ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОДОСБРОСОВ В ТРОПИЧЕСКИХ ЗОНАХ
Одна из основных особенностей стран с жарким климатом - дождевое или смешанное ледниково-дождевое питание речной сети. Речные расходы влажного и сухого периодов отличаются друг от друга в десятки, сотни и даже тысячи раз, одновременно достигая огромных значений (абсолютных) - от нескольких тысяч до сотен тысяч кубометров в секунду. В этих условиях чрезвычайно большую роль играет вопрос о надежности гидрологических прогнозов.
Необоснованное завышение максимальных расчетных расходов неизбежно ведет к увеличению размеров и удорожанию водосбросов и водовыпусков, а необоснованное занижение расчетных расходов может привести к весьма неблагоприятным последствиям - полному или частичному разрушению самих сооружений, а также крепления и различных объектов в нижнем бьефе гидроузла. Известны примеры экстраординарных ущербов экономике развивающихся стран, не поддающихся точной оценке, с многочисленными человеческими жертвами, разрушением как гидроузлов, так и жилых поселков, уничтожением ценнейших культурных памятников и др.
В разных странах расчетные обеспеченности расходов назначают по-разному с учетом экономических условий и допускаемой возможности разрушения водопропускных сооружений гидроузла с минимальным ущербом. Часто на эти обстоятельства накладываются еще и традиции гидротехнических школ развитых стран, оказывающих содействие в строительстве гидротехнических сооружений. Гидротехники США для уменьшения риска разрушения водосбросов в развивающихся странах, как правило, принимают на всех гидроузлах в качестве расчетного максимальный паводок обеспеченностью 0,01 %. Специалисты из СНГ и ряда восточноевропейских государств при определении расчетных значений максимальных расходов водопропускных сооружений речных гидроузлов пользуются рекомендациями Строительных норм и правил (СНиП 2.06.01.86), основанных на градации этих сооружений на классы. Обеспеченность расчетного расхода устанавливается при этом в зависимости от класса для двух расчетных случаев - основного и поверочного.
Временные водосбросы в государствах СНГ проектируют на максимальные расчетные расходы, обеспеченность которых назначается в зависимости от класса и срока эксплуатации сооружения для одного лишь основного расчетного случая.
Особенно сложно назначать расчетные расходы для малоосвоенных регионов стран с жарким климатом, так как здесь часто отсутствуют длительные ряды гидрометрических наблюдений. В этих случаях необходимо применять сложные статистические и вероятностные методы, позволяющие максимально учитывать имеющуюся ограниченную информацию. Так как в большинстве стран с жарким климатом паводки на реках имеют дождевой характер, поэтому определение вероятностного распределения их максимальных расходов по традиционным методикам менее эффективно, чем по косвенным методам, позволяющим использовать в качестве переменных данные об осадках и потерях (метод единичного гидрографа, метод максимизации осадков и др.) [49].
Водосбросное сооружение обеспечивает безопасность и надежность эксплуатации гидроузла. Анализ большого числа аварий, происшедших на многих гидроузлах мира, показал, что на втором месте в числе причин этих аварий стоят разрушения и дефекты строительства водосбросов. В странах с жарким климатом получил распространение ряд общих для всей мировой гидротехники тенденций пропуска паводковых расходов через створ гидроузла. Основные из них следующие.
Если русло и пойма реки достаточно широки и позволяют беспре-пятственно разместить основные сооружения для пропуска паводков, то постоянные водосбросы возводят, как правило, на пойме, преимущественно на выпуклом берегу, оставляя реку в естественном русле, суженном искусственными перемычками, защищая от затопления участок строительства. После перекрытия русла расходы строительного периода пропускают через постоянные водопропускные сооруже-ния - водосбросы, водовыпуски, судоходные шлюзы и др. В необходимых случаях устраивают дополнительные временные отверстия или предусматривают штрабление постоянных водосбросов, чтобы увеличить их пропускную способность при малых наполнениях водохранилища. По мере роста плотины и увеличения регулирующей способности водохранилища временные отверстия перекрывают и осуществляют пропуск паводка только через постоянные водосбросы. Пример реализации такой тенденции - гидроузлы, построенные в ряде государств Южной Африки.
Если речная долина узкая, то основные водосбросы возводят непосредственно в русле, защищая их котлован перемычками, которые полностью (или частично) перекрывают реку. Строительные расходы пропускают через временные сооружения (Южная Африка, Северная Африка, Индия). В ряде случаев, чтобы удешевить строительство, максимальные расходы этого периода пропускают по руслу реки с переливом через перемычки и недостроенные основные сооружения (Южная Африка), сохраняя, однако, при этом и временные строительные водосбросы - туннели, обеспечивающие пропуск 30...50 % расчетного расхода.
На ряде гидроузлов с бетонными плотинами строительные расходы пропускают через донные и глубинные водосбросы, устроенные непосредственно в плотине (Индия, Шри-Ланка). При наличии большого числа таких водосбросов можно отказаться от устройства строительных туннелей.
Если подпор в русле создается с помощью достаточно высокой грунтовой плотины, то по мере наращивания ее высоты предусматривают поочередное включение временных туннельных водосбросов, расположенных на разных уровнях, до тех пор пока не возникнет возможность переключения пропуска паводка на постоянные водосбросы (Южная Америка, Индия).
По конструктивным признакам в гидроузлах стран с жарким климатом можно выделить следующие основные типы водосбросов: глубинные, включая донные, возводимые непосредственно в теле бетонной плотины, а иногда в виде труб, уложенных под грунтовой плотиной; туннельные напорные и безнапорные в берегах и русле с фронтальными, боковыми или шахтными водоприемниками; другие водосбросы, включая переливные и размываемые грунтовые плотины, холостые водовыпуски гидроэлектростанций и др. По местоположению водосбросы бывают русловыми, пойменными или береговыми. Надежнр.сть водосбросов, как правило, нарастает по мере увеличения числа их водопропускных отверстий и уменьшения размеров затворов, применения специальных мероприятий по защите проточных частей от кавитации, абразивной эрозии и вибрации.
При проектировании водосбросов необходимо обеспечивать благоприятные условия подхода потока к ним, использовать рациональные и симметричные схемы маневрирования затворами, создавать устойчивые режимы в туннеле и надежный режим сопряжения бьефов и др. По экологическим условиям нельзя допускать большие общие и местные размывы и переформирования рельефа дна ниже гидроузла, а также существенные обрушения берегов.
Выбор компоновочного решения и конструкций водосбросов, выполняется, как правило, на основе технико-экономического сопоставления возможных вариантов. Влияние различных факторов оценивается с учетом опыта исследований, проектирования и эксплуатации аналогичных сооружений в сходных по природным условиям регионах.
На большинстве многоводных рек Африки и Латинской Америки, имеющих остропиковые ливневые паводки, для пропуска последних используются как открытые, так и закрытые водосбросы с высокой пропускной способностью. Открытые шире распространены в Латинской Америке. Примерами таких водосбросов являются веерные (мексиканские) водосбросы. На многоводных реках Африки намети лась тенденция использования для пропуска весьма значительных сбросных расходов закрытых глубинных водосбросов, что особенно характерно для гидроузлов с высокими бетонными плотинами (Кариба, Кабора Басса, Кукуан и др.). Бьефы на этих гидроузлах сопрягаются во многих случаях путем отброса струи непосредственно на выходе потока из глубинного водосброса как с помощью носка-трамплина, так и без него. Ограничением использования глубинных водосбросов считают малые регулирующие объемы водохранилищ, особенно в составе гидроузлов с грунтовыми плотинами, располагающихся на водотоках с малой гидрологической изученностью.
Для пропуска быстронаступающих ливневых паводков часто применяют (особенно на относительно небольших гидроузлах с малыми объемами водохранилищ) водосливные отверстия без затворов на гребне, что упрощает эксплуатацию гидроузла и повышает его надежность.
На многих реках стран Латинской Америки при широких створах и относительно небольших напорах (до 60 м) эффективно используют в качестве подпорного сооружения грунтовые плотины, а в качестве водосброса - конструкции, совмещающие в одном сооружении водосброс и гидроэлектростанцию (иногда гидроаккумулирующую станцию). Это техническое решение позволяет облегчить условия пропуска строительных расходов и уменьшить объемы бетона. При проектировании и строительстве таких сооружений широко используют большой опыт возведения аналогичных по конструкции объектов, накопленный в СНГ.
При сооружении гидроузлов с высокими грунтовыми плотинами (Южная и Юго-Восточная Азия) строительные туннели применяют в качестве постоянных эксплуатационных водосбросов. В тех случаях, когда последние рассчитаны на пропуск весьма значительных расходов, туннели либо совмещают с напорными водоводами деривационных гидроэлектростанций (Индия, Шри-Ланка), либо используют в последующем в качестве водоспусков, водовыпусков или резервных водосбросов.
Для пропуска паводков относительно редкой повторяемости в ряде случаев применяют резервные вспомогательные водосбросы. Требования к выполнению их сливных граней и поверхностей проточных частей существенно снижают по сравнению с требованиями к основным водосбросам. Меньшую требовательность предъявляют и к гидравлическим условиям сопряжения бьефов за этими сооружениями. Гребни их головных частей чаще располагают на более высоких отметках, чем гребни основных водосбросов.
При строительстве контрфорсных плотин водосбросы во многих случаях удается разместить в контрфорсах (Латинская Америка, Африка). В этом случае расход пропускается на относительно узком фронте через несколько ярусов отверстий, поэтому он может быть весьма значительным (гидроузел Альквева - до 12 000 мэ/с). В концевых частях таких водосбросов приходится распределять поток по ширине русла в нижнем бьефе.
Существенный прогресс наблюдается в развитии методов пропуска максимальных расходов периода строительства. Все чаще в качестве технического решения этой проблемы используют перелив воды через грунтовые сооружения. Сливная поверхность последнего защищается наброской камня, бетонными плитами, стальной сеткой поверх наброски, габионами и др. (Южная Африка, Латинская Америка, Австралия, Индия, Шри-Ланка и др.).
