбросов, в
общем случае, заключается в расчете подводящего канала, головного
сооружения (обычно шлюза-регулятора), соединительного (или
соединительных) канала, сопрягающего сооружения и отводящего
канала. В зависимости от высоты плотины, топографических и
геологических условий, величины расчетного расхода и др. состав
сооружений водосбросного тракта может отличаться.
Поперечные сечения каналов назначаются с таким расчетом,
чтобы при пропуске максимальных расходов воды скорость в них не
превышала допускаемой, а в подводящем канале имел место плавный
вход. С этой целью его делают расширяющимся в плане вверх по
течению и с обратным уклоном дна. При этом скорости течения
оказываются настолько малыми, что потерями напора в подводящем
канале пренебрегают и считают, что свободная поверхность в нем
горизонтальная и соответствует расчетному уровню воды в верхнем
бьефе.
Ширина соединительного и отводящего каналов постоянная, а
уклон дна положительный. В нескальных грунтах поперечное сечение
369
каналов обычно трапецеидальное. Заложение их откосов может быть
принято таким же, как и для обычных водопроводящих каналов.
Глубина воды в подводящем канале равна напору воды на водосливе
Н, если его гребень устраивается на уровне дна подводящего канала,
и сумме напора на водосливе и высоты его порога Р, если он
возвышается над дном подводящего канала.
Размеры поперечных сечений соединительного и отводящего
каналов определяются в соответствии с правилами проектирования
водопроводящих каналов при равномерном движении воды.
Уровень воды в соединительном канале чаще назначают так, чтобы
обеспечить неподтопленный режим работы водослива и создать
благоприятные условия для сопряжения бьефов за ним. Исходя из
этого, рекомендуется назначать следующие перепады Z на пороге
водослива: для водослива с широким порогом Z = 0,4Н; для водослива
практического профиля Z = H, где Н – известный напор на пороге
водослива. Глубиной воды на пороге головного сооружения (шлюза)
обычно задаются в пределах Н = 2…4 м, в зависимости от величины
расхода.
При больших расходах воды в соединительном канале может
образоваться кривая спада, увеличивающая скорость течения, что
может вызвать размыв канала. Для ликвидации кривой спада в
конце соединительного канала в некоторых случаях устраивают
порог, высота которого [21]:
(4.3)
Р  h н  Н,
где hн – глубина, соответствующая равномерному режиму потока
(нормальная глубина), м;
Н – напор на пороге, работающем как неподтопленный водослив
практического профиля, м.
Нормальная глубина канала hн определяется при гидравлическом
расчете канала, а напор на пороге в случае трапецеидального сечения
канала по формуле пропускной способности трапецеидального
водослива практического профиля
(4.4)
Q  m(b 0  0,8mк Н) 2gH30 2 ,
где m = 0,43 – коэффициент расхода для предварительных расчетов;
b0 – ширина порога по нормали к оси канала, м;
mк – заложение откосов канала;
(4.5)
Н 0  Н  υ к2 (2g) ;
υк – известная скорость течения в соединительном канале.
В формуле (4.4), два неизвестных члена; Н и b0. Поэтому Н
определяется подбором в такой последовательности: задаются высотой
Р; определяют Н =hн – Р; определяют b0=bк+mкР, где bк – ширина
канала по дну, м; по формуле (4.4) определяют Q.
370
Высота порога варьируется до тех пор, пока найденный расход не
будет равен расчетному максимальному расходу.
При прямоугольном сечении канала высота порога определяется
однозначно без подпора по соответствующей формуле прямоугольного
водослива. Однако такое сечение канала возможно либо в скальных
грунтах, либо при устройстве канала в виде бетонного лотка, когда
опасность размыва канала в результате образования кривой спада
невелика и от устройства порога можно отказаться.
Гидравлический расчет головного сооружения (шлюза-регулятора)
и сопрягающих сооружений приведены в разделе 2 и п.4.4.
Конструкция водосливов с входным порогом на уровне дна
подводящего канала аналогична конструкции открытых водоспусков,
которые иногда выполняют и роль береговых водосбросов.
Соответственно и методы их проектирования одинаковы (см. 3.4).
Следует отметить, как показывает опыт проектирования и
водохозяйственной эксплуатации прудов и малых водохранилищ
управляемые водосбросы низконапорных гидроузлов целесообразно
эксплуатировать в бытовой период в автоматическом режиме путем
перелива воды через верх затворов, тем самым проектируя небольшую
– до 0,3…0,5 м – форсировку уровня воды в верхнем бьефе.
Типовые технические решения открытых регулируемых
водосбросов при грунтовых плотинах. Белгипроводхоз разработал
технические решения открытых регулируемых водосбросов на
расходы воды от 50 до 700 м3/с с напором 4…12 м для прудов и малых
водохранилищ. При напорах до 6 м рекомендуются водосбросы со
сдвоенными колесными затворами (рис. 4.5). В зависимости от
сбросного расхода может быть предусмотрено устройство от одного до
четырех пролетов.
371
Рис. 4.5. Открытый регулируемый водосброс конструкции Белгипроводхоза
на напор до 6 м:
1 – входная часть; 2 – водобой; 3 – затвор; 4 – переезд; 5 – отводящий канал
При больших напорах Белгипроводхоз рекомендует двухъярусные
водосбросы (рис. 4.6) при возведении которых используют от 8 до 15
типоразмеров блоков. При напорах до 4 м применяют плоский
флютбет без поднятия водосливного оголовка. При напорах более 6 м
предусмотрено дополнительное гашение избыточной кинетической
энергии потока на решетчатой сливной плотине водосброса,
укладываемой на водосливе (рис. 4.7).
372
Рис. 4.6. Типовое решение открытого регулируемого двухъярусного водосброса:
1 – входная часть; 2 – головная часть; 3 – донное отверстие; 4 – поверхностное
отверстие; 5 – переезд; 6 – водобой; 7 – дренажные отверстия; 8 – крепленая часть
отводящего канала
Рис. 4.7. Водосливная плотина с решетчатым водосливом
373
Укргипроводхоз разработал технические решения регулируемых
водосбросов, рассчитанных на пропуск расходов от 100 до 400 м 3/с с
напором от 3,5 до 5,5 (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Регулируемый открытый водосброс конструкции Укргипроводхоза
на базе плоского затвора:
1 – входная часть; 2 – головная часть; 3 – лоток быстротока; 4 водобой;
5 – крепленая часть рисбермы
На небольших прудах глубиной до 5 м и перепадом отметок на
пороге головного сооружения и дна отводящего канала до 3 м можно
рекомендовать простые конструкции открытых регулируемых
водосбросов (рис. 4.9), разработанных Гидрорыбпроектом.
Варианты открытых регулируемых водосбросов, конструкции
Ленгипроводхоза, на расчетные расходы 20…50 м3/с при перепадах
5…15 м приведены на рисунках 4.10 и 4.11.
374
Рис. 4.9. Открытый регулируемый водосброс конструкции Гидрорыбпроекта на базе
сегментного затвора:
1 – входной оголовок; 2 – головная часть; 3 – водобой; 4 – рисберма;
5 – отводящий канал
Рис. 4.10. Регулируемый открытый водосброс на свайном основании:
1 – входная часть; 2 – затвор; 3 – переезд; 4 – быстроток; 5 – сваи
375
Рис. 4.11. Регулируемый открытый водосброс на грунтовом основании конструкции
Ленгипроводхоза:
1 – входная часть; 2 – затвор; 3 – трубчатый переезд; 4 – головная часть водосброса;
5 – быстроток; 6 – концевая часть; 7 дренажный колодец
Сооружения состоят из входного оголовка, лотка быстротока,
уложенного на свайное (рис. 4.10) или грунтовое основание (рис. 4.11),
и концевой площадки. Гашение энергии сбросного потока происходит
в воронке размыва. Если нет условий для устройства консольного
перепада, применяют гасители в виде водобойных колодцев. При
выборе варианта гасителей учитывают, что устройство их
экономически обосновано при расходах более 50 м3/с при прочих
равных условиях. Сбросные расходы на таких сооружениях
регулируют плоскими металлическими затворами, оборудованными
подъемниками с ручным или электрическим приводом.
На рисунках 4.12 и 4.13 представлены различные компоновочные
схемы гидроузлов с открытыми береговыми управляемыми
водосбросами.
376
Рис. 4.12. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым управляемым
водосбросом и водоспуском на одном берегу
377
Рис. 4.13. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым управляемым
водосбросом и водоспуском на разных берегах:
1 – водосброс; 2 – плотина; 3 – водоспуск; 4 – запань
378
4.2.3. Открытые нерегулируемые (автоматические) береговые
водосбросы
Водосбросы с фиксирующим порогом. На нерегулируемом
открытом поверхностном тракте отсутствует шлюз-регулятор. Такие
водосбросы включаются в работу автоматически, как только уровни
воды в водохранилище поднимаются выше НПУ. Автоматичность
работы водосброса обеспечивается фиксирующим порогом,
расположенным в подводящем канале на отметке НПУ.
Конструктивно он выполняется как водослив с подтопленным или
неподтопленным истечением. В последнем случае длина порога будет
меньше и дно канала за порогом располагается на более низких
отметках.
Необходимо отметить, что автоматические водосбросы имеют
некоторые преимущества перед управляемыми: при эксплуатации они
не требуют наблюдения за изменениями уровня воды в верхнем бьефе
и регулирования величины сбрасываемого расхода, т.е. за счет того,
что водосливной порог сбросного сооружения расположен на отметке
нормального подпорного уровня ВБ перелив воды происходит
автоматически при превышении уровня в водохранилище – уровня
порога.
Пропуск паводка сопровождается повышением верхнего бьефа
обычно в пределах величины форсировки равной 0,60…1,20 м.
Величина форсировки принимается на основании техникоэкономических расчетов (возможной дополнительной площади
затопления в ВБ, длины сливного фронта, увеличения высоты
грунтовой плотины, интенсивности паводка и др.)
Однако автоматические водосбросы имеют и недостатки – это
временное
дополнительное
затопление
прибрежной
полосы
водохранилища, также несколько увеличивается высота грунтовой
плотины.
Автоматические водосбросы экономичны, просты в устройстве и
эксплуатации, но требуют форсировки уровней в водохранилище. Для
устранения указанного недостатка прибегают к созданию развитой
водоприемной части, что в некоторых случаях трудно осуществимо
или требует значительных затрат. Имеющиеся конструктивные
решения таких водосбросов в основном различаются по конструкции
водоприемной части или входного оголовка. Выделяют сооружения с
боковым и фронтальным забором воды, с криволинейными,
полигональными, ковшовыми и траншейными входными оголовками.
Наиболее
эффективно
применение
таких
водосбросов
в
водохранилищах малой ширины.
Ковшовые (полигональные) открытые водосбросы. Ковшовые
водосливные оголовки у которых водосливной фронт выполнен в виде
379
ломанной или криволинейной линий иногда называют соответственно
полигональными или криволинейными водосливами (рис. 4.14).
Криволинейные или полигональные водосливы применяют с целью
уменьшения высоты слоя форсировки в верхнем бьефе. Применение
таких водосливов перспективно и экономически оправдано в широких
водохранилищах с мелководной поймой. На рисунке 4.15 представлен
открытый береговой водосброс с полигональным водосливом
конструкции Белгипроводхоза.
Рис. 4.14. Конструкции входной части открытых нерегулируемых водосбросов:
а – оголовок с полигональным водосливом; б – оголовок с криволинейным водосливом;
1 – входной оголовок; 2 – водосливной порог; 3 – переезд; 4 – ограждающие стенки
водоприемника
При трассировании водосброса по слабому основанию или через
тело плотины Ленгипроводхоз разработал вариант сооружения на
свайных опорах (рис. 4.16). Для данной конструкции водосброса
разработан вариант ее с водобойным колодцем (рис. 4.17.)
На рисунке 4.18 показана одна из конструкций Укргипроводхоза
открытого автоматического водосброса с ковшовым криволинейным
оголовком.
Ковшовые оголовки с полигональными и криволинейными
водосливами могут быть расположены в любой части плотины, но
380
лучший эффект достигается на водосбросах с выдвинутыми в
водохранилище оголовками.
Рис. 4.15. Открытый береговой водосброс с полигональным водосливным оголовком
конструкции Белгипроводхоза
381
Рис. 4.16. Автоматический открытый водосброс конструкции Ленгипроводхоза с
ковшовым водоприемным оголовком на свайном основании:
1 – водоприемный ковш; 2 – переходный участок; 3 – переезд; 4 – быстроточная часть
сооружения; 5 – концевая часть
Рис. 4.17. Автоматический водосброс конструкции Ленгипроводхоза с расширяющимся
водобоем:
1 – водоприемный ковш; 2 – переезд; 3 – лоток быстротока; 4 – водобой;
5 – крепленая часть отводящего канала
Рис. 4.18. Открытый нерегулируемый водосброс с ковшовым оголовком конструкции
Укргипроводхоза (одно из решений):
1 – входной оголовок; 2 – водоприемный ковш; 3 – переезд; 4 – лоток быстротока;
5 – водобой; 6 – крепленая часть отводящего канала; 7 – пролеты водосброса
382
На рис. 4.19 представлена одна из возможных компоновочных схем
гидроузла с ковшовым водосбросом [23].
Рис. 4.19. Гидроузел с грунтовой плотиной, открытым нерегулируемым (ковшовым)
водосбросом и водоспуском:
1 – водосброс; 2 – водоспуск; 3 – плотина; 4 – запань
Ниже будет приведена методика гидравлического расчета
ковшового водослива, (см. трубчато-ковшовый водосброс).
Траншейный водосброс (рис. 4.20). Это разновидность открытого
автоматического сбросного тракта, в состав которого входят боковой
383
водослив (с широким порогом, практического профиля) с отметкой
порога на НПУ, сборная траншея, к бровке которой примыкает водослив,
сбросной канал, сопрягающее сооружение, а за ним отводящий канал. В
плотинах с незначительной разностью уровней воды в бьефах возможно
дно траншеи расположить на отметке русла водотока, и тогда сопрягающее
сооружение исключается. При коротких водосбросных трактах
сопрягающее сооружение примыкает к концу траншеи, и тогда
отсутствует сбросной канал. Траншею размещают в верхнем бьефе
гидроузла и располагают вдоль уреза воды нормально (или близко к
этому) к продольной оси плотины, на расстоянии 20…40 м от плотины.
Рис. 4.20. Траншейный водосброс:
1 – траншея; 2 – сбросной канал; 3 – сопрягающее сооружение; 4 – отводящий канал;
5 – плотина; 6 – мост; 7 – водосливной порог
Траншейные водосбросы выгодно применять при небольших напорах
на водосливе, крутых склонах долины и больших сбросных расходах. Они
более экономичны в скальных породах, использовать их в нескальных
грунтах возможно, но при этом стоимость сооружений возрастает из-за
крепления водослива и траншеи; при крутых откосах в ней
приходится устраивать подпорные стенки.
Следует отметить, что ввиду малых удельных расходов на
водосливе длина сливного фронта траншейного водосброса имеет
значительную протяженность.
Гидравлический расчет траншейного водосброса сводится к
определению длины водосливного порога L и построению кривой
свободной
поверхности
воды
по
приближенному
методу,
предложенному проф. Е. А. Замариным. Расчет следует выполнять при
пропуске расходов Q; 0,5 Q и 0,25 Q.
384
Длину
водосливного
порога
определяют
по
формуле
неподтопленного или подтопленного водослива в зависимости от
характера сопряжения потока в нижнем бьефе.
Если hп ≥ nH0, то водослив подтопленный, если hп ≤ nH0, то
водослив неподтопленный, где hп – превышение уровня воды нижнего
бьефа над порогом водослива, м; n – коэффициент подтопления,
принимаемый от 0,75 до (0,83÷0,87);
При неподтопленном водосливе длину водосливного фронта
вычисляют по формуле
Q
(4.6)
L
,
m 2g H 3 2
где L – длина водосливного порога, м;
Q – расход, сбрасываемый через траншею, м3/с;
m – коэффициент расхода, принимаемый приближенно равным
0,36;
Н – напор на пороге водослива, м.
При подтопленном водосливе длину водосливного порога находят
по формуле
Q
(4.7)
L
,
h 2gz
где φ – коэффициент скорости;
h – глубина воды на пороге водослива в конце входного участка
(глубина подтопления), м;
z – разность уровне воды в водохранилище и в траншее, т.е. z = H-h.
Разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива
можно найти из зависимости
(4.8)
υ   2gz .
Глубину наполнения и средние уклоны на отдельных участках
траншеи определяют, задаваясь шириной траншеи по дну и средней
скоростью течения воды.
Пример 4.1. Рассчитать траншейный водосброс бетонной
конструкции при следующих исходных данных: расход, сбрасываемый
через траншею, Q = 136,0 м3/с; напор на пороге водослива Н = 1,0 м;
коэффициент заложения откоса m = 1,0; коэффициент шероховатости
n = = 0,025; υдоп = 3,0 м/с (рис. 4.21) [8].
По формуле (4.6) для незатопленного водослива с широким
порогом определяем длину водослива L, принимая значения
коэффициента расхода m = 0,36; L 
385
136,0
 100м.
0,36 2  9,81 1,03 2
Разбивая траншею на пять-шесть участков (рис.4.21), определяем
расстояние до рассматриваемых сечений: x1, x2, x3…xn. Находим
удельный расход q 
Q 136,0

 1,36 м3/с на 1 м. Зная удельный
L
100
расход, вычисляем расчетный расход на сечениях: Q1 = qx1; Q2 = qx2;
Q3 = q∙x3…, например, Q1 = 1,36∙20 = 27,2 м3/с. Задаемся средней
скоростью в начале траншеи υн = 1,5 м/с (на расстоянии l = 0,5 м от
начального сечения), а также средней скоростью в конце траншеи υк =
2,5 м/с.
Определяем средние скорости в сечениях: υ1 = υн+а(x1 – l); где а –
коэффициент пропорциональности, равный
а
υ к  υ н 2,5  1,5

 0,01, откуда
Ll
100  0,5
1  1,5  0,01(20  0,5)  1,69 м / с.
Зная средние скорости, определяем площадь живого сечения в
каждом сечении:
Q
27,2
Q
Q
 16,0м 2 ; ω2 =…
ω1  1 ; ω 2  2 ; ω3  3 ; и т.д. ω1 
υ
υ
1,69
υ1
2
3
При известных значениях площади живого сечения и
коэффициента заложения откоса определяем глубину из выражения
h1 
 b1  b12  4mω1
 b 2  b 22  4mω 2
и т.д.
; h2 
2m
2m
где b – ширина траншеи по дну, принимается линейно изменяющейся:
5 м; 8 м; 11 м…и т.д.
h1 
 5  52  4 116
2 1
 2,21м.
При известных Q1, Q2, Q3…, υ1, υ2, υ3…, h1, h2, h3…, b1, b2, b3 и n =
0,025 определяем для каждого сечения уклон:
2
2
υ2
1,69
υ 32 … и т.д.
υ12
i

;
i1 
 0,012.
i

;
2
3
2
2
2
C2R 2
41,7 2 1,42
C3 R 3
C1 R 1
Зная уклон и расстояние между сечениями, определяем потери
напора Δh1 = i1Δx1; Δh2 = i2Δx2; Δh3 = i3Δx3…и т. д. Δh1 = 0,0012∙20 =
= 0,024 м.
По известным h и Δh находят отметки свободной поверхности,
отметки дна траншеи и строят продольный профиль (рис. 4.21).
Результаты всех расчетов сведены в таблицу 4.1.
i1 
386
Т а б л и ц а 4.1. К примеру 4.1
№ п/п
1
2
3
4
5
x, м
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
Q, м3/с
27,2
54,4
81,6
108,8
136,0
υ, м/с
1,69
1,89
2,09
2,29
2,50
ω
16,0
28,7
39,0
47,4
54,4
№ п/п
R
n
C
i
1
2
3
4
5
1,42
1,80
2,06
2,16
2,18
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
41,7
44,0
45,2
48,5
48,8
0,0012
0,0010
0,0010
0,0010
0,0010
b, м
5,0
8,0
11,0
14,0
17,0
h, м
2,2
2,7
2,8
2,8
2,8
χ
11,2
15,9
18,9
21,9
24,9
П р о д о л ж е н и е т а б л. 4.1.
Отметки
Отметки
Δh, м
свободной
дна
поверхности траншеи
0,024
14,98
12,77
0,020
14,96
12,26
0,020
14,94
12,14
0,020
14,92
12,12
0,020
14,90
12,10
Рис. 4.21. Расчетная схема водосбросной траншеи
На рисунке 4.22 представлен гидроузел с траншейным
водосбросом, а на рис. 4.23 траншейный водосброс в прочных грунтах
конструкции Укргипроводхоза.
4.2.4. Закрытые автоматические водосбросы
387
Типы водосбросов. Составными частями таких водосбросов будут
входной оголовок и примыкающий к нему трубопровод,
укладываемый в грунт ниже дневной поверхности. В месте выхода
потока воды из трубы устраивают выходной оголовок, а за ним
водобойный колодец, воронку размыва или другой тип гасителя для
гашения кинетической энергии.
Рис. 4.22. Гидроузел с траншейным водосбросом
388
Рис. 4.23. Боковой траншейный водосброс конструкции Укргипроводхоза:
1 – водоприемная часть сооружения; 2 – переезд; 3 – быстроточная часть;
4 – водобой; 5 – отводящий канал; 6 – водосливная часть оголовка
С гидравлической стороны входная часть этих водосбросов может
быть как с неподтопленным, так и с подтопленным истечением,
причем лучше иметь неподтопленное истечение, так как длина
водосливного фронта в этом случае будет меньше.
К закрытым водосбросам автоматического действия относят
трубчато-ковшовые,
шахтные,
сифонные,
туннельные.
Из
перечисленных в Республике Беларусь применяют трубчато-ковшовые
и шахтные водосбросы БГВХ.
Трубчато-ковшовый водосброс. Входной оголовок выполняют в
виде ковша с забором воды по всему его периметру. Оголовок с
трубой соединяют переходным участком, обеспечивающим плавный
переход от прямоугольного сечения оголовка к круглому сечению
трубы. Кромку ковша иногда удлиняют, выполняя ее ломаной, тем
самым увеличивают водосливной фронт. Трубы применяют круглые
заводского
изготовления.
По
длине
трубы
ставят
противофильтрационные диафрагмы (рис. 4.24).
389
Рис. 4.24: А – трубчато-ковшовый водосброс; 1 – входная часть водосброса;
2 – ковш; 3 – напорные трубы; 4 – гаситель; б – график для определения
коэффициента подтопления п ; в – поперечное сечение труб по I-I
Гидравлический
расчет
трубчано-ковшового
водосброса
заключается в определении длины водослива, размеров поперечного
сечения труб и расчете нижнего бьефа.
Длину водослива, обеспечивающую нормальный режим работы
сооружения, находят по формуле
Q
(4.9)
L
,
σ п m 2g H 3 2
где σп – коэффициент подтопления, определяется по графику (рис.
4.24, в);
m – коэффициент расхода;
Н – напор на пороге водослива, м;
Коэффициент подтопления принимают в зависимости от
отношения h п , где hп – высота подтопления, м; Н0 – полный напор на
H0
пороге водослива с учетом скорости подхода, м.
Имея общую длину, устанавливают ширину торцовой и боковых
частей водослива. Ширина торцовой части должна быть равна или
больше продольного фронта трубы.
390
Задаваясь количеством труб и их размерами, определяют скорость
Q
2
υ  , где ω – площадь живого сечения потока в трубах, м .
ω
Полная потеря напора определяется по зависимости
h w  ζ
υ2
υ2
 ζ вх  ζ вых  ζ тр  ... ,
2g
2g
(4.10)
где ζвх – коэффициент сопротивления при входе;
ξвых – коэффициент сопротивления при выходе;
ζтр – коэффициент сопротивления на трение по длине труб.
Коэффициент сопротивления при входе в трубу принимают при
острых кромках ζ´вх = 0,5, при плавном входе 0,2, при весьма плавном
входе 0,05.
Коэффициент сопротивления при входе с учетом скорости в трубе
2
υ 
(4.11)
ζ вх  ζ 'вх  вх  ,
 υ 
где υвх – средняя скорость течения в сечении на входе, м/с;
υ – средняя скорость течения в данном сечении трубы, м/с.
Коэффициент сопротивления при выходе под уровень нижнего
бьефа
2
ζ вых
 ω 
 1  1  ,
 ω2 
(4.12)
8gl λl
 ;
C2d d
(4.13)
где ω1 – площадь живого сечения потока в трубе, м2;
ω2 – площадь живого сечения потока в водобойном колодце при
выходе, м2.
Коэффициент сопротивления на трение по длине труб равен:
для труб круглого поперечного сечения
ζ тр 
для труб прямоугольного поперечного сечения
h2
(4.14)
,
R4 3
где λ – коэффициент сопротивления по длине в трубах, определяется
по таблице 2.13;
l – длина трубы, м;
d – диаметр трубы, м.
Если полные потери напора в трубах примерно равны напору, то
сечение труб достаточно для пропуска расчетного расхода.
Для гашения энергии потока в конце трубы устраивают
водобойный колодец или водобойную стенку, или ковш (см. раздел 3).
ζ тр  2gl
391
Пример 4.2. Выполнить гидравлический расчет трубчато-ковшового водосброса при следующих данных: Q = 30,0 м3/с; Н = 1,0 м;
отметка уровня воды при сбросе паводковых вод 35,0 м; отметка
уровня воды в нижнем бьефе 27,5 м; уклон труб i = 0,1; коэффициент
шероховатости n = 0,014; длина труб l = 40,0 м [9].
Для создания более спокойного движения воды уровень воды в
ковше принимаем выше отметки порога водослива на величину hп =
= 0,2 м. Определяем отметку порога водослива: 35,0 – 1,0 = 34,0 м.
Отметка уровня воды в ковше, будет 34,0 + 0,2 = 34,2 м. Разность
уровней в ковше и нижнем бьефе составит 34,2 – 27,5 = 6,7 м.
Чтобы определить ширину водослива, находим отношение
h п 0,2

 0,2 и по графику (рис. 4.24,в) определяем коэффициент
Н 1,0
подтопления σп = 0,96.
Коэффициент расхода принимаем, как для трапецеидального
водослива m = 0,42. Полагая, что скорость подхода незначительна,
определяем длину водосброса
L
Q
30,0

 17,0м.
32
σ п m 2g H
0,96  0,42 2  9,81 1,03 2
Принимает ширину торцовой стенки 5,0 м, тогда длина двух
боковых стенок будет 17,0 – 5,0 = 12,0 м, а одной – 6,0 м.
Для сброса воды примем две трубы круглого сечения d = 1,5 м,
тогда площадь живого сечения потока в трубах ω1 = 3,54 м2.
Определяем скорость в трубах υ 
Q 30,0

 8,5м/с.
ω1 3,54
Вход в трубу делаем в виде раструба d = 2,0 м, площадь входного
раструба будет
πd 2 3,14  2 2

 3,14м 2 , а скорость на входе в трубы
4
4
30,0
 4,8м/с.
2  3,14
Зная скорости, определяем коэффициент потерь напора при входе
υ вх 
2
2
 4,8 
υ 
ζ вх  ζ 'вх  вх   0,2
  0,064.
 υ 
 8,5 
Приняв толщину стенок труб t = 0,2 м и расстояние между ними 0,7
м, найдем ширину входного фронта труб (1,5+0,4)∙2+0,7 = 4,5 м.
Примем ширину водобойного колодца 5,0 м и его глубину 1,8 м.
Площадь живого сечения потока в водобойном колодце будет ω 2 =
= 5,0∙1,8 = 9,0 м 2.
392
Зная площади живых сечений ω1 и ω2, определим коэффициент
сопротивления при выходе под уровень
2
2
  
 3,54 
 вых  1  1   1 
  0,36 .
9,0 

 2 
Определяем коэффициент сопротивления на трение в трубах
ζ тр 
λl 0,021  40,0

 2  1,12.
d
1,5
Коэффициент сопротивления на поворот принимаем ζпов = 0,12 =
= 0,2.
Определяем полные потери напора
2
υ2
ζ вх  ζ вых  ζ тр  ζ пов   8,5 0,064  0,36  1,12  0,2  6,45м.
2g
19,6
Общий напор z = 6,50 м примерно равен потере напора hω = 6,45 м,
значит, число труб и размеры их поперечного сечения приняты
правильно.
На рисунках 4.25 и 4.26 приведены закрытые автоматические
водосбросы конструкций соответственно Белгипроводхоза и
Союзгипроводхоза.
Рис. 4.25. Трубчатый водосброс с ковшовым оголовком (Белгипроводхоз)
393
Рис. 4.26. Ковшовый водосброс трубчатый (Союзгипромелиоводхоз)
Следует заметить, что при небольших расходах и в условиях,
допускающих воронки размыва в нижнем бьефе, сопряжение бьефов
на большинстве действующих водосбросов осуществлено по типу
отброшенной струи.
Одна из возможных компоновочных схем гидроузла с ковшовым
водосбросом приведена на рис. 4.27.
394
Рис. 4.27. Схема гидроузла с ковшовым водосбросом:
А – компоновка гидроузла; б – продольный разрез водосброса
395
Шахтный (башенный) водосброс. Такой водосброс состоит из
следующих основных частей: башни (шахты), водоотводящей трубы,
устройство нижнего бьефа и, при необходимости, водоспуска. Если
ствол шахты целиком выполнен (размещён) в грунте, то такой
водосброс называют шахтным. Шахтные водосбросы целесообразно
применять в скальных берегах, т.к. в этих случаях отпадает
необходимость в строительстве железобетонной шахты. Башня
обеспечивает автоматический сброс воды и поддерживает уровень в
верхнем бьефе в установленных водохозяйственным расчетом
пределах. При наличии водоспуска башня используется для установки
затворов, размещения оборудования и служебного мостика, из
которого осуществляется управление режимом работы водоспуска и
отводящего водовода. Шахтные водосбросы выполняют регулируемые
и нерегулируемые – автоматического действия. В регулируемых
водосбросах гребень кольцевого водослива располагают ниже НПУ, а
для поддерживания заданного уровня в водохранилищах применяют
затворы. Управляют затворами со служебных мостиков, которые
опирают на бычки, радиально расположенные по длине кольцевого
шахтного водослива.
В
нерегулируемых
шахтных
водосливах,
работающих
автоматически, кольцевые водосливы располагают на отметке НПУ.
Если ствол шахты расположен выше поверхности грунта, такой
водосброс называют башенным.
Башенные водосбросы строятся как в берегах, так и в теле плотины.
Башенный водосброс состоит из круглой или прямоугольной башни и
горизонтальной трубы круглого или прямоугольного поперечного
сечения. Вертикальная башня может быть каменной, бетонной и
железобетонной. Отводящая труба устраивается из железобетонных
труб, уложенных на бетонном основании. Верх башни должен быть на
отметке нормального подпорного уровня (НПУ) воды (рис. 4.28). При
повышении уровня вода переливается через стенки башни и отводится
по отводящей трубе в нижний бьеф. В конце отводящей трубы
устраивается сооружение для гашения энергии потока (водобойный
колодец, водобойная стенка, консольное устройство с воронкой
разлива (рис. 4.29) и др.), за которым расположен отводящий канал.
Вверху по периметру башни устанавливается металлическая решетка,
возвышающаяся над максимальным подпорным уровнем (ФПУ) воды.
Наличие крупноячеистой решетки предупреждает попадание в башню
различных плавающих предметов, а на рыбоводных прудах применяют
рыбозаградительные мелкие съемные решетки. Чаще башенные
(шахтные) водосбросы совмещают с водовыпусками (водоспусками),
тогда в нижней передней части башни устраивают отверстие,
перекрываемое щитом, управление которым осуществляется со
служебного мостика.
396
Рис. 4.28. Башенный (шахтный) водосброс с перепадом
397
Рис. 4.29. Консольный трубчатый тип
устройства нижнего бьефа трубчатого
водосброса
В зависимости от расположения башни (у подошвы верхового
откоса, примерно посредине откоса или в примыкании к бровке гребня
подошвы) к водоспускному отверстию башни может подходить канал
или водоспускная труба (рис 4.30 и рис 4.31).
Рис. 4.30. Башенный водосброс:
1 – башня; 2 – пазы для щитов; 3 – металлическая решетка; 4 – служебный мостик;
5 – муфты; 6 – отводящая труба; 7 – отводящий канал; 8 – водобойная стенка;
9 – бетонное основание; 10 – донное отверстие
Соединение трубы с башней осуществляют при помощи
температурно-осадочного шва (ТОШ), который обеспечивает
398
водонепроницаемость соединения и независимость деформации частей
сооружения.
При наличии донного водоспуска подводящую часть выполняют в
виде канала с нулевым или прямым уклоном. Перед входным
оголовком канал крепится железобетонными плитами от размыва
большими придонными скоростями. Для защиты водоспуска от
засорения на входе устраивают сорозащитный свайный ряд или
устанавливают решетки. Установка металлической решетки также
необходима, чтобы при выпуске воды из водохранилища не выходила
рыба. На участке водосбросного сооружения верховой откос плотины
крепят железобетонными плитами по слою песчаной подготовки
толщиной 0,7…0,8 hпр, где hпр – толщина возможного промерзания
откоса. Такое техническое решение необходимо для устранения
деформации крепления и образования трещин вблизи шахты при
возведении насыпи из пучинистых грунтов.
При расположении шахты в откосе насыпи желательно отсыпать
вокруг шахты специальную берму, которая
способствует
выравниванию скоростей подхода сбрасываемого потока и улучшает
режим работы и пропускную способность водослива башни или шахты
(рис. 4.31).
399
Рис. 4.31. Башенный водосброс (Белгипроводхоз)
Днище башни выполняют из монолитного железобетона. Его
толщина, жесткость, плановые размеры и масса башни и пригрузки
должны обеспечивать надежность конструкции динамическому и
взвешивающему воздействию потока. Следует отметить, что условие
устойчивости башни взвешивающему воздействию потока является
одним из основных, ограничивающих диапазон экономической
эффективности автоматических башенных водосбросов.
При расходах более 80…120 м3/с резко увеличивается сливной
периметр и объем башни. При этом возрастает величина
взвешивающей (выталкивающей) нагрузки, для восприятия которой
необходимо существенно увеличить массу башни и ее стоимость.
Башню располагают в пределах верхнего откоса, чаще в средней
части. При размещении башни у подошвы откоса улучшаются условия
для ее осмотра, уменьшается внешнее давление на оболочку, но
удлиняется эстакада и несколько ухудшаются условия ее работы
против всплытия.
В тех случаях, когда необходимо уменьшить слой форсировки
уровней, прибегают к устройству полигонального оголовка шахты
(рис. 4.32).
В случае необходимости повысить прочность башни, в ней
устанавливают внутреннюю разделительную стенку-диафрагму (рис.
4.33). В нижней ее части устраивают перепускные отверстия. Наличие
диафрагмы, перепускных отверстий и затворов позволяют уменьшить
нагрузку на затвор и улучшить режим работы водоотводящей трубы и
устройства нижнего бьефа.
Вода, поступившая в башню и донный водоспуск, вытекает в
нижний бьеф через водоотводящие трубы. Количество ниток и
поперечные размеры труб, так же как и водоспуска, принимаются на
основании гидравлического расчета. В типовых сооружениях
отводящие трубы устраивают из сборных унифицированных
железобетонных изделий круглого или прямоугольного профиля.
Наиболее
широко
применяют
сборные
трубы
диаметром
1,0;1,2;1,4;1,6;1,8 м. Трубы прямоугольного сечения делают из
унифицированных блоков B × h = 1,5 × 2 м, 2 × 2 м или панелей 3 × 2
м.
По длине водоотводящие трубы делят на секции температурноосадочными швами (ТОШ). Количество швов и их месторасположение
принимают с учетом длины блоков статической особенности
водосброса и поперечного сечения земельной насыпи (плотины), т.е. с
учетом неравномерности нагрузки на основание
и величины
деформации по длине водовода. При длине водовода до 30 м
количество ТОШ принимают не менее трех: на стыке с шахтой и в
створах (сечениях), взятых слева и справа от гребня насыпи (рис. 4.31).
399
Рис. 4.32. Полигональный шахтный оголовок водосброса-водоспуска:
1 – отверстие водоспуска; 2 – шахта; 3 – водовод; 4 – оголовок шахтного водосброса
Рис. 4.33. Шахтный водосброс совмещенный с водоспуском:
1 – водоспускное отверстие; 2 – диафрагма; 3 – затворы
400
Для снижения опасности развития контактной фильтрации по
длине водовода устраивают диафрагмы через 4…6 м из железобетона
или полимерной пленки. Размеры и местоположение диафрагм
определяют фильтрационным расчетом.
Водоотводящие трубы укладывают на бетонную подготовку с
нулевым уклоном оси или с уклоном i < iкр.
Наружные поверхности башни и труб оклеивают асфальтовыми
матами или другим видом оклеечной гидроизоляции, которая
повышает водонепроницаемость бетона и, следовательно, снижает
воздействие касательных сил морозного пучения на конструкцию.
Для снижения величины нормальных сил морозного пучения на
стенки башни и труб пучинистый грунт обратной засыпки заменяют
непучинистым, в крайнем случае слабопучинистом, например,
среднезернистым песком слоем 0,6…0,8 м. Для перехвата и отвода
фильтрационного потока в нижний бьеф в начале водобоя перед
выходным оголовком устраивают дренаж (рис. 4.31 и 4.34).
Рис. 4.34. Дренажное устройство башенного водосброса:
а – трубчатый дренаж в конце водовода перед выходным оголовком; б – ленточный
дренаж на водобое за выходным оголовком (см. рис. 4.31, р-з 3-3)
Перспективно совмещение в конструкциях трубчатых водосбросов
положительных особенностей сооружений с ковшовым и шахтным
401
оголовками. Одна из таких конструкций, показанная на рисунке 4.35,
обеспечивает как автоматический, так и регулируемый сброс расходов.
При проектировании водосбросов с шахтным оголовком
гидравлическими расчетами устанавливают периметр водосливной
части шахты, обеспечивающий пропуск расчетного расхода при
заданном слое форсировки уровней в водохранилище; размеры
водопроводящей трубы при заданном уровне воды в шахте или
необходимый напор при заданных размерах трубы, а также расчет
нижнего бьефа, т.е. параметры гидравлического прыжка и водобойных
устройств; размеры крепленой части рисбермы и воронки размыва на
ней.
Рис. 4.35. Трубчатый напорный водосброс-водоспуск с шахтным оголовком:
1 – затвор с подъемником; 2 – отверстие водоспуска; 3 – шахтный оголовок;
4 – эстакада; 5 напорная труба водосброса; 6 – водобой; 7 – отводящий канал
Если водосброс совмещен с водоспуском, то при соответствующем
расчетном расходе водоспуска определяют параметры трубы
водоспуска из условий напорного течения в ней, кривую свободной
поверхности воды в трубе водосброса, используя зависимости для
неравномерного движения потока, а также проверяют нижний бьеф,
т.к. в нижнем бьефе при расчетном расходе водоспуска очень малая
глубина.
При круглом поперечном сечении башни диаметр ее
d1 
Q
,
mπ 2g H 3 2
(4.15)
где m = 0,4 – коэффициент расхода для водослива с тонкой стенкой;
402
H – напор на гребне башни, равный разности отметок уровня воды
при расчетном расходе и нормального подпорного уровня, м,
т.е. H = ∆ ФПУ - ∆ НПУ
Если поперечное сечение башни прямоугольное, то ширина
(периметр) водослива определяется как для ковшового водосброса.
Площадь поперечного сечения отводящих труб
ω
Q
,
μ 2gz
(4.16)
где μ – коэффициент расхода трубы;
z – напор в трубе, м, который при подтопленном выходном
отверстии трубы равен разности отметок верха башни и
уровня воды в нижнем бьефе, при неподтопленном выходном
отверстии – разности отметок верха башни и оси отводящей
трубы.
Коэффициент расхода
μ
1
,
1  ζ вх  λl/(4R)
(4.17)
где ξвх – коэффициент сопротивления при входе;
λ – гидравлический коэффициент трения, принимаемый по табл.
3.13;
l – длина отводящей трубы, м.
На рисунке 4.36 показана схема гидроузла с шахтным водосбросомводоспуском.
Пример 4.3. Произвести гидравлический расчет башенного
водосброса: Q = 20 м3/с; напор на гребне башни Н = 0,8 м; высота
башни Н1 = 4 м. Отводящая труба железобетонная, с плавным входом
(рис. 4.30), для нее принимаем λ = 0,025 и ξвх = 0,2, l = 30 м. Выходное
отверстие трубы неподтопленное.
П о р я д о к р а с ч е т а. Диаметр башни по формуле (4.15)
d1 
20
 5,1 м.
0,40  3,14 2  9,81  0,83/2
Принимаем диаметр отводящей трубы d = 1,25 м. Напор в трубе
Z = 4 — 1,25/2 = 3,38 м.
Гидравлический радиус отводящей трубы
R = 1,25/4 = 0,31 м,
тогда по формуле (4.17) коэффициент расхода
μ
1
 0,75.
1  0,2  0,025  30/1,25
403
По формуле (4.16) вычисляем площадь живого сечения отводящих
труб
ω
20
 3,3 м 2 .
0,75 2  9,81  3.38
404
Рис. 4.36. Схема гидроузла с шахтным водосбросом-водоспуском:
а – план гидроузла; б – разрез по водосбросу
405
Принимаем три отводящие трубы. Площадь живого сечения одной
трубы
а диаметр
ω 3,3

 1,1 м 2 ,
3
3
d  4 1,1/3,14  1,25 м.
Общая ширина отводящих труб должна быть не больше
внутреннего диаметра башни. При толщине стенок труб 0,2 м общая
ширина трех труб
1,25·3 + 0,2·6 = 4,95 м,
что меньше диаметра башни, равного 5,1 м.
Гидравлический расчет нижнего бьефа см. в разделе 1.
Инженерными расчетами определяют необходимые размеры стен
шахты и ее армирование; размеры элементов шахты против всплытия;
параметры водобойной части как доковой конструкции. Статические
расчеты трубы показаны в нижеследующих примерах.
Пример 4.4. Выполнить расчет круглой сборной шахты на
всплытие при следующих данных: высота шахты Hш = 8 м, внутренний
диаметр шахты Dв = 7,6 м, наружный – Dн = 8,6 м, фундаментная плита
под шахтой имеет размеры 10×10×2,8 м, конструкция ее принята по
аналогии с ТП 820-222. Грунты в основании шахты суглинистые с
коэффициентом пластичности Iα < 0,5.
Предельное состояние наступает при условии
nc Np 
m
R,
kн
(4.18)
где nс – коэффициент сочетания нагрузок, принимаемый для основного
их сочетания по СНиП 2.06.01 — 86, в нашем случае nс = 1;
Np = nPг – расчетное значение подъемной силы;
n – коэффициент перегрузки, принимаемый по СНиП 2.06.01 – 86
(см. табл. 6.6);
Pг = Wγ – подъемное усилие;
W – объем шахты и фундаментной плиты, определяемый по
наружному контуру;
m – коэффициент условий работы, учитывающий совместную
работу основания и шахты, принимается в соответствии со
СНиП 2.02.01 – 83 в зависимости от грунта и параметров
шахты (табл. 6.7);
kн – коэффициент надежности, принимаемый в соответствии со
СНиП 2.06.01 – 86 для сооружений IV класса, kн = 1,1 (табл.
6.8);
406
R = k(Wбγж + Wпγб) – расчетное значение обобщенной несущей
способности сооружения;
k – коэффициент безопасности по материалу, определяемый по
СНиП 2.02.02 – 85;
Wб – объем бетона шахты;
γб – плотность бетона;
Wп – объем бетона в плите;
γж – плотность железобетона.
Данные расчетов по определению условия устойчивости шахты
против всплытия приведены в табличной форме:
nс
n
W, м3
γ, кН/м3
Pг, кН
Nр, кН
m
1
1
744,7
10
7447
7447
1,1
kн
1,1
k
0,95
Wб, м3
112
γж, кН/ м3
25
Wп, м3
280
γб, кН/ м3
24
R, кН
9039
В соответствии с этими данными имеем 1·7447 < (1,1/1,1)·9039.
Расчетное условие шахты против ее всплытия выполняется.
Пример 4.5. Выполнить расчет сбросной цилиндрической шахты
на сдвиг по неперевязанному сечению в период ее возведения.
Внешний диаметр шахты Dн = 11 м, внутренний – Dв = 10 м.
Рассматриваем наихудший расчетный случай при односторонней
засыпке кольца цилиндрической шахты единичной высоты, когда
бульдозер находится в зоне призмы обрушения.
На кольцо единичной высоты действует сдвигающая сила от массы
призмы обрушения грунта при его односторонней засыпке с учетом
дополнительной нагрузки от массы бульдозера. Препятствует сдвигу
сила от массы кольца шахты высотой 1 м с учетом такта с
предыдущим кольцом.
Среднее давление бульдозера на грунт определяем по зависимости
(4.19)
q  mg/(2b г l г ),
где m – масса бульдозера, кг;
g – ускорение свободного падения;
bг и lг – ширина и длина опорной поверхности гусеницы
бульдозера, м.
Среднее давление на грунт от бульдозера зависит от типа трактора
(ДТ-75М, ДТ-75МВ, Т-100, Т-150 и др.). В справочной литературе оно
приведено равным 46. . .51 кПа.
Влияние массы трактора на значение сдвигающей силы представим
в виде приведенного слоя грунта. Поскольку внешний диаметр шахты
Dн = 11 м и приведенный слой грунта от массы трактора необходимо
привести для этого участка, то с существенным запасом примем
407
среднее давление грунта от кратковременной нагрузки q =51/2 = 25,5
кПа.
Определяем приведенную высоту грунта
hпр = q/γг;
(4.20)
hпр = 25,5/18,0 = 1,42 м,
где γг – плотность грунта в соответствии со СН 227-82, принимаем
равным 18 кН/м3.
Давление грунта в расчетных сечениях определяем в соответствии
со СНиП 2.06.07-87
qА = nγг hпрtg2(45˚ - φ/2);
(4.21)
qА = 1,2·18·1,42 tg231˚= 11,05 кН/м2;
qВ = nγг (hпр + h)tg2(45˚ - φ/2);
qВ = 1,2·18·2,42 tg231˚ = 18,85 кН/м2.
Сдвигающая сила на кольцо цилиндрической шахты
qА  qВ
1D н ;
2
11,05  18,85
Т
1 11  164,43 кН.
2
Т
(4.22)
(4.23)
В соответствии с рекомендациями Гидропроекта коэффициент
запаса устойчивости определяем по зависимости
Кс = (fР + сF)/T,
где
(4.24)
с – расчетные параметры сопротивления сдвигу,
характеризующие прочность контакта сооружения с
основанием на срез f = 0,65. . .1,0; с = 200. . .500 кПа;
Р и Т – сумма проекций действующих сил соответственно к
плоскости сдвига и сдвигающих, кН;
F – расчетная площадь сдвига. В рассматриваемом случае
f
и
F
π 2
(D н  D в2 ),
4
где Dв – внутренний диаметр шахты.
Вес кольца шахты единичной высоты
Р = n2Gбnб;
(4.25)
Р = 1,05·25,2·13,2 = 349,3 кН,
где n2 – коэффициент перегрузки;
Gб – вес одного блока;
nб – число блоков в кольце.
Примем f = 0,65, с = 0, что идет в запас на устойчивость, тогда
408
Кс 
0,65  349,3  0  8,05
 1,38.
164,43
В соответствии со СНиП 2.02.02-85 расчет устойчивости следует
выполнять как для сооружения на скальном основании из условия
m
nc Np 
R,
kн
где Np и R – расчетные значения соответственно обобщенной
сдвигающей силы и силы предельного сопротивления,
кН;
nс, m, kн – коэффициенты сочетания нагрузок, условий работы и
надежности, для рассматриваемого случая nс = 1, m =1,
kн =1,1.
Для рассматриваемого случая в соответствии со СНиП 2.02.02-85
принимаем tgφ = 0,7, с = 100 кПа, Ен = 0, тогда R = Р·0,7 + 100F = 349,3
· 0,7 + 100 · 8,05 = 1049,4 кН. Окончательно получаем 1,0 ·164,43 ≤
(1/1,1) · 1049,54 = 954,13.
Расчеты показывают, что сооружение отвечает устойчивости на
сдвиг по неперевязанному сечению в период его возведения. Следует
отметить, что примеры 4.3…4.5 позаимствованы из [21, 23].
Специальными гидротехническими расчетами устанавливают
характеристики обратных фильтров и наброски камня в воронке
размыва; устойчивость основания сооружения; прочность материала
плотины и основания на воздействие фильтрационного потока.
Фильтрационный (гидротехнический) расчет изложен в главе 1.
4.2.5. Общие
сооружений
положения
проектирования
водосбросных
До
начала
проектирования
водосбросных
сооружений
рекомендуется ознакомиться с имеющимися публикациями по
проектированию и эксплуатации водосбросных сооружений.
При проектировании водосбросных сооружений необходимо
решить следующие задачи: в соответствии с классом водоподпорного
сооружения определить расчетную вероятность сброса расхода;
гидрологическими и водохозяйственными расчетами установить
значения расчетного сбросного расхода; наметить несколько
конкурирующих вариантов водосбросных сооружений, включающих
разные типы сооружений и различные трассы водосбросного тракта;
установить основные размеры сооружений по каждому из намеченных
вариантов; определить местоположение и размеры отдельных
сооружений с учетом рельефа местности и геологических условий; его
конструирование; по каждому из выбранных вариантов выполнить
уточняющие и окончательные проектные проработки, включая сметно409
финансовые расчеты; по результатам технико-экономического
сравнения вариантов выбрать основной вариант водосброса.
Расчетные
расходы
водосбросов.
При
проектировании
постоянных речных гидротехнических сооружений, расчетные
максимальные расходы воды определяют по СНиП 2.01.14 – 83 с
установлением их ежегодной вероятности превышения в зависимости
от класса сооружений для основного и поверочного случаев согласно
та6лаце 4.1.
Расчетный расход воды рекомендуется определять с учетом
трансформации части объема паводка в водохранилище. Тип, число и
размеры поперечного сечения водосбросных сооружений следует
выбирать исходя из пропуска расчетного расхода воды для основного
случая.
Выбор варианта водосброса. Один из наиболее ответственных
вопросов проектирования, вызывающих наибольшие затруднения –
выбор варианта из числа конкурирующих. Каждый из намечаемых
вариантов должен основываться на учете природных, гидрологических
и инженерно-геологических условий района строительства, а также
эксплуатации проектируемых сооружений.
Оптимальный вариант может быть принят на основе техникоэкономического сравнения различных вариантов. При техникоэкономическом сопоставлении вариантов водосбросов необходимо
учитывать стоимость не только собственно водосброса, но и
примыкающей к нему части плотины. Для уменьшения стоимости
водосбросных сооружений рекомендуется рассматривать возможность
устройства в составе водохранилищных узлов резервных водосбросов
с размываемыми грунтовыми вставками. Такие водосбросы повышают
надежность работы сооружения при пропуске расходов редкой
повторяемости и одновременно снижают стоимость строительства и
эксплуатации водосбросов.
При выборе варианта регулируемого или нерегулируемого
водосброса рекомендуется учитывать следующее:
нерегулируемые открытые водосбросы чаще всего экономически
целесообразны при расходах менее 100...200 м 3/с, устройстве плотни
малой
протяженности
и
сравнительно
больших
объемах
трансформации паводкового расхода между отметками НПУ и ФПУ;
автоматические водосбросы не требуют постоянного дежурства
обслуживающего персонала, обеспечивающего работу подъемного
оборудования затворов, что особенно важно в районах с внезапными и
значительными паводками; такое дежурство трудно организовать на
малых и удаленных от населенных мест объектах;
регулируемые водосбросы позволяют поддерживать расчетный
подпорный уровень воды в водохранилище и могут обеспечивать
сброс паводковых расходов без форсировки уровней, то есть без
410
дополнительного затопления прилегающей территории; такие
водосбросы на 10...15% дешевле нерегулируемых;
нерегулируемые водосбросы требуют устройства более высоких
плотин, могут иметь меньшие размеры в связи с уменьшением
вследствие трансформации расчетных паводковых расходов.
При выборе типа и конструкции водосброса необходимо
учитывать, что около 75% построенных в последние годы сооружений
для наиболее вероятных условий низконапорных водохранилищных
гидроузлов (перепад до 15 м, расход до 150 м 3/c) запроектированы по
типовым проектам. Наиболее перспективны проекты, базирующиеся
на применении унифицированных конструкции.
При выборе типа водосброса, открытый или закрытый (трубчатый)
следует отметить, что по сравнению с открытыми трубчатые
сооружения имеют ряд преимуществ. Применяя трубчатые водоводы,
можно сократить длину водосброса, проложив его трассу по
наикратчайшему пути. Отпадает необходимость строительства
специального сооружения – моста. Для проезда через створ трубчатого
водосброса используется земляная насыпь. Создается возможность
совместить водосброс с другими водопропускными сооружениями,
например, с водоспуском. Такое решение позволяет упростить состав и
компоновку гидроузла, снизить стоимость его строительства.
К недостаткам трубчатых водоводов следует отнести неудобство
технического осмотра и ремонта конструкций, сложность режима
движения потока. В процессе эксплуатации водосброса водовод может
работать в напорном, безнапорном или переходном режиме. При смене
режимов снижается пропускная способность трубы, создается
опасность развития пульсационных гидродинамических нагрузок,
возможна вибрация сооружения. Поэтому при выборе типа
конструкции и размеров трубчатого сопрягающего водовода
необходимо исходить из условия стабильного заданного режима
движения потока. Учитывая это условие, наклонные водоводы
(например, ковшовых водосбросов) проектируют чаще всего
безнапорными, а горизонтальные (например, шахтных водосбросов) –
напорными.
Выбор трассы водосбросного тракта. Тип, конструкция, а в
конечном итоге и стоимость водосброса зависят от положения трассы
водосбросного тракта. При выборе трассы рекомендуется учитывать
следующие соображения:
ось водосбросного тракта целесообразно трассировать по берегам
водотока и по возможности перпендикулярно горизонталям;
трасса водосброса должна быть по возможности прямолинейной и
иметь минимально возможную протяженность;
411
в случае криволинейной трассы водосброса необходимо
предусмотреть
специальные
конструктивные
мероприятия,
обеспечивающие устойчивость сооружения на поворотах;
в случае недостаточной прочности грунтов, слагающих берега
водотока,
при
соответствующем
обосновании
допускается
трассировать водосбросы в пределах плеч или тела плотины;
при трассировке водосбросного тракта предусматривают удаление
его, а особенно входной части, от плотины во избежание
нежелательного воздействия на нее потока; при этом необходимо
обеспечить равномерный подход потока к отверстиям водосброса и
безопасный для плотины отвод его в нижнем бьефе.
В конкретных условиях не может быть двух абсолютно одинаковых
компоновочных решений. Однако общность приведенных требовании
позволяет
при
реальном
проектировании
воспользоваться
накопленным опытом м примерами разработанных компоновок. При
выборе размещения различных типов сооружений в пределах тела или
плеч плотины можно учесть примеры, приведенные на рисунках
1.20...1.23.
При проектировании даже одного типа водосброса рекомендуется
рассматривать несколько возможных вариантов его размещения.
Конструирование и расчеты водосбросов. По каждому варианту
водосброса осуществляют общеконструктивные проработки по
рекомендациям,
приведенным
в
литературных
источниках.
Гидравлическими расчетами определяют основные размеры
сооружения, используя при этом рекомендации типовых проектов и
методики, приведенные в настоящем пособии и др. литературе.
По выбранной трассе водосбросного траста строят профиль
местности, на который наносят элементы водосброса, включая
подводящий и отводящий каналы, головное и сопрягающее
сооружения. Размеры подводящего канала должны обеспечивать
приемлемые гидравлические условия работы головного или
сопрягающего сооружения. Канал необходимо устраивать в виде
неглубокой выемки. Чаще всего он проходит по косогорным участкам,
поэтому следует предусмотреть мероприятия, обеспечивающие
устойчивость его откосов. В зависимости от условий местности
подводящие каналы могут быть короткими при размещении
водосбросов в пределах тела или плеч плотины и достаточно
протяженными при береговом их размещении.
Головное сооружение должно быть размещено в легкодоступном
месте. Необходимо предусмотреть подходы и подъезды к нему на
случай осмотра, обслуживания и ремонта. Сопрягающие сооружения
должны быть по возможности короткими. Их расчеты и
проектирование осуществляют по рекомендациям приведенным в
настоящем пособии.
412
Отводящие каналы проектируют в выемке; они должны
сопрягаться с руслом реки в нижнем бьефе. Расчет и проектирование
их выполняют в соответствии с рекомендациями 4.2.2.
На последующей стадии проектирования осуществляют все
необходимые конструктивные проработки элементов сооружения,
инженерные расчеты, составляют рабочие чертежи, устанавливают
объемы работ и сметную стоимость строительства, проводят техникоэкономическое сопоставление вариантов, выбирают основной вариант
и разрабатывают проект производства работ. Для уменьшения
проектных работ при сопоставлении вариантов рекомендуется
применять укрупненные показатели стоимости сооружений или их
элементов, а также сметы типовых проектов.
Привязка типовых проектов. Значительно сократить затраты
труда позволяет типовое проектирование. Основная задача
проектировщика в этом случае заключается в привязке типового
проекта к реальным условиям проектируемого объекта.
Для привязки проекта водосброса необходимо располагать
следующими данными: планом участка водотока в районе гидроузла в
горизонталях; отметками расчетных уровней воды в водохранилище
(НПУ и ФПУ); продольными и поперечными профилями по руслу
водотока в нижнем бьефе гидроузла; кривой связи расходов и уровней
воды в нижнем бьефе; батиграфической характеристикой
водохранилища; значением максимального расчетного сбросного
расхода водотока и расчетным гидрографом паводка; геологическим
строением основания и гидрогеологическими условиями в створе
плотины и по трассе водосбросного сооружения; проектом земляной
плотины; расчетной глубиной промерзания грунта.
При привязке типовых проектов или типовых проектных решений
проектирование включает следующие основные этапы в указанной
последовательности: выбор типа водосброса; выбор трассы
водосбросного тракта; проектирование профиля водосбросного тракта;
статические, гидравлические и фильтрационные расчеты сооружения;
корректировка типового проекта по материалам расчета; техникоэкономическое сравнение вариантов расчета и выбор наиболее
экономичного решения.
Привязку проекта производят в следующем порядке.
1. На плане участка гидроузла выбирают место расположения
водосбросного сооружения.
Плановое расположение водосброса должно отвечать следующим
условиям: сооружение может быть размещено на берегу, в плече или
теле земляной плотины, в зависимости от его конструктивного типа;
трассу сооружения следует назначать, возможно, короткой и
прямолинейной в плане.
413
Высотное
расположение
нерегулируемых
водосбросных
сооружений принимают исходя из следующих условий: входной порог
сооружения располагают на отметке нормального подпорного уровня
воды в водохранилище; отметку дна участка рисбермы из сборного
или монолитного железобетона назначают на уровне дна отводящего
канала или несколько выше его, но не более чем на 0,5 ... 1 м.
Высотное положение порога регулируемых водосбросов должно
обеспечивать сработку водохранилища до определенных отметок, если
для этого не предусмотрено устройство других сооружений; пропуск
расчетного максимального расхода при заданных отметках уровня
воды в водохранилище.
2. По максимальному расчетному расходу, в зависимости от
допустимого подъема ФПУ и НПУ, назначают напор на пороге
входного оголовка и определяют ширину водосливного фронта
сооружения.
3. Определяют перепад на сооружении при пропуске
максимального расчетного расхода.
4. Выбирают тип концевого участка водосброса на основании
топографических, гидрологических, геологических условии и
гидравлического расчета.
Основные положения по применению и привязке типовых проектов
приведены в каждом из них. В случае неполного соответствия условий
типового проекта реальным необходимо уточнить конструктивные
размеры сооружений, объемы проводимых работ, затраты
материально-технических и трудовых ресурсов, сметную стоимость
строительства.
В практике проектных организаций довольно часто при
проектировании новых водосбросных сооружений используют
чертежи выполненных ранее проектов, которые дополняют в
соответствии с новыми условиями строительства.
При проектировании следует использовать приемлемые типовые
сборные железобетонные конструкции. Это позволит сократить общее
количество типоразмеров и марок железобетонных конструкций,
ускорить внедрение их прогрессивных элементов, создать условия для
специализации предприятии и заводов сборного железобетона,
организовать централизованное изготовление опалубочных форм,
оснастки арматуры и закладных деталей, повысить индустриализацию
и сократить сроки строительства. Рекомендуется использовать также
разработанный Союзводпроектом общесоюзный каталог типовых
сборных железобетонных конструкций для водохозяйственного
строительства.
Статические
расчеты
железобетонных
конструкций
водосбросных сооружений следует проводить по предельным
414
состояниям на нагрузки, действующие в период строительства и
эксплуатации (CHиП 2.06.08 – 87).
При расчетах учитывают в основном следующие виды нагрузок и
их сочетаний: постоянные – вес конструкции, давление грунта,
гидростатическое давление и противодавление; кратковременные –
нагрузки от строительных механизмов, подвижных транспортных
нагрузок, равномерно распределенная нагрузки от толпы людей,
гидродинамическое давление водного потока па водобойный порог и
водобойную стенку,
Расчет с учетом временных нагрузок выполняют как в
строительных, так и в эксплуатационный период. Коэффициент
надежности нагрузки следует принимать в соответствии со СНиП
2.06.01 – 86. Учитывая то, что сооружения данного класса возводят в
основном из унифицированных железобетонных конструкции. расчет
заключается в проверке элементов на несущую способность в
указанные периоды.
Нижние бьефы водосбросов проектируют в виде концевых
консольных перепадов с гашением энергии в воронках размыва или
предусматривают устройство водобойных колодцев или стенок.
4.3. Водозаборные сооружения при плотинах
из местных материалов
4.3.1. Общие сведения
Понятие о водозаборах. Запасы воды создаваемые в
водохранилищах, используются для различных целей: орошения,
водоснабжения, рыбоводства, гидроэнергетики и других отраслей
народного хозяйства.
Сооружения, при помощи которых вода забирается из
водохранилища и подается в водоводы (чаще каналы) и дальше
транспортируется
потребителю,
называют
водозаборными
(водозаборами).
Водохранилища, используемые для культурных целей – катания на
лодках, купания и т. д., – водозаборных сооружений не имеют.
Существует два основных способа забора воды из водохранилища –
машинный подъем и самотечная подача. Ниже будут рассмотрены
только водозаборные сооружения для самотечной подачи воды в
каналы.
Открытые береговые водосбросы, и водозаборы целесообразно
размещать на разных берегах (рис. 4.1, а). Если же по местным
условиям это выполнить невозможно, в месте пересечения их
устраивают водопроводящее сооружение (рис. 4.37), размещая его на
канале, идущем от водозабора, так как расход его обычно меньше. При
415
двух водозаборах с подачей воды на каждый из берегов и
поверхностном береговом водосбросе устройство водопроводящего
сооружения неизбежно.
Закрытые водосбросы типа шахтных можно устраивать на одном
берегу с водозабором, так как пересечения их не происходит,
поскольку горизонтальный тоннель (труба) водосброса проходит по
низким отметкам.
Расходы водозаборных сооружений. Расходы водозабора
определяются назначением водозабора и изменяются в соответствии с
графиком водоподачи.
Рис. 4.37. Компоновочная схема при расположении водосброса и водозабора
на одном берегу:
1 – водосбросной тракт; 2 – магистральный канал; 3 – дюкер на канале;
4 – плотина; 5 – русло водотока
Расходы воды, подаваемые потребителю, включая и орошение,
меняются во времени. Изменение расходов, пропускаемых через
водозабор, происходит как в течение суток, так и по месяцам, а иногда
и по сезонам. Регулирование расходов в водозаборном сооружении
достигается маневрированием затворами. Оно также необходимо и при
постоянном расходе в связи с изменением напора, вызываемым
постепенным понижен воды в водохранилище.
Следует иметь в виду, что в большинстве случаев расходы
водозабора значительно меньше расходов водосбросного сооружения,
поэтому даже в самых благоприятных условиях водозаборное
416
сооружение затруднительно использовать для пропуска сбросных
расходов, а также расходов строительного периода, хотя, в некоторых
случаях это возможно.
4.3.2. Типы водозаборов
Условия применения. Тип водозаборного сооружения зависит от
высоты плотины и расхода, подаваемого потребителю. Исходя из этих
условий, различают водозаборы поверхностные и глубинные, по типу
напорных или безнапорных труб, башенные и безбашенные.
Поверхностный водозабор по типу шлюза-регулятора. В плотинах
высотой до 5 м целесообразно устраивать поверхностные водозаборы,
используя для них шлюзы-регуляторы. Такие водозаборы часто
применяют в прудовом рыбном хозяйстве для выпуска воды из
водохранилища в канал, питающий рыбоводные пруды различного
назначения.
Водозабор по типу шлюза-регулятора врезают в пределах плотины,
располагая подошву его на коренных породах. Особенность шлюзоврегуляторов здесь заключается в подходных и отводящих участках,
стенки
которых
выполняют
ныряющими
с
заложением,
соответствующим заложению откосов плотины. Водозабор можно
расположить и вне плотины, на берегу.
Водозабор по типу напорных труб с затвором на выходе (рис.
4.38). Водозабор такого типа применяют на небольших
водохранилищах (прудах) при расходах не свыше 0,3-0,5 м3/с.
Рис. 4.38. Водозабор с затвором на выходе напорной трубы:
1 – труба; 2 – диафрагма;3 – затвор; 4 – водобойный колодец; 5 – отводящий канал
Водозабор представляет собой трубу, уложенную под телом
плотины на материковый грунт. Чаще применяют металлические,
железобетонные, а также асбестоцементные трубы заводского
изготовления. Затвор типа задвижки размещают на выходном конце
трубы.
417
Водозабор работает в напорном режиме, для гашения энергии за
выходным сечением трубы устраивают водобойный колодец или
гаситель другого типа. По длине трубы устраивают несколько
диафрагм, препятствующих фильтрации воды по стыку грунта с
трубой.
Водозабор по типу безнапорных труб с затворами на входе (рис.
4.39). Установка затворов во входной части трубы улучшает
эксплуатацию водозабора. Гидравлический режим здесь может быть
задан и безнапорным, в связи, с чем уровень воды в канале за
водозабором
при заданном
УМО
несколько
повышается,
следовательно,
командование
над
орошаемой
площадью
увеличивается.
Расходы воды регулируют затворами, которые размещают во
входном оголовке водозабора. Управление затворами происходит со
служебного мостика, поддерживаемого стойками, опирающимися на
бетонный оголовок. Такие водозаборы применимы при сработке
уровня воды в водохранилище до 7 м.
Рис. 4.39. Водозабор по типу безнапорных труб:
1 – подводящий участок; 2 – бетонный оголовок; 3 – затвор; 4 – безнапорная труба;
5 – служебный мосток
418
Трубы водозабора укладывают на материковый грунт. При
повышенных расходах водозабора применяют две-три нитки труб с
общим входным и выходным оголовком. Гашение энергии происходит
чаще в водобойном колодце, вплотную примыкающем к выходному
оголовку.
Башенные
водозаборы
(рис.
4.40).
Это
наиболее
распространенные водозаборы в грунтовых плотинах IV и III классов.
Основные части башенного водозабора – это подходной участок в виде
напорного водовода (трубы) или открытого канала, башня, отводящий
безнапорный водовод, гасители энергии, служебный мостик,
надстройка над башней (шатер). Башня может занимать три
характерных положения (рис. 4.41): у подошвы верхового откоса,
примерно посредине его, и у бровки гребня плотины. Наряду с этим
она может быть и в любом промежуточном положении по отношению
к трем основным.
Рис. 4.40. Башенный водозабор:
1 – башня; 2 – затворы в башне; 3 – безнапорная труба; 4 – водобойный колодец;
5 – отводящий канал; 6 – служебный мостик; 7 – шатер – надстройка над башней
Рис. 4.41. Варианты расположения башни:
а – у подошвы верхового откоса; б – примерно посредине откоса;
419
в – в примыкании к бровке гребня плотины
При расположении башни у подошвы верхового откоса (рис. 4.41,
а) отсутствует подходной участок, вода может забираться из верхних
слоев водохранилища, менее насыщенных наносами. Для этого по
лицевой стенке башни устраивают окна и перекрывают их затворами
или стенку набирают из шандор. Вместе с тем при таком
расположении башни требуется длинный служебный мостик, башня
будет менее устойчива, так как она находится по всей высоте
подсиловым воздействием волн, льда и ветра.
При расположении башни у гребня плотины (рис. 4.41, в)
отсутствует служебный мостик, устойчивость башни повышается, но
появляется удлиненный напорный подходной участок, забор воды
может происходить только из нижних слоев водохранилища, наиболее
насыщенных взвешенными наносами.
Башня, установленная примерно на середине верхового откоса,
занимает промежуточное положение между указанными двумя. Эта
схема чаще всего и встречается в практике гидромелиоративного
строительства (рис. 4.41, б).
Башня предназначена для управления затворами. В ней ставят два
затвора: один перекрывает отверстие подходного участка и
предназначен для отключения башни в случае ремонта и осмотра, а
второй замещен на противоположной стенке башни и перекрывает
отверстие отводящего водовода, он используется для регулирования
расходов, подаваемых потребителю. В башенных водозаборах
применяют плоские затворы, пазы для них размещают в бетонных
приливах устраиваемых с внутренней стороны башни. Подвижная
часть затвора шарнирно соединена с металлической штангой,
обеспечивающей через лебедку подъем и опускание затвора. Штанга
по высоте имеет направляющие, заанкеренные в стенку, благодаря им
исключается продольный изгиб штанги. Сечение башни может быть
круглое, квадратное и прямоугольное.
Башня на уровне гребня плотины перекрывается плитой, при
плановых размерах башни больше 3-4 м применяют ребристое
перекрытие. Выше плиты над башней выполняют надстройку (шатер),
используемую как служебное помещение, в котором расположены
механизмы
управления
затворами.
В
плите
перекрытия
предусматривают люк, а по стенке башни ставят скобы для спуска к
затворам. Служебное помещение связано с гребнем плотины или
берегом служебным мостиком.
Отводящий водовод от башни чаще выполняют в виде трубы
прямоугольного сечения. При заборе из водохранилища больших
расходов воды применяют многоочковые трубы, причем каждое
отверстие перекрывают самостоятельным затвором, размещаемым в
420
башне. Режим потока в отводящем водоводе принимают безнапорным
при скорости 2-4 м/с. Высоту трубы по эксплуатационным условиям
задают не менее 1,4 м, а ширину не менее 0,8 м, если даже по расчету
для пропуска потока воды требуются меньшие размеры. За выходным
сечением трубы применяют устройства для гашения энергии, чаще
водобойный колодец.
Безбашенные водозаборы. С увеличением высоты плотин
переходят к безбашенным водозаборам (рис. 4.42), так как выполнять
и эксплуатировать башенные водозаборы становится трудно.
Составными частями безбашенных водозаборов служат: приемный
колодец, галерея, примыкающая к колодцу и отделенная от него
диафрагмой, камера управления и напорные водоводы, проложенные в
галерее.
Рис. 4.42. Безбашенный водозабор:
1 – приемный колодец, покрытый решеткой; 2 – камера управления с размещенными
в ней затворами; 3 – безнапорная труба; 4 – водобойный колодец; 5 – отводящий канал
Приемный колодец выполняют обычно прямоугольного сечения,
верх его располагают ниже НПУ. Вода поступает в колодец через
горизонтальные или вертикальные отверстия, защищенные грубой
решеткой. Входные участки напорных труб пропускают через
диафрагму – железобетонную водонепроницаемую стенку. Входные
отверстия труб располагают в колодце ниже решеток не менее чем на
0,5 м.
Камеры управления, в которых размешаются затворы и подъемные
механизмы, располагают обычно вблизи диафрагмы, но допускается
размещать их в любом месте по длине галереи. Вода из напорных труб
выпускается в водобойный колодец, где и происходит гашение
энергии.
При расположении камеры управления вблизи диафрагмы текущее
маневрирование затворами затруднительно, так как каждый раз
приходится спускаться в камеру на значительную глубину. Исходя из
эксплуатационных условий, целесообразно на выходном участке труб
перед водобойным колодцем дополнительно установить затворы для
текущего маневрирования.
421
Разновидностью безбашенных водозаборов будут тоннельные, в
которых приемная часть расположена на берегу водохранилища, а
отводящей частью служит тоннель. Затворы в тоннельных водозаборах
размещают в шахтах, верх которых расположен выше уровня воды в
водохранилище. Тоннельные водозаборы применяют в гидроузлах при
скальном основании.
Гидравлические расчеты. Расчет водозаборов с напорными
водоводами (рис. 4.38, 4.42) выполняют по формулам, применяемым
для напорных труб. При заданном расходе и известной минимальной
разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефах определяют
сечение трубы. Если же задан диаметр трубы, расчетом определяют
необходимую разность уровней для пропуска заданного расхода.
В башенных водозаборах применяют расчетную схему,
отвечающую безнапорному протеканию потока по всей длине
водовода (рис. 4.43), при этом поступление заданных расходов должно
обеспечиваться при УМО. Расчет сводится к определению потерь
напора на вход, в пределах башни, на выход из водобойного колодца
(используются формулы водосливов с подтопленным истечением) и по
длине водоводов (используется формула равномерного движения).
Отметка уровня воды в магистральном канале определится путем
вычитания всех потерь из отметки, отвечающей УМО. Иногда задают
отметку уровня воды в магистральном канале, тогда определяют
необходимую отметку УМО, при которой обеспечивается поступление
расчетных расходов.
422
Рис. 4.43. Конструкция башенного водозабора (а)
и схема к гидравлическому расчету (б):
1 – понур; 2 – грубая решетка; 3 – пазы для затворов; 4 – стенки башни;
5 – грязевик; 6 – труба водовыпуска; 7 – деформационные швы; 8 – рисберма;
9 – водобойный колодец; 10 – бетонная подготовка; 11 – выступы
При других уровнях воды в водохранилище, включая и НПУ,
выполняют проверочные расчеты, заключающиеся в определении
высоты открытия отверстия, частично перекрытого затвором
(используется формула истечения из-под затвора).
Пример 4.6. Выполнить гидравлический расчет башенного
водозабора (водовыпуска) для подачи воды в водоподводящий канал
рыбоводных прудов [8].
Расчетный расход Q = 2,0 м3/с. Этому расходу в канале
соответствует глубина h = 0,95 м. Средняя ширина канала bср = 1,9 м,
отметка дна 69,97 м. Труба состоит из двух участков: l1 = 8,0 м и l2 =
28,0 м. В конце трубы для успокоения потока устроен водобойный
колодец глубиной d = 0,3 м и длиной lкол = 4,5 м. Отметка НПУ 75,0 м
(рис. 5.43, а).
Гидравлический расчет водовыпуска сводится к определению
размеров трубы и условия сопряжения бьефов.
Работа водовыпуска при минимальном уровне. Размеры трубы
определяют из условия пропуска заданного расхода при минимальном
423
уровне воды в водохранилище, близком к уровню мертвого объема. В
этом случае движение воды через водовыпуск происходит, как в
безнапорной трубе, и расход вычисляется по формуле
(4.26)
Q  ε    b  h 2gz 0 ,
где  – коэффициент бокового сжатия (0,80,95);
 – коэффициент скорости (0,81,0);
b – ширина трубы;
h – глубина воды в трубе, принимаемая приближенно равной
глубине воды в отводящем канале;
z0 – потери напора в трубе водовыпуска (0,10,25 м).
Высоту трубы назначаем hтр = 1,4 м – минимальную по условиям
прохода при осмотрах и ремонте. При этой высоте движение воды
будет безнапорным, так как глубина воды в трубе, принимаемая
примерно равной глубине в канале, h = 0,95 < hтр = 1,4 м. Следует
отметить, что ширина труб также из условий прохода при осмотрах и
ремонте принимается не менее 0,8 м.
На свободной поверхности воды образуются три перепада z1, z2, z3,
выражающие гидравлические потери при входе в трубу в начале, при
переходе в трубу в башне и при входе воды в канал.
Зная бытовую глубину в канале h = 0,95 м при расходе Q = 2 м3/с и
ширину канала bср = 1,9 м, найдем перепад z3 из уравнения (4.26).
Приняв значение  = 0,95 и  = 0,9 и поставив значения величин в
формулу, получим 2,0 = 0,9  0,95  1,9  0,95  4,43 z 03 ;
z03  2 : 6,83  0,293; z03  0,086 м.
Скорость подхода приблизительно равна v 
03
и скоростной напор
2
 0,84 ì/ñ
1,90,95  0,3
2
v 03
: 2g  0,84 : 19,62  0,043 м , следовательно,
2
z3  z03  v03 : 2g  0,086  0,043  0,043 м ; тогда глубина воды в трубе h3 =
0,95 + 0,043  1,0 м.
Принимаем ширину прямоугольной трубы b = 1,5 м, определим
уклон трубы из формулы равномерного движения
Q
(4.27)
i
.
ωC R
Площадь живого сечения потока  = 1,5  1,0 = 1,5 м2;  = 1,5 + 1  2
= 3,5 м; гидравлический радиус R = 0,43 м. При коэффициенте
шероховатости n = 0,014 и R = 0,43 находим из таблиц С = 62,6.
Подставив
значения
величин
в
формулу,
получим:


424
i
2
1,5  62,6  0,43
 0,033,
i = 0,0011, тогда потери по длине
трубы составят  = il = 0,0011  36 = 0,04 м.
Перепад z2 при входе потока в трубу в башне можно определить
аналогичным путем, но, учитывая незначительность этих величин,
принимаем z2 = z3 = 0,04 м, тогда глубина воды в трубе будет h2 = 1,0 +
0,04 = 1,04 м.
Также находим z1, но здесь ширину подходного потока считаем b =
1,5 + 0,25 = 1,75 м, то есть к ширине трубы прибавляем толщину
стенки трубы. Тогда 2,0  0,9  0,95 1,75  4,43 z01 , z01  2 : 6,88  0,29;
z01 = 0,08 м.
Скорость подхода потока из водохранилища к отверстию трубы
мала и ее влиянием можно пренебречь, тогда z01 = z1 и глубина при
входе будет h1 = h2 + z1 = 1,04 + 0,08 = 1,12 м.
Обычно высота трубы определяется как h1 + (0,2…0,3) м и
принимается не менее 1,4 м. В данном примере принятая ранее высота
трубы равна 1,4 м, что удовлетворяет вышеприведенному требованию.
Общие потери напора составят z = h1 – h +  = 1,12 – 0,95 + 0,0011 
36 = 0,21 v < 0,25 м, то есть не выходят из обычных норм.
В результате расчета имеем следующие отметки: отметка уровня
воды в канале 69,97 + 0,95 = 70,92 м; отметка порога трубы в башне
69,97 + 0,0011  28 = 70,00 м; отметка порога в начале трубы 69,97 +
0,0011  36 = 70,01 м; отметка минимального уровня сработки 70,01 +
1,12 = 71,13 м.
Истечение из-под щита. Когда уровни воды в водохранилище
близки к НПУ, вода через трубу водовыпуска пропускается из-под
щита.
Определим, на какую высоту hщ нужно поднять затвор, чтобы
пропустить расход Q = 2,0 м3/с при отметке уровня воды в
водохранилище 75,0 (НПУ).
Высоту поднятия затвора найдем из уравнения истечения из-под
щита
(4.28)
Q  εαbh ù 2g(H 0    h ù ) ,
где  – коэффициент бокового сжатия, (0,95);
 – коэффициент скорости, при отсутствии порога равен 1,0;
 – коэффициент вертикального сжатия (для нашего случая равен
0,615);
Н0 = Н = 75,0 – 70,0 = 5,0 м; b = 1,5 м.
Подставляя значения величин, получаем
2,0  0,95  1,0  0,615  1,5  4,43h щ 5  0,615h щ ,
425
0,515  h щ 5  0,615h щ .
Решая это уравнение подбором, находим hщ  0,24 м. Глубина в
сжатом сечении за щитом hсж = 0,615  0,24 = 0,147 м. Скорость в этом
сечении vсж = 2 : (1,5  0,147) = 9,1 м/с, что меньше vдоп = 12,5 м/с для
бетона марки 100.
Для выяснения условий сопряжения потока в трубе с нижним
бьефом надо знать глубину при выходе из трубы. За щитом свободная
поверхность потока в трубе будет иметь вид кривой подпора, так как
глубина будет увеличиваться от hсж до h2 в конце трубы.
Глубину h2 определим по уравнению неравномерного движения
iL
 η 2  η1  1  j η 2    η1 .
ha
(4.29)
Глубина равномерного движения в трубе при Q = 2,0 м3/с, i =
0,0011 и n = 0,014 будет h0 = 1,0 м. Глубина h1 = hсж = 0,147 м;
относительная глубина 1 = h1 : h0 = 0,147 : 1 = 0,147. При таких малых
значениях относительных глубин  = () уравнение упрощается,
принимая вид
iL
(4.30)
 j  η 2  η1 .
h0
2
Величину j  iC b нужно определить при средних значениях С и .
gχ
Примем hср = 0,2 м; ср = 1,5  0,2 = 0,3 м2; ср = 1,5 + 2  0,2 = 1,9 м; Rср
= 0,158 м; Сср = 53,3. Подставляя значения величин, имеем
j
0,0011  53,32  1,5 4,65

 0,25.
9,81  1,9
18,6
Определяем 2 из уравнения (4.30 ) при L = l2 = 28 м:
0,0011  28
 0,25  η 2  0,147 ; 0,125 = 2 – 0,147;
1,0
2 = 0,125 + 0,147 = 0,27; h2 = 2h0 = 0,27  1,0 = 0,27 м;
h1  h 2 0,147  0,27 0,417


 0,2 м
2
2
2
что полностью совпадает с принятой.
Сопряжение бьефов. Для проверки затопления прыжка определим
глубину, сопряженную с глубиной в конце трубы h2 = 0,27 м при
h ср 
426
удельном расходе q = Q : b = 2,0 : 1,5 = 1,33 м3/с на 1 м;

0,27 
8  1,33 2
h сс 
 1  1,02 м.
 1
3
2 
9,81  0,27

В водобойном колодце глубина равна бытовой глубине в канале h =
0,95 м плюс глубина колодца d = 0,3 м; то есть hкол = 1,25 м. Прыжок в
колодце затапливается, так как 1,25 м > 1,02 м.
Длину водобойного колодца можно определить по формуле Lкол =
lот + lпр = 1,1 + 3,26 = 4,36  4,5 м, где lот – дальность отлета струи,
равная 0,43v2 d  0,43  4,95  0,3  1,1 м; v2 – горизонтальная
скорость схода струи, равная Q : 2 = 2 : 0,27  1,5 = 4,95 м/с; d –
глубина колодца, равная 0,3 м; lпр = 3,2h2 = 3,2  1,02 = 3,26 м.
4.4. Водоспускные сооружения
4.4.1.Общие сведения
Назначение водоспусков. Водоспускные сооружения (водоспуски)
служат для полезных попусков воды из водохранилища в русло
нижнего бьефа плотины, а также для полного освобождения
водохранилища от воды.
Полезные попуски воды в русло нижнего бьефа необходимы в
следующих случаях: для подачи воды потребителям, которые до
возведения плотины снабжались водой из водотока (реки); для подачи
воды потребителям, появившимся после возведения плотины в связи с
развитием промышленности и водоснабжения населенных пунктов,
расположенных ниже по течению водотока (реки); для подачи воды на
орошаемые поля, расположенные за плотиной.
Графики водоподачи водоспускными сооружениями зависят от
потребителей и устанавливаются при водохозяйственных и
гидрологических расчетах в процессе проектирования водохранилища.
Освобождение водохранилища от воды необходимо при очистке
его от отложившихся наносов, ремонте плотины и сооружений с низко
расположенными порогами. Водоспуски – это обязательные
сооружения в прудовом хозяйстве, где освобождение от воды
некоторых видов водохранилищ необходимо по условиям
выращивания рыбы.
Водохранилища на местном стоке, запасы воды которых
используются для орошения, в большинстве случаев не имеют
водоспускных сооружений. Таким образом, надо иметь в виду, что
водоспуски не всегда обязательны при плотинах из местных
материалов.
427
Местоположение водоспусков. Исходя из задач, выполняемых
водоспусками, их располагают в пониженных местах русла водотока.
Это условие должно обязательно выполняться, если водоспуски
предназначены для полного освобождения водохранилищ от воды.
Такие водоспуски часто называют донными, подтверждая тем самым
их высотное расположение.
В некоторых случаях водоспуски располагают и на более высоких
отметках. Но тогда перевод потока воды за выходом из водоспуска в
русло водотока происходит при помощи сопрягающего сооружения.
Совмещение сооружений. Водоспуски полезно совмещать с
другими водопропускными сооружениями. Их можно совмещать с
водосбросными сооружениями, а в некоторых случаях и с
водозаборами.
Наиболее целесообразно эксплуатационные водоспуски совмещать
с водоспусками для пропуска строительных расходов. С этой целью
после возведения плотины строительные водоспуски дополнительно
переоборудуют в эксплуатационные.
4.4.2. Типы водоспусков
Особенности работы водоспусков. Исходя из задач, выполняемых
водоспусками, они работают непрерывно или периодически. Попуски
воды из водохранилища для полезных целей (например,
водоснабжения, потребности промышленных предприятий и т. д.)
осуществляются независимо от времени года. Водоспуски,
предназначенные для этих целей, работают без перерыва при всех
уровнях воды в водохранилище. Следовательно, в конструкции таких
водоспусков полезно иметь две и больше самостоятельно работающие
нитки трубопроводов. При необходимости ремонтных работ
отключают одну из ниток, обеспечивая непрерывную подачу воды
потребителю.
Непрерывно работающие водоспуски в периоды высоких уровней
воды в водохранилище находятся под большим напором, для гашения
которого требуются мощные гасящие устройства. Кроме того,
приходится учитывать появление кавитации и сопутствующей
кавитационной эрозии.
Регулирование расходов осуществляют затворами, которые
устраивают в начале водоводов, в средней части и на выходе,
предусматривая для них камеры управления.
Открытые водоспуски. В плотинах небольшой высоты (например,
для рыбных прудовых хозяйств) устраивают открытые водоспуски, по
конструкции представляющие собой шлюзы-регуляторы.
Открытые водоспуски устраиваются как в теле плотины, так и в
берегах при плотинах высотой (до 6 м) и небольших паводковых
428
расходах. Днище водоспуска – флютбет – устраивается ниже
нормального подпорного уровня воды на 2-4 м, необходимый
подпорный уровень воды поддерживается затворами. Благодаря
такому расположению флютбета и наличию затворов водоспуски
одновременно служат для сброса паводковых расходов и для выпуска
воды из водохранилища полностью или до любого требуемого уровня.
Открытые водоспуски бывают деревянные, каменные, бетонные и
железобетонные. Из дерева водоспуски устраиваются лишь в
отдельных случаях, чаще на рыбоводных прудах, так как дерево,
находясь под переменным действием воды, быстро загнивает, что
приводит к частым ремонтам деревянных водоспусков или полной их
замене.
Составными частями открытого водоспуска являются береговые
устои, промежуточные опоры-быки и днище-флютбет (рис. 4.44).
Рис. 4.44. Открытый водоспуск:
1 – береговой устой; 2 – контрфорс; 3 – бык; 4 – водобой; 5 – рисберма; 6 – мост;
7 – стойки и затворы; 8 – понур; 9 – предпонурная подушка
Береговые устои различных конструкций представлены на рис.
4.45.
429
Рис. 4.45. Береговые устои:
а – с обратными стенками; б – с косыми плоскостями; в – в виде раструба с обратной
стенкой; г – с конусом и обратной стенкой; д – с ныряющими стенками
Быки со стороны верхнего бьефа могут иметь переднюю грань
прямоугольную, полуциркульную, заостренную и криволинейно
430
заостренную (рис. 4.46). Пролеты между опорами перекрываются
деревянными или металлическими затворами. На водоспуске обычно
устраивается служебный мостик для подъема и опускания затворов и
проходит проезжая дорога.
Рис. 4.46. Формы быков в плане:
а – прямоугольная; б – полуциркулярная; в – заостренная;
г – криволинейно заостренная
Для уменьшения пролетов между быками и береговыми устоями
устанавливаются промежуточные деревянные или металлические
стойки. Стойки могут быть постоянными и съемными. Съемные
стойки устраиваются в том случае, если предусматривается пропуск
льда через пролеты. Ширина одного пролета, если исходить из условия
пропуска льда, должна быть не меньше 8 м.
Длина флютбета, а также необходимость в устройстве предпонурной подушки и забивке шпунтов устанавливаются на основании
фильтрационного расчета. Обычно предварительно задаются длиной
отдельных частей: длина предпонурной подушки – (0,5...5)Н, понура –
(1...5)Н, водобоя – (2...3)Н, рисбермы – (5... 10)Н, где Н – напор на
пороге водоспуска, м.
Толщина предпонурной глинобетонной подушки 0,5-1 м. толщина
глинобетонного понура – не менее 0,5 м. У стыка с водобоем толщина
понура увешивается. Сверху понура устраивается каменная мостовая
или укладываются бетонные плиты. Толщина водобоя определяется
фильтрационным расчетом, а предварительно принимается 0,4-1 м.
Гидравлический расчет. Ширина водоспуска определяется так же,
как расчет неподтопленного или подтопленного водослива. Водоспуск
рассчитывается как подтопленный водослив с широким порогом, если
h п  σп Н0 ;
Н 0  Н  v 02 /2g,
где hп
σп
(4.27)
– превышение уровня воды нижнего бьефа над порогом
водоспуска, м;
– коэффициент подтопления (критерий подтопления),
принимаемый в пределах 0,75≤ σп ≤ (0,83...0,87);
431
v0 – скорость подхода воды перед водоспуском, м/с.
При неподтопленном водосливе ширина водоспуска определяется
из формулы
Q  εmB 2gH3/2
0 ,
(4.28)
где ε – коэффициент бокового сжатия;
m – коэффициент расхода, принимаемый в зависимости от типа
порога водоспуска.
Коэффициент бокового сжатия определяется по формуле
Френсиса – Кригера
ε  1  0,1n  ζ
H0
,
B
(4.29)
где ξ – коэффициент формы береговых устоев водослива при входе
или формы оголовков быков рис. 4.46;
n – число боковых сжатий потока;
B – ширина сливного отверстия.
При подтопленном водосливе ширина водоспуска b определяется
из формулы
(4.30)
Q  εBh 2g(H 0  h п ) ,
где φ – коэффициент скорости для водослива с широким порогом.
Коэффициенты m и φ в зависимости от типа порога можно
выбирать по табл. 4.3.
Т а б л и ц а 4.3. Коэффициенты m и φ
Тип порога
Прямоугольный шероховатый
Прямоугольный гладкий
С закругленным входным ребром
Хорошо округленный входной
Донный слив (порог отсутствует)
φ
0,76-0,78
0,84
0,93
0,98
0,99
m
0,30
0,32
0,35
0,37
0,38
Если выпуск воды из-под затвора при неподтопленном истечении,
то расход зависит от высоты поднятия затвора и определяется по
формуле
(4.31)
Q  ε    B  h з 2g(H 0  αh з ) ,
где В – ширина отверстия водоспуска, через которое производится
забор воды, м;
hз – высота поднятия затвора над порогом водоспуска, м;
α – коэффициент вертикального сжатия, зависящий от отношения
hз/H (по Н. Е. Жуковскому):
hз/H
0,1
0,2
0,3
0,4
432
0,5
0,6
0,7
α
0,615
0,620
0,625
0,630
0,645
0,660
0,690
При выпуске воды из-под затвора и подтопленном истечении
расход рекомендуется определять по формуле [21]:
(4.32)
Q  εαB(1  k 2 )h з 2g(H 0  αh з ) ,
где
(4.33)
k  (h б  αh з )/H 0 ;
hб – бытовая глубина за затвором, м. Если hб ≤ α hз , то k = 0.
Определив ширину водоспуска из формулы (4.28) или (4.30) можно
найти полную ширину водоспуска с учетом ширины опор (быков и
промежуточных стоек), предварительно разбив всю ширину на
отдельные пролеты b, в соответствии с требованиями СНиП (см. п.
4.2.2);
B0 = nb + n(t – 1),
(4.34)
где n – число пролетов, желательно принимать нечетным (для
улучшения условий растекания потока в НБ );
b – ширина одного пролета;
t – толщина бычка, предварительно можно принять равной
(0,06…0,1 )b.
В начале выпуска воды из водохранилища заполнение нижнего
бьефа водой может быть незначительным, а в некоторых случаях он
может быть вообще не заполнен водой. Поэтому расчет сопряжения
бьефов следует вести для случая истечения из-под затвора при его
постепенном поднятии, так как при этом будет наибольшая опасность
подмыва сооружения.
Необходимость водобойного колодца и его глубина устанавливают
методом последовательных приближений. С этой целью задаются
различными величинами поднятия затвора (а = 0,1 H; 0,2H; 0,3H и
т.д.) и определяют соответствующие им сжатые глубины
hc = h1 = а.
(4.35)
Так как в начальный период спуск воды осуществляется в
незаполненный нижний бьеф, то истечение из-под затвора при его
поднятии на 0,1 H будет незатопленным и пропускаемый расход
следует определять по формуле (4.31).
Вторая сопряженная глубина определяется по формуле


8α  q 2
h сс  h 2  0,5h 1  1 
 1,
3
gh 1


(4.36)
где q = Q1/b – удельный расход воды, м3/с;
b – ширина открытых пролетов, м.
Сравнивая значения h2 и hб, делается вывод о режиме сопряжения
бьефов.
433
Если при Q1 в соответствии с заданной зависимостью Q=f(H)
бытовая глубина hб ≤ αhз, то истечение из-под затвора в конце первого
периода становится затопленным и при следующем поднятии затвора
на высоту 0,2H пропускаемый расход воды определяется по формуле
(4.32). Далее, как и при предыдущей величине поднятия затвора,
определяются сопряженные глубины и делается вывод о режиме
сопряжения бьефов при этом поднятии затвора. Аналогично расчет
выполняется и при всех других величинах поднятия затвора. При этом
расчет удобно вести в табличной форме (табл. 4.4).
Глубина водобойного колодца d определяется для случая, когда
разность h2 - hб наибольшая.
Т а б л и ц а 4.4. Определение режима сопряжения бьефов.
hз
hз
H
α
0,1
0,2
0,3
0,4
0,615
0,620
0,625
0,630
αhз
Q
b
q
Q
h2
hб
h2- hб
Режим
сопряжения
d = σh2 – (hб + ∆Z),
(4.37)
где σ = 1,05…1,1 – коэффициент запаса.
Перепад ∆Z определяется, как за затопленным водосливом с
широким порогом по формуле
ΔZ 
q2
2g 2 h б2

αq 2
.
2gh кол
(4.38)
Расчет ведется методом последовательных приближений. После
первого определения глубины колодца dl по формуле (1.93) подбором
определяется новое значение сжатой глубины из формулы
(4.39)
q  h1 2g(H 0  d1  h1 ) .
Затем по формуле (4.36) определяется вторая сопряженная глубина
и по формуле (4.37) – новое значение глубины водобойного колодца.
Расчет обычно завершается на третьем приближении, если оно
оказывается близким ко второму.
Расчет нижнего бьефа (определение размеров гасителя
кинетической энергии потока) приведен в разделе3.
Длина рисбермы
lр = (4…10)Z – lкол,
(4.40)
где Z – максимальный напор на сооружении, м.
Трубчатые водоспуски. В плотинах небольшой высоты
распространены трубчатые водоспуски, по конструкции аналогичные
434
водозаборным сооружениям. Особенность водоспусков состоит в том,
что при расположении затворов с вязовой стороны площадку для
управления затворами (задвижками) поднимают выше максимального
уровня воды в нижнем бьефе.
Они предназначены для полного или частичного опорожнения
водохранилища при ремонте со стороны верхнего бьефа, для
промывки наносов, а также для освежения воды в рыбоводных прудах.
Трубчатые водоспуски предназначаются для пропуска небольших
расходов. Устраиваются они из стальных сварных или чугунных
раструбных железобетонных труб. Трубы водоспуска работают в
напорном режиме. Входная часть трубы водоспуска делается
уширенной и перекрывается металлической решеткой. В выходной
части устанавливается задвижка. Выходная часть водоспуска
заканчивается в отводящем канале, где строится водобойный колодец
или другие устройства для гашения энергии воды, выходящей из труб.
В зависимости от пропускаемого расхода могут быть уложены одна
или несколько труб. Если укладывается несколько труб, расстояние
между ними принимается не меньше диаметра трубы.
Трубы водоспуска располагают непосредственно в основании
плотины в наиболее пониженной части тальвега или вблизи него.
Чтобы обеспечить прочность труб при осадке плотины и избежать
фильтрации вдоль труб, устраивают железобетонные диафрагмы (на
стальных трубах стальные диафрагмы), располагая их в местах стыков
отдельных звеньев труб. Вокруг труб укладывают слои глины или
глинобетона (рис. 4.47).
Рис. 4.47. Трубчатый водоспуск:
1 – металлическая решетка; 2 – стальная или чугунная труба; 3 – крепление верхового
откоса; 4 – слой глины; 5 – диафрагма; 6 – задвижка; 7 – водобойный колодец
Для устранения влияния осадки грунтовой плотины на трубы,
улучшения условий эксплуатации и надзора трубы водоспуска иногда
располагают в бетонной или железобетонной штольне.
На рисунке 4.48 показан трубчатый водоспуск конструкции
Ленгипровохоза на расход до 1,5 м3/с при напорах 5…10м.
435
Рис. 4.48. Водоспуск конструкции Ленгипроводхоза на расход до 1,5 м3/с
при напорах 5-10 м:
1 – подходной участок; 2 – решетка; 3 – входной оголовок; 4 – труба; 5 –
воздухоподводящее устройство; 6 – задвижки; 7 – концевая часть водотока; 8 – воронка
размыва;
9 – диафрагма
Трубчатый водоспуск (рис.4.48) состоит из трубопровода, и
входного и выходного оголовков, колодцев для задвижек и короткой
зимней ветви, обеспечивающей автоматичность ограничения наиболее
низкого, допустимого по условиям эксплуатации, зимнего уровня воды
в водохранилище (МЗУ). Конструкция водоспуска запроектирована в
двух вариантах: из железобетонных труб диаметром 0,5 и 0,6 м и
стальных диаметром 0,4 и 0,6 м. Управление рабочей задвижкой
предусмотрено с помощью ручного привода. Концевая часть
трубопровода расположена на сваях. Гашение энергии потока
предусмотрено в воронке размыва, для уменьшения которой на конце
трубопровода установлен рассевающий порог.
Следует отметить, что перспективна конструкция многоголового
водоспуска – водовыпуска (рис. 4.49), в которой необходимый
потребителю расход изымается из напорных водоводов в
распределительной камере, что очень важно при использовании
сооружения для различных целей, например: водоснабжения,
рыбоводства, малой гидроэнергетики и др.
Исходными данными для проектирования водоспуска служат
проект грунтовой плотины, включающий план участка ее размещения
в горизонталях, продольный и поперечный разрезы, отметки
расчетных уровней воды в верхнем бьефе (УМО, МЗУ, НПУ),
436
конструктивные
решения
противофильтрационных
устройств,
креплений, откосов, дренажа; инженерно-геологические данные по
основанию плотины и прогноз по его осадке; кривая связи уровней и
расходов в нижнем бьефе; значения расходов воды, подлежащих
пропуску через водоспуск, включая расчетный расход на
опорожнение, санитарный и строительный расходы; данные об
уровнях, при которых необходимо обеспечить пропуск расчетных
расходов; расчетный расход в период опорожнения; данные о зимнем
режиме работы водохранилища, включая сведения о расчетном
толщине льда и уровнях воды.
Рис. 4.49. Трубчатый водоспуск-водовыпуск на расход до 1,5 м3/с при напоре до 12 м:
1 – входные оголовки; 2 – водоводы; 3 – распределительная камера; 4 – концевой сброс
При проектировании водоспусков решают следующие задачи:
определяют местоположение сооружения в составе гидроузла;
устанавливают значение расчетного расхода водоспуска; определяют
конструкцию и размеры сооружения.
Плановое и высотное положение водоспусков определяют исходя
из местных инженерно-геологических условий и назначения
сооружения. Ось водоспуска рекомендуется трассировать по
возможности перпендикулярно к оси плотины в пониженных местах
поймы. Трубу водоспуска желательно располагать на коренных
породах.
Входное отверстие водоспуска размещают на отметках,
обеспечивающих возможность сработки (опорожнения) водохранилища
до заданного уровня.
Гидравлический расчет водоспуска. Определяют расчетный
расход водоспуска.
Расчетный расход водоспуска назначают из условия обеспечения
сработки водохранилища до необходимого уровня за заданный период
437
времени, пропуска санитарных или строительных расходов. При
многоцелевом назначении водоспуска принимают наибольший из
необходимых расходов.
Расчетные расходы при опорожнении водохранилища определяют с
помощью батиграфических кривых W = f(H) и F = f(H) и допустимой
скорости понижения уровней.
Скорость опорожнения водохранилища назначают с учетом
допустимой интенсивности понижения уровней, при которой
обеспечивается устойчивость склонов и верхового откоса плотины.
При расчете по кривой W = f(H) определяют объемы отдельных призм
водохранилища ΔWi при допустимом слое сработки водохранилища ΔH за
единицу времени. Обычно принимают, что слой ΔH срабатывается за
одни сутки.
Следует отметить, что для Республики Беларусь по данным
института
«Белгипроводхоз»
скорость
опорожнения
пруда
(водохранилища) не должна превышать 0,5 м/сут = ΔH и не более 1,0
м/сут при наполнении.
По установленным значениям ΔWi определяют необходимые
секундные расходы, при которых обеспечивается заданная сработка
уровней Qi = ΔWi/86400 м3/с. Из ряда значений Qi выбирают
максимальное и принимают его за расчетное Qp по условию
обеспечения опорожнения водохранилища.
Устанавливают
расчетные
значения
строительных
и
эксплуатационных расходов и уровней Qpi и Hpi.
По каждому из значений Qpi и Hpi определяют необходимую
площадь поперечного сечения водовыпуска трубы.
Диаметр трубы водоспуска при неподтопленном выходном
отверстии определяется из формулы
πd 2
(4.41)
Qμ
2gH ,
4
а при подтопленном выходном отверстии – из формулы
Qμ
πd 2
2gZ ,
4
(4.42)
где μ – коэффициент расхода;
Н – напор, равный состоянию от уровня воды в верхнем бьефе до
оси трубы, м;
Z – напор, равный разности отметок уровней воды верхнего и
нижнего бьефов, м.
Коэффициент расхода можно определять по формуле (4.17).
∑ξ – сумма коэффициентов всех местных сопротивлений, для
рис.4.47 равна:
Σξ  ξ вх  ξ реш  ξ тр  ξ з  ξ вых ,
(4.43)
438
где ξреш – коэффициент сопротивления решетки при входе;
ξтр – коэффициент гидравлического сопротивления на трение по
длине трубы, определяется по (2.57);
ξз – коэффициент сопротивления затвора (при плоском затворе ξ з =
0,2, а при дисковом – 0,1);
ξвых = 1 – коэффициент сопротивления при выходе при
подтопленном выходном отверстии.
Коэффициент сопротивления решетки при входе
(4.44)
ξ реш  1,5(ω,5 1 ) 2  1,5(d/d 1 ) 4 ,
где ω – площадь поперечного сечения трубы водоспуска, м 2;
ω1 – площадь поперечного сечения входного отверстия, м 2;
d – диаметр трубы, м;
d1 – диаметр входного отверстия, м.
Имея заданный расчетный расход
d
Q, напор Н или Z и длину l,
определяют диаметр трубы d. Его
можно определять путем построения
кривой Q = f(d). Задаваясь различными
значениями диаметра, по формуле
(4.41)
или
(4.42)
определяют
соответствующие
расходы.
Затем
строят кривую Q = f(d), по которой
0
графически
определяют
диаметр
Q
трубы для заданного расхода (рис
Рис. 4.50. График для определения
4.50).
диаметра трубы водоспуска по
Можно предварительно задаться
заданному расходу
диаметром трубы и определить
площадь живого сечения из формулы (4.41) или (4.42). Имея площадь
живого сечения и задаваясь количеством труб, вычисляют площадь
живого сечения одной трубы, а по ней — диаметр трубы, который
примерно должен быть равен диаметру, принятому предварительно.
Окончательно принимают стандартные значения диаметра трубы.
439
Рис. 4.51. Истечение жидкости из водохранилища
Пример 4.7. Определить диаметр и количество труб стального
трубчатого водоспуска. Расчетный расход Q = 1,2 м3/с. Выходное
отверстие труб подтопленное. Разность отметок уровней воды
верхнего и нижнего бьефов Z = 7 м. Длина водоспуска l = 50 м,
коэффициент сопротивления при входе ξвх = 0,2, диаметр трубы d = 0,4
м, диаметр входного отверстия d1 = 0,6 м.
П о р я д о к р а с ч е т а. Определяем коэффициент сопротивления
решетки при входе по формуле (4.44).
ξ реш  1,50,4/0,6   0,3.
4
Сумму коэффициентов всех местных сопротивлений находим из
формулы (4.43)
  0,2  0,3  0,2  1  1,7.
В зависимости от конструкции водоспуска (рис. 4.47, 4.48, 4.49,
4.52) в сумму коэффициентов всех местных сопротивлений могут
входить коэффициенты сопротивлений на поворот, сужение,
расширение и др.
Гидравлический радиус
R  0,126 / 1,26  0,1м.
Коэффициент расхода по формуле
μ
1
 0,46.
1,7  0,025  50/ 4  0,1
Живое сечение труб водоспуска по формуле
1,2
2

 0,25 м .
0,46 2  9,81 7
Принимаем водоспуск из двух труб, тогда площадь живого сечения
одной трубы
 / 2  0,25 / 2  0,125 м2,
а диаметр
d  4  0,125/3,14  0,4 м.
При
принятых
размерах
водоспуска
продолжительность
опорожнения водохранилища определяют по зависимости (рис. 4.51):
Т

 (4.45)
F1
2F2
2Fm 1
Fm

,

 ... 

2μμ 2g  H 1  H p
H2  Hp
H m 1  H p
H m H p 
ΔН
где Fi – площадь зеркала водохранилища при напоре Нi, определяемая
по кривой F = f(H);
440
Нр
– полный напор над порогом трубы, при котором
обеспечивается пропуск приточного расхода воды в
водохранилище;
ΔН – высота слоя при разделении сливного объема водохранилища
на n равных по высоте частей ΔН = 0,5 м.
Полный напор под порогом трубы, при котором обеспечивается
пропуск приточного расхода водотока (реки) где расположена плотина
определяется по формуле:
Q 2p
(4.46)
Нр 
,
2  g  μ 2  ω2
Здесь Qp – расход реки (водотока),
μ и ω – соответственно коэффициент расхода и площадь сечения
водоспуска.
Кроме расчетов пропускной способности и продолжительности
опорожнения водохранилища, выполняют гидравлические расчеты по
определению параметров струи и воронки размыва, фильтрационные
расчеты по определению гидростатического, давления на трубы и
градиентов фильтрационного потока вдоль труб, расчеты по
определению давления водного потока на носок концевой площадки.
Башенные водоспуски. Это наиболее рациональный тип
водоспуска при плотинах низких и средней высоты. Конструкция их
такая же, как и водозаборов, расчеты аналогичны.
На рисунке 4.52 показана конструкция башенного водоспуска
расходом до 13 м3/с.
Рис. 4.52. Трубчатый водоспуск с башней управления по ТП 820-223:
1 – входной оголовок; 2 – труба водоспуска; 3 – башня управления;
4 – концевая часть водоспуска
441
В состав башенного водоспуска (рис. 4.52) входят трубопровод,
башня управления затворами, входной и выходной оголовки.
Трубопровод состоит из железобетонных труб диаметром 1…1,4 м.
Нагрузка от земли по длине трубы неодинакова и, чтобы ослабить
напряжение от изгиба, ее устраивают из нескольких звеньев. Звенья
труб с башней и между собой сопрягаются швами, которые
обеспечивают раздельную их работу. Швы следует конструировать
так, чтобы при осадках не нарушалась их водонепроницаемость.
На рисунке 4.53 показаны отдельные конструкции стыков труб.
Рис. 4.53. Конструкции стыков труб:
а, б, в – стыки железобетонных труб; г – стык стальных труб; 1 – трубка для прогрева
битума; 2 – входной и выходной патрубки; 3 – трубка для заливки битума в шпонку;
4 – стенка трубы; 5 – подготовка из бетона; 6 – наружная оклеечная гидроизоляция;
7 – цементная чеканка; 8 – битум; 9 – просмоленный войлок; 10 – мятая глина;
11 – железобетонный хомут; 12 – фильтр; 13 – арматура; 14 – битумный шов;
15 – стальная труба; 16 – стальная диафрагма; 17 – сварной шов
442