ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Классификация водопропускных сооружений. Водопропускными называют сооружения, обеспечивающие пропуск воды через гидроузел для различных водохозяйственных целей. По их функциональному назначению различают: водосбросы сооружения для сброса из водохранилища излишков воды и льда в период прохождения паводков; водовыпуски сооружения для осуществления полезных попусков воды (на орошение земель, для санитарных, судоходных и прочих целей) из водохранилища в русло реки, канал, трубопровод; водоспуски сооружения для полного или частичного опорожнения водохранилища в целях трансформации паводка, осмотра и ремонта сооружений, промывки верхнего бьефа от наносов.
В составе гидроузлов могут быть также водозаборные сооружения, предназначенные для забора и подачи воды водопользователям и водопотребителям: для подвода воды к турбинам ГЭС, подачи воды в систему водоснабжения или в оросительную систему. Для пропуска паводков редкой повторяемости устраивают резервные водосбросы типа «предохранительной пробки», включающиеся в работу только в чрезвычайных условиях повышения уровня воды в верхнем бьефе [37]. По расположению в гидроузле водопропускные сооружения делятся на плотинные (русловые) и береговые (пойменные) рис. 4.1.
При возведении гидроузлов предусматривают пропуск воды и льда, так называемых «строительных расходов», для чего устраивают временные (строительные) водосбросы, которые обычно стремятся совместить с какимлибо эксплуатационным водопропускным сооружением, например с водоспуском.
По расположению входного отверстия водопропускные сооружения могут быть поверхностными, через входные отверстия которых вода поступает в безнапорном режиме, глубинными, погруженными под уровень воды, и донными, входное отверстие которых размещено у дна.
По наличию затворов различают водопропускные сооружения с затворами регулируемые, и без затворов нерегулируемые (автоматические).
По условиям движения воды водопропускные сооружения могут быть: безнапорные с движением воды со свободной поверхностью; напорные и со смешанным гидравлическим режимом, когда в сооружении имеются участки с напорным и безнапорным движением воды.
Расчетные расходы н уровни воды. Расчетные расходы воды, подлежащие пропуску в процессе эксплуатации через водопропускные сооружения каждого конкретного гидроузла, определяются методами гидрологии с учетом водохозяйственного режима и возможности использования проектируемых и действующих водохранилищ для трансформации речного стока и уменьшения («срезки») паводкового расхода. Расчетные максимальные расходы воды назначают исходя из ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой в зависимости от класса сооружений для двух расчетных случаев основного и поверочного (табл. 4.1) [188].
Пропуск расхода воды, отвечающего основному расчетному случаю, осуществляется при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа через все турбины ГЭС и через все водопропускные сооружения при полном их открытии и нормальном режиме эксплуатации.
Пропуск расхода воды, отвечающего поверочному расчетному случаю, обеспечивается при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными сооружениями, включая турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооружения и резервные водосбросы. При этом допускается уменьшение выработки электроэнергии, нарушение нормальной работы водозаборных сооружений, повреждение резервных водосбросов, размыв русла и берегов в нижнем бьефе без угрозы основным сооружениям и селитебным территориям.
При проектировании гидроузла на реке с каскадом гидроузлов расчетные расходы принимают в соответствии с его классом с учетом расположения в каскаде и правил эксплуатации водохранилищ. При этом расход, отвечающий поверочному расчетному случаю, не должен быть меньше соответствующего расхода расположенного выше гидроузла, а пропуск расхода воды основного расчетного случая не должен приводить к нарушению нормальной эксплуатации основных гидротехнических сооружений расположенных ниже гидроузлов.
Расчетные расходы водовыпусков (водозаборов) устанавливают по графикам водоподачи потребителям и на основе водохозяйственных расчетов. Расчетная пропускная способность водовыпуска должна быть гарантирована при минимальной эксплуатационной отметке верхнего бьефа, обычно совпадающей с уровнем сработки (мертвого объема) водохранилища. При использовании водовыпуска для пропуска строительных расходов его параметры (площадь поперечного сечения) назначают из условия пропуска этих расходов. Пропускная способность (расчетный расход) водоспусков определяется по требуемому времени эксплуатационного или аварийного опорожнения необходимого объема водохранилища [40].
На период строительства или реконструкции постоянных сооружений расчетную вероятность Р превышения максимального расхода воды, соответствующего поверочному расчетному случаю, назначают исходя из класса сооружений и длительности периода строительства или реконструкции (табл. 4.2) [188]. Для сооружения Ш класса при временной их эксплуатации до 10 лет расчетная вероятность превышения расходов воды принимается равной 5%.
Длительность периода временной эксплуатации сооружения, годы Значения Р, % для класса сооружений
При проектировании временных гидротехнических сооружений расчетные максимальные расходы воды для основного расчетного случая следует принимать в зависимости от класса и срока эксплуатации сооружений исходя из следующей вероятности превышения (обеспеченности): при сроке эксплуатации гидротехнических сооружений IV класса до 3 лет 10%, свыше 3 лет 5%; сооружений Ш класса до 2 лет 10%, свыше 2 лет 3%.
В международной практике для назначения расчетных расходов используется метод максимального вероятного паводка (PMF probable maximum flood), основанного на учете в рассматриваемом водосборном бассейне максимально неблагоприятного сочетания метеоусловий: атмосферного давления, влажности и температуры воздуха, скорости и направления ветра, атмосфер ных осадков и др. Как показали исследования [8], величина расхода такого паводка больше паводка 0,01% обеспеченности в 1,2253,52 раза. Приближенно величину расхода Qpmf максимального вероятного паводка можно определить с помощью графика (рис. 4.2), на котором показана зависимость модуля (по Кригеру). Взяв величину М по верхней огибающей, построенной с запасом, получим QPMF=M• F. Назначение пропускной способности водопропускных сооружений по методу максимального вероятного паводка повышает безопасность гидроузлов, но приводит к значительному повышению отметки форсированного подпорного уровня в водохранилище или к увеличению размеров водопропускных сооружений, а значит и к удорожанию гидроузла.
В России рекомендуется использовать PFM только в регионах, где возможны муссонные дожди, к примеру в Приморье.
Требования к размерам водопропускных сооружений. Число и размеры водосбросных сооружений определяют исходя из условий пропуска расхода воды основного расчетного случая. Ширина (пролет) и высота прямоугольных отверстий водопропускных сооружений, перекрываемых затвором, стандартизованы [188] и выбираются из следующего ряда значений: для ширины, м, 0,4; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 7; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 24; 30; для высоты, м, 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 7; 8; 9; 10; 12; 14; 16; 18; 20.
За ширину отверстия принимают размер в свету между боковыми вертикальными гранями сооружения, ограничивающими водопропускное отверстие.
Для поверхностных отверстий высота это расстояние от верхней грани порога до верхней кромки обшивки затвора, а для глубинных расстояние от дна до потолка отверстий.
Размеры и число отверстий поверхностных и глубинных водосбросных устройств принимают на основании сравнения техникоэкономических показателей различных вариантов их выбора в зависимости от сбросного расхода воды основного расчетного случая, допустимого по геологическим условиям русла удельного расхода, с учетом гидравлической работы других сооружений (ГЭС, шлюза, водозаборов и т. п.), а также пропуска льда, наносов и сора. Движение льда в водохранилище начинается при средней скорости подхода воды к плотине более 0,51,35 м/с, при меньших скоростях лед остается и тает в водохранилище. Если движение льда возможно, то ширину водосбросного фронта назначают до 0,50,6 ширины водохранилища перед плотиной, а ширину пролетов не менее 10 м для рек южных районов и не менее 18 м для рек северных районов. Минимальный напор на водосливе при сбросе льда должен быть не менее (1,155+0,15) м, где 6 толщина льда, м; при пропуске сора не менее 3 м. Ширина соросбросных отверстий, как правило, не должна превышать 10 м по условиям расчистки забившегося пролета.
