ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ В ГРУНТОВЫХ ПЛОТИНАХ

Общие сведения. На гидроузлах с грунтовыми плотинами для пропуска паводковых расходов и для полезных попусков строят самые разнообразные водопропускные сооружения: бетонные водосливные плотины, береговые водосбросы в виде быстротоков, перепадов, башенные водосбросы в теле плотины, трубчатые водоспуски. Выбор типа водосбросного сооружения зависит от многих факторов: расчетных расходов воды, назначения и компоновки гидроузла, геологии основания и др. Для гидроузлов на нескальном основании при напорах до 3040 м и при паводковых расходах несколько сот м3/с и более экономически целесообразным является строительство бетонных водосливных плотин (см. гл.7). При больших (более 40 м) напорах устройство бетонной водосливной плотины возможно лишь на скальном основании, но такое решение, как правило, неэкономично вследствие значительных затрат на строительство высоких и протяженных сопрягающих устройств. Устройство водопропускных сооружений непосредственно в теле грунтовых плотин является более экономичным решением, однако связанного с выполнением ряда конструктивных требований: водопропускные сооружения должны быть приспособлены к неравномерным осадкам тела и основания грунтовой плотины (часто довольно значительных) и должна быть обеспечена безопасная фильтрация воды вдоль водопропускных сооружений.

Для пропуска паводковых вод и полезных попусков на гидроузлах с грунтовыми плотинами необходимо устройство двух типов водопропускных сооружений: водосброса и водовыпуска (водоспуска) (см. п. 4.1). В практике строительства грунтовых плотин широкое применение находят два типа водопропускных сооружений: трубчатые водосбросы, водопроводящий тракт которых выполняется из сборных или монолитных труб на плотных грунтах основания, и водосливные грунтовые плотины, сбросной тракт которых в виде быстротока (лотка) размещается на низовом откосе плотины и покрыт горной массой или сборными железобетонными плитами, приспособленными к значительным деформациям без нарушения целостности покрытия и обеспечивающих фильтрационную прочность грунтов тела плотины.

Трубчатые водосбросы. Конструктивно трубчатый водосброс (водовыпуск) состоит из головной части, трубгалерей (одной или нескольких), концевого участка. Вода в трубы поступает через глубинное, донное или поверхностное отверстия. Рабочие затворы, как правило, располагают в головной части. Такое устройство водосброса позволяет первоначально использовать его для пропуска строительных расходов, а затем переоборудовать в эксплуатационный водосброс или водовыпуск (иногда эти функции совмещают). При проектировании трубчатых водосбросов необходимо соблюдение следующих условий: трубы должны располагаться на плотных грунтах основания; на случай возможных деформаций основания трубы должны разрезаться по длине на секции швами, снабженными шпонками; должны быть приняты меры против контактной фильтрации воды вдоль труб путем устройства на них нескольких диафрагм; для управления гидравлическим режимом и производства ремонта трубчатые водосбросы должны быть снабжены затворами как с верховой, так и с низовой сторон.

Головная часть трубчатых водосбросов (водовыпусков) может быть выполнена в виде башни или размещена в теле грунтовой плотины в виде водослива (рис. 13.54, а, б). Башня, изображенная на рис. 13.55, служит для управления затворами, перекрывающими входные отверстия труб. В некоторых случаях в голове трубчатых водосбросов расположены башни с кольцевым водосливом, оборудованным затворами на гребне или без них (рис. 13.56). Практикуется применение башен с сифонами (рис. 15.2, д), а также безбашенных головных устройств в виде затопленного водоприемника (см. рис. 15.2, б). Для целей ирригации водоприемные окна в башнях могут располагаться на разных по глубине отметках в зависимости от удобства забора воды из поверхностных слоев, где вода более теплая и больше насыщена кислородом, а в плане башни могут быть прямоугольными, круглыми.



На невысоких плотинах трубы водосбросов малого диаметра могут быть сборными металлическими или железобетонными. При больших поперечных сечениях трубы выполняют из монолитного железобетона круглыми, овальными или прямоугольными. Головная часть таких водосбросов оборудуется сороудержи вающими решетками, рабочими и ремонтными затворами (рис. 13.57, а). Несколько труб объединяют в общую многоочковую конструкциюгалерею (рис. 13.57, б).


По дайне трубыгалереи делятся температурноосадочными швами. Нарушение герметичности швов может привести к фильтрации воды из плотины в галерею с выносом частиц грунта или, наоборот, из галереи в тело плотины, поэтому швы для предупреждения фильтрации оборудуют шпонками (рис. 13.58), что имело место на плотине КостешкоСтьшко на р. Прут (Молдавия).


Поперечное сечение трубчатых водосбросов подбирают по наихудшим условиям эксплуатации или пропуска строительных расходов в паводок или при перекрытии. Очень часто суммарное поперечное сечение водосброса определяется условиями пропуска строительного паводка. В этом случае его поперечное сечение проектируют таким образом, чтобы после пропуска через него строительных расходов в период эксплуатации одна или две галереи использовались для пропуска паводковых расходов, а другие одна для прокладки в них металлических труб водовыпуска, предназначенного для возможности спуска воды из водохранилища или подачи воды водопотребителям, а другая как служебная галерея (рис. 13.59). которая служит для прохода к затворам в головной части трубы и может использоваться как канал для подачи воздуха при частичных открытиях затвора.


Если отверстие для приема воды в трубчатый водосброс расположено у дна, то водосброс является одновременно водовыпуском (водоспуском). В случае применения башни с поверхностным водосливом или сифоном в голове трубы для устройства водовыпуска в нижней части башни приходится предусматривать специальные водоприемное напорное отверстие и затворную камерус байпасом (рис. 13.56, а).

Если в составе гидроузла имеется береговой водосброс, то трубчатый водосброс, предназначенный для пропуска воды в период строительства; приспосабливают для работы в качестве водоспуска или водосброса для полезных попусков, обычно используя его как галерею, в которой прокладывается водоспускная или водосбросная труба на всей длине галереи или на ее части (рис. 13.55). Головное устройство должно иметь сороудерживающие решетки для защиты трубы от попадания в нее сора и топляка.

Концевая часть водосброса обычно устраивается в виде водобойного колодца с гасителями или без них (см. §4.3). Использовать сопряжение бьефов отбросом струи обычно не удается, так как выход из трубы, как правило, заглублен под уровень воды в нижнем бьефе.

Грунтовые водосливные плотины. Грунтовая плотина может стать водосливной, если на ней устроить быстроток со сбросным каналом по низовому откосу, дно и борта которого защищены от размыва водным потоком креплением, деформирующимся при осадках плотины и обеспечивающим пропуск расчетных расходов воды и льда. Этим требованиям отвечают крепления из горной массы, сортированного камня или сборных железобетонных элементов (плит).


Наиболее простым и экономичным является крепление из горной массы или сортированного камня, отсыпаемых или укладываемых вручную. При известных диаметре камня, способе его укладки (отсыпка или мощение) и уклоне водосливного откоса допустимый удельный расход поверх сооружения может быть определен по графикам (рис. 13.60). Как видим, возможности пропуска воды поверх грунтовой плотины, защищенной каменным креплением, ограничены удельным расходом до 6 7 м2/с.

При устройстве на грунтовой плотине водосливного участка, защищаемого камнем, необходимо выполнять ряд условий:

1) камень на водосливном откосе должен быть уложен по принципу обратного фильтра в несколько слоев для предотвращения суффозии грунта тела плотины;
2) низовой участок водосливного откоса, обеспечивающий поверхностный режим сопряжения бьефов и предохраняющий сооружения от подмыва, должен иметь соответствующую конфигурацию и специальное крепление;
3) борта водосливного участка (лотка) следует выполнять в виде защищенных камнем откосов с уклонами 1:2,51:3,5.

Грунтовые водосливные плотины с каменным креплением в качестве эксплуатационных водосбросов применяют крайне редко. Однако в процессе строительства грунтовых плотин пропуск паводковых расходов переливом через недостроенное защищенное камнем сооружение в гидротехнической практике осуществлялся неоднократно, в том числе и в нашей стране (Сытыканский гидроузел в Якутии).

Удельные расходы воды на водосливной грунтовой плотине можно значительно увеличить, используя конструктивное решение водосливного участка, предложенное П.И. Гордиенко [52]. Проектирование водосливной грунтовой плотины ведется на основе сформулированных им следующих основных положений:

1) в целях обеспечения поверхностного режима сопряжения бьефов уклоны водосбросного канала на низовом откосе назначаются в пределах 1:71:10;
2) водослив представляет собой монолитную бетонную плиту, а водосбросной канал имеет крепление из клиновидных железобетонных элементов (плит), уложенных на надежный обратный фильтрдренаж;
3) для защиты низового откоса от промерзания кривая депрессии заглубляется путем устройства внутреннего дренажа (рис. 13.61, а).

Плиты клиновидного профиля укладываются с перевязкой швов снизу вверх на спланированный откос с напуском верхнего ряда на нижний (рис. 13.61, б). Водосливная часть плотины с глухими ее частями сопрягается боковыми откосами или подпорными стенками.

В дальнейшем эта конструкция водосливной грунтовой плотины была усовершенствована и внедрена в практику Ю.П. Правдивцем [150]. Выполненные им исследования показали, что устойчивый поверхностный режим сопряжения бьефов может быть обеспечен и на более крутом откосе, если в конце сбросного канала устроить носокуступ (на скальном основании) или носокковш (на мягких грунтах). При этом поверхностный режим сопряжения достигается во всем диапазоне изменения расходов воды и глубин нижнего бьефа при устройстве концевого носкауступа длиной по потоку не менее двух толщин струи при пропуске расчетного паводка с углом подъема верхней грани 68° и с заглублением верха носка (в первом приближении) под минимальный уровень нижнего бьефа и выбором надлежащей высоты уступа (глубины ковша). Конструкция указанных концевых участков показана на рис. 13.62.


При такой конструкции концевого участка уклон водосливного грунтового откоса зависит от расчетного удельного расхода, сдвиговых характеристик грунта подстилающего слоя и размеров плит сборного крепления. На суглинистых грунтах уклон откоса назначают в пределах 0,12 0,15, на песчаных 0,15 0,2; откосы из галечника и рваного камня допускают уклоны более 0,2. По условиям обеспечения поверхностного режима сопряжения сбрасываемого потока с нижним бьефом уклон откоса в примыкании к концевому носку не должен превышать 0,15. Если общий уклон откоса более 0,15, то его концевой участок длиной шесть восемь толщин струи при пропуске расчетного паводка следует плавно (путем уположения) сопрячь с носком. Боковые откосы водосливной части плотины выполняют с уклоном, допускающим планировку грунта бульдозером.


Для предварительного назначения толщины плит сборного крепления можно пользоваться графиками (рис. 13.63). При этом толщину плиты по концам рекомендуется принимать примерно равной следующим величинам. Если плиты крепления используют для устройства водосбросного тракта в теле грунтовой плотины на период строительства и эксплуатации гидроузла, то их следует изготовлять с консольюнапуском (см. рис. 13.61, б). В случае устройства временного водосбросного тракта одно, двухразового использования с последующей разборкой крепления применяют плиты упрощенной конструкции (см. рис. 13.61, в). Можно также применять плоские дорожные плиты при ступенчатой (в нахлест) их укладке с устройством дренажной щели (см. рис. 13.61, г).

Плиты сборного крепления укладывают по предварительно отсыпанному обратному фильтрудренажу, который обеспечивает защиту грунта тела плотины от фильтрационных деформаций и безопасный отвод фильтрующейся воды из подплитной области. В зависимости от грунта тела плотины фильтрдренаж выполняют двух или трехслойным. При подборе зернового состава слоев используют известный критерий в виде. Толщину слоев фильтра назначают из условия, но не менее 0,2 м. Возможно также использование в фильтре дренаже синтетических проницаемых рулонных материалов (пленок), обеспечивающих суффозионную прочность грунта и требуемую водопроницаемость. При возведении грунтовой водосливной плотины особое внимание следует уделять достижению проектной плотности грунта плотины и качественной укладке обратных фильтров под плитами, т.к. ими определяется надежная работа всего сооружения.

Дренажные отверстия в плитах могут быть круглыми или плоскими в виде щелей при общей площади дренирования в пределах 5% площади плиты. Важно. чтобы размеры отверстий были меньше диаметра частиц верхнего слоя фильтра.

Водослив на гребне плотины выполняют в виде водослива с широким порогом или трапецеидального профиля без затворов с отметкой порога на НПУ. Конструктивно водослив оформляют в виде одного или нескольких сборных железобетонных закрытых каналов прямоугольного сечения или нескольких труб. Водосливной порог на гребне плотины должен проектироваться с учетом возможных осадок плотины, обращая особое внимание на качество сопряжения подошвы водослива с противофильтрационным устройством плотины (ядром, экраном). Удельный расход q на гребне водослива определяется отметкой ФПУ по формуле:


Тогда ширина сбросного канала на низовом откосе плотины вычисляется путем деления величины паводкового расхода на величину удельного расхода.

Работоспособность сборного железобетонного крепления проверена натурными испытаниями в специальном лотке при удельном расходе воды до 60м3/с пм и при скорости течения воды до 23 м/с, В России с 1976 года построено 12 грунтовых водосливных плотин высотой до 20 м и с удельным расходом до 20 м3/с на погонный метр (рис. 13.60) [149]. Аналогичные конструкции были применены в США, Англии, Австралии для устройства аварийных водосбросов поверх эксплуатируемых грунтовых плотин [218]. Результаты наблюдений за их работой позволяют сделать вывод о перспективности таких сооружений. Стоимость грунтовой водосливной плотины в 23 раза дешевле, чем строительство берегового быстротока или башенного водосброса.

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

на главную