ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДОСБРОСЫ

Быстротоки, Быстротоками называют водосбросные каналы с уклонами дна больше критического. Из всех типов поверхностных водосбросов быстротоки получили наибольшее распространение. Как и любой тип береговых водосбросов быстроток состоит из подводящего канала, головной части, сбросной части в виде канала или собственно быстротока (часто называемой также лотком, водоскатом) и концевого участка. Иногда между головной и сбросной частями для их сопряжения устраивается промежуточный канал. Для того, чтобы избежать образование волн, возникающих при взаимодействии бурного потока с ограждающими конструкцию стенками при их сужении и повороте, промежуточный канал устраивается с уклоном близким или равным нулевому (рис. 15.3).


Конструкции элементов быстротока. К головной части водный поток, как правило, поступает по подводящему каналу, который должен обеспечивать равномерную подачу воды (с одинаковым удельным расходом по ширине канала) с минимальными потерями напора. Обычно канал в плане криволинейный и сужающийся, имеет площадь поперечного сечения, обеспечивающую неразмывающие скорости потока. На нескальных грунтах обычно предусматривается защитное покрытие дна и откосов канала в зоне сопряжения с водоприемником; в скальных грунтах защитное покрытие обычно не делается.

Головная часть быстротока чаще всего выполняется в виде прямого водослива с широким порогом или практического профиля (рис. 15.4, а, б, и, к) . Водосливные отверстия могут быть с затворами (рис. 15.4, и, м) или без них (рис. 15.4, к, л). Для увеличения пропускной способности при минимальном форсировании уровня воды в верхнем бьефе и отсутствии затворов могут применяться водосливы с криволинейным в плане порогом (рис. 15.4, в, 15.6, а). Водосливы с криволинейным или полигональным в плане порогом также могут применяться для уменьшения выемки грунта и экономичного вписывания сооружения в береговой рельеф.


Головная часть быстротока может быть также выполнена в виде глубинного отверстия (рис. 15.4, п, р) или сифона (см. гл. 4).


Сбросная часть быстротока в плане может быть прямолинейной или криволинейной, постоянной или переменной ширины (расширяющейся или суживающейся к нижнему бьефу) (рис. 15.6, аб). Ее конструкция представляет собой бетонный или железобетонный лоток прямоугольного или трапецеидального поперечного сечения (рис. 15.7). Продольный уклон быстротока принимается в соответствии с уклоном местности при соблюдении условия устойчивости склона, на котором он располагается. Он может быть по длине постоянным (рис. 15.6, а) или переменным (рис. 15.6, б). На нескальных грунтах уклон обычно не превышает 0.20.25, на скальных основаниях может доходить до 0.7. При проектировании быстротоков необходимо проводить проверку устойчивости склона.

Быстроток прямоугольного поперечного сечения имеет по бортам конструкцию в виде подпорной стенки, отрезанной от днища деформационными швами; трапецеидального поперечного сечения имеет откосы, укрепленные одеждой (рис. 15.7, а) или подпорные стенки (рис. 15.7, вг). Лоток небольшой ширины выполняют, как правило, в виде монолитной конструкции (рис. 15.7, б). Поперечные сечения быстротока на повороте для обеспечения устойчивости потока под действием центробежных сил выполняют с поперечным уклоном дна в виде виража (рис. 15.7, д). Применение быстротоков с виражом в условиях сложного рельефа местности иногда позволяет существенно снизить объем выемок грунтов основания.


Неравномерное открытие затворов головной части быстротока может вызвать сбойное течение. Для обеспечения более равномерного изменения глубины в сечениях на повороте и повышения устойчивости потока на прямолинейных участках на быстротоках могут выполняться продольные стенки.

Толщина облицовки быстротока обычно составляет от 0.15 до 1.0 м и выполняется из бетона или железобетона. На прочных скальных основаниях часто достаточно облицовки толщиной 0.150.3 м, которая для устойчивости может иметь анкерное крепление. Под днищем быстротока, а иногда и за его стенками, для снижения фильтрационного противодавления предусматривают дренаж (рис. 15.7). В продольном направлении быстроток делится деформационными швами на секции длиной 1525 м.


Конструкции концевой части быстротоков на нескальных основаниях представляют собой чаще всего водобойный колодец (рис. 15.6). На скальных грунтах обычно используются трамплины с сосредоточенным отбросом струи (рис. 15.5). Рассеивающие трамплины и трамплины с боковым сливом могут применяться и на нескальных грунтах.

Трассировка быстротоков. При выборе трассы быстротока следует соблюдать следующие рекомендации: сооружение должно размещаться на естественных грунтах, обладающих достаточной прочностью, в том числе и фильтрационной (чтобы исключить возможность фильтрационных деформаций) (см. п.3.3); минимальными; исключается подмыв сооружений гидроузла и берегов вследствие воздействия потока за водосбросом; необходимо исключить подпор здания ГЭС из-за отложения в нижнем бьефе продуктов размыва дна сходящим с быстротока потоком (т.е. в результате образования так называемого бара)

Гидравлические расчеты быстротоков. Целью гидравлических расчетов быстротоков, как и водосбросов других конструкций, является определение параметров его основных составляющих частей (головной, сбросной и концевой), обеспечивающих пропуск расчетных расходов.


Проектирование быстротока начинают с выбора удельного расхода в лотке (на рисберме) (см. гл. 4), что позволяет назначить в первом приближении его ширину. Принимается тип головной части (рис. 15.4) и производится ее гидравлический расчет, заключающийся в определении размеров водоприемника.

Для головных частей в виде водосливных порогов (рис. 15.4, им) используются формулы пропускной способности водосливов (см. гл. 4), из которых по известному расходу и принятых ширине и количестве водосливных пролетов определяются напор на гребне водослива и отметка гребня. Некоторые особенности гидравлических расчетов траншейных водоприемников (рис. 15.4, г~з) отмечены в п. 15.6. После определения параметров головной части производят трассировку быстротока. На основании продольного разреза по принятой оси быстротока определяются его профиль, длины участков и их уклоны, Далее производится расчет сбросной части водосброса.

Сужение и поворот быстротока по соображениям волнообразования рекомендуется осуществлять при спокойном течении потока. В случае устройства промежуточного канала с уклоном меньше критического (см. рис. 15.3) желаемого режима можно добиться, обеспечив в его пределах образование гидравлического прыжка и послепрыжкового участка со спокойным течением. Если по топографическим условиям невозможно устройство промежуточного канала нужной для этого длины, то сужающийся (переходный) участок проектируется таким образом, чтобы переход от бурного к спокойному течению происходил в пределах сужения за счет сжатия потока боковыми стенками.

Наиболее прост в исполнении переходный участок постоянной ширины с резким сужением [181]. Его особенностью является стабильная работа при изменении расхода в большом диапазоне и при неравномерном открытии отверстий водосливного порога.

При достижении скорости потока на быстротоке некоторой критической величины возникает аэрация (см. гл. 2), что приводит к увеличению глубины потока и требует соответствующего увеличения высоты бортов. Возможность возникновения аэрации необходимо учитывать при проектировании быстротока. Существующие методы расчетов [181] позволяют с достаточной точностью определить положение створа, в котором начнется насыщение потока воздухом и его концентрацию, увеличение глубины потока и коэффициент трения. Во все известные критерии начала аэрации входит число Фруда. В зависимости от шероховатости русла, глубины потока, гидравлических радиуса и уклона аэрация может начаться при средней скорости около 4 м/с и числах Фруда в интервале 18-20. Влияние аэрации на работу сооружения следует учитывать при числах Фруда более 40.

Также при проектировании быстротоков необходимо учитывать возможность кавитации и кавитационной эрозии (см. гл. 2), возникающей в зонах с пониженным до критического значения давлением при средней скорости на быстротоке более 14 м/с. Для снижения скорости и гашения энергии потока по длине сбросной части применяется усиленная шероховатость. В качестве про тивокавитационного мероприятия часто используется аэрация потока. Известно, что проникновение воздуха в придонный слой с концентрацией 78% и более, почти полностью исключает кавитационную эрозию. Если в результате естественной аэрации потока (самоаэрации) воздух не достигает дна или его концентрация недостаточна, используются аэраторы потока. При необходимости установки аэраторов рассчитывается их количество, и задаются размеры аэра цнонных каналов. Пример участка быстротока с аэраторами представлен на рнс. 15.38.

Гидравлический расчет концевой части быстротока в виде водобойного колодца сводится к определению параметров гидравлического прыжка и заданию размеров конструкции. При этом они могут быть существенно уменьшены за счет установки гасителей и расширения колодца (угол расширения следует принимать не более 13°). При расчете сопряжения бьефов отбросом струи, как правило, задаются высотным положением и углом наклона носка и определяют дальность отлета струи и параметры ямы размыва. Для уменьшения размывающей способности потока применяются расщепители, рассеивающие трамплины. Концевые участки в виде рассеивающего трамплина или бокового водослива (рис. 15.19) рассчитывают специальными методами, изложенными, например, в работах [34, 37, 181] (см. также рис. 4.18 и зависимость 430).

Перепады. Береговые водосбросы со сбросной частью в виде перепадов (одноступенчатых, многоступенчатых, консольных) применяются при значительных уклонах местности (/>0.2) и небольших удельных расходах (до 15 м3/с). Гашение энергии потока при прохождении через перепад происходит частично на каждой из его ступеней за счет затопления гидравлического прыжка в пределах водобойных колодцев (рис. 15.9).

Одноступенчатые перепады могут устраиваться при небольшой (до 5 м) высоте падения или при большей величине и значительной протяженности склона, когда экономически нецелесообразно применять водосброс другого типа. Чаще при больших перепадах уровней бьефов используются многоступенчатые конструкции (рис. 15.9).

Ступенчатый перепад состоит из головной части, соединяющей сооружение с подводящим каналом, сбросной части в виде перепада, концевой части в виде водобоя и рисбермы, и отводящего канала. Сбросная часть перепада представляет собой ряд ступеней, образованных стенкой падения, днищем или водобойной плитой и боковыми стенками.


Гидравлический расчет перепада начинается с определения пропускной способности головной части. Затем, задавшись высотой ступеней (наиболее употребительная высота ступеней 46 м), последовательно рассчитывают сопряжения потока на каждой из них, выполняя требование по затоплению прыжка. Определяют сопряженные глубины и параметры прыжка, длину и толщину водобойных плит, высоту продольной стенки. Скорости течения на перепаде, как правило, составляют примерно 2 3 м/с и не изменяются по длине сооружения отделяют ОТ водобойной плиты вертикаль ное отверстие; 7 расщепительная балка ными швами (с противофильтрационными уплотнениями) для обеспечения их независимой осадки и снятия температурных напряжений. На прочных скальных грунтах водобойные плиты на ступенях часто не устраивают, ограничиваясь выравнивающей облицовкой толщиной 0,30,4 м.


Для усиления гашения энергии потока на каждой ступени дно водобойной плиты иногда выполняют с обратным уклоном или устраивают на ней и на вышележащей стенке систему гасителей и расщепителей. Аналогичного эффекта можно достигнуть при Рис. 15.11. Схема фильтрации: менением полунапорных перепадов быстротоком; б под многоступеней относительно друг друга, ЧТО особен отсутствии дренажа за стенками и важно в случае расположения перепада на участке гидравлического прыжка на крутом склоне. В качестве недостатков перепадов можно отметить увеличение объемов земляных и бетонных работ по сравнению с быстротоками.

Вдоль быстротока или многоступенчатого перепада под сооружением и за боковыми стенками проходит фильтрационный поток, оказывающий силовое воздействие на конструкцию и основание (рис. 15.11). При отсутствии противофильтрационных элементов за стенками сооружения установится кривая депрессии 5, определяющая нагрузку на элементы водосброса. Для уменьшения фильтрационного давления и понижения кривой депрессии за стенками и под сооружением устраивается дренаж. Кроме того, необходимо использовать элементы, удлиняющие путь фильтрационного потока: шпоры и диафрагмы за устоями в головной части, бетонный зуб и шпунт под водоприемником, позволяющие получит безнапорную фильтрацию (депрессионные кривые 2, 3 на рис. 15.11).

Толщину днища и боковых стенок быстротока и ступенчатого перепада назначают с учетом действия фильтрационного давления. В пределах действия гидравлического прыжка также учитывается дефицит давления и пульсационная нагрузка (см. п. 7.4).

Консольные перепады. В некоторых случаях вместо ступенчатого перепада или быстротока целесообразно применить консольный перепад, представляющий собой быстроток с концевой частью в виде консоли (носка), с которой струя свободно падает в отводящий канал (рис. 15.1, в). Консоль опирается на систему стоек (опор), жестко связанных поверху и заглубленных в грунт ниже возможной ямы размыва. Носок выполняется горизонтальным или с обратным уклоном (для увеличения дальности отлета струи). Угол наклона носка, как правило, не превышает 15°, что позволяет избежать больших гидродинамических нагрузок. Воронку размыва обычно закрепляют под консолью и на прилегающих откосах отводящего канала гибким креплением, способным воспринимать деформации русла.

Трубчатые поверхностные водосбросы. Водосбросы такого типа используются на небольших по напору (510 м) и расходу гидроузлах на нескальном основании с грунтовыми плотинами. Конструктивно они представляют собой сборную железобетонную трубу, уложенную в вырытую на берегу траншею с последующей обратной засыпкой (рис. 15.12). Головная часть чаще всего выполняется в виде прямолинейного, криволинейного или бокового водослива. Концевой участок чаще всего устраивается в виде водобойного колодца. Гидравлический режим в трубе безнапорный или напорный.

Надежность работы такого водосброса во многом зависит от качества выполнения стыков железобетонных труб, которые при возможной неравномерности осадок не должны раскрываться. Во избежании усиленной фильтрации по контакту сооружения с грунтом основания и засыпки, трубы лучше укладывать на бетонную подготовку, а вдоль водосброса устраивать несколько поперечных диафрагм (рис. 15.12).

Резервные водосбросы. В состав крупных гидроузлов с глухими грунтовыми плотинами обычно входят береговые водосбросы большой пропускной способностью, стоимость которых весьма высока. Вместе с тем, их пропускная способность полностью используется очень редко, а иногда ни разу за период существования гидроузла. Поэтому иногда предусматривают несколько водосбросов: основной, который будет работать достаточно часто, и один или два резервных, которые будут работать редко (в случае пропуска паводка редкой повторяемости) или вообще не будут работать (рис. 15.13).


Резервные водосбросы стремятся делать простыми и дешевыми. При их работе допускаются повреждения самого водосброса и размывы русла и берегов, что, тем не менее, не должно снизить надежность основных сооружений. Часто в дополнение к водосбросу обычной конструкции используют возможность пропуска части максимального расхода по естественному береговому склону с устройством облегченного крепления или без него. В состав резервного водосброса может быть включена так называемая размываемая вставка. Она представляет собой отсыпанную на бетонный порог или основание грунтовую плотину, конструкция которой обеспечивает ее размыв при подъеме уровня верхнего бьефа до некоторой критической отметки (несколько ниже ФПУ), в простейшем случае при переливе через гребень. Размываемая вставка может располагаться на пороге резервного водосброса (заменяя в этом случае затвор) (рис. 15.13, б), перекрывать естественное понижение местности или являться частью грунтовой плотины (рис. 15.13, а).


В последнем случае размываемый участок отделяется от тела плотины бетонными стенками.

Естественные береговые водосбросы. На низконапорных гидроузлах пропуск паводка редкой повторяемости может частично осуществляться в обход плотины по естественной пойме (рис. 15.14). Особое внимание при таком техническом решении уделяется зоне сопряжения бьефов в месте слияния пойменного и руслового потоков. Для исключения больших размывов эта зона и часть поймы укрепляется, например каменной наброской. Для защиты ПЛОТИНЫ ОТ подмыва может устраи Рис. 15.14. Гидроузел с пропуском части рас ваться продольная дамба хода в паводок через пойму: ды на пойме в паводок

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.

на главную