4. Сооружения для осуществления рекультивационных попусков
4.1. Схемы конструкций водосбросных сооружений
Одной из наиболее распространенных конструкций донных водосбросных сооружений в теле глухих плотин из грунтовых материалов является трубчатый водосброс с башней управления затворами (рисунок 4.1,а). Они различаются по местоположению башни: с выдвинутой башней, находящейся в зоне подошвы верхового откоса плотины; с башней, расположенной в средней части верхового откоса, либо у гребня плотины; с башней, находящейся со стороны низового откоса [9]. Башни водосбросов устраивают обычно прямоугольного сечения в плане; толщина стенок принимается по статическим условиям работы башни и уменьшаются снизу вверх. При этом, следует учитывать допустимые фильтрационные градиенты бетонных стенок. Внешние поверхности башни и галерей необходимо покрывать слоем гидроизоляции.
Донные водосбросные сооружения рекультивационных водохранилищ следует отнести к виду водосбросов-водовыпусков, так как они обеспечивают круглогодичный пропуск и меженных, и паводковых расходов воды. Из условия обеспечения их надежной работы нецелесообразно принимать число галерей меньше двух. Каждую галерею обслуживают два затвора: ремонтный и рабочий. Вопрос о месте расположения затворов и башни управления ими является технико-экономическим и в конкретном случае рассматривается несколько конкурирующих вариантов.
В сооружениях рассматриваемого типа важно обеспечить надежное уплотнение в деформационных швах между секциями труб (галерей) и между башней и трубами с учетом возможных неравномерных осадок [16]. Для предотвращения контактной фильтрации на плоскостях примыкания бетонных труб к материковому или насыпному грунту устраиваются выступы в местах стыков труб, а также устанавливаются диафрагмы.
Очертание входного оголовка, пазов затворов, отдельных элементов камеры управления и трубчатой транзитной части подбирают с учетом результатов прогноза кавитационных явлений. Концевые части трубчатых водосбросов – водовыпусков конструируют с учетом общих требований и рекомендаций.
Такой тип сооружения, в зависимости от трансформируемых водохранилищем расходов воды, работает как в безнапорном, так и в переходном и напорном гидравлических режимах. Основной расчетный случай, по которому определяются размеры сооружения, – безнапорный пропуск руслоформирующего расхода воды на подъеме половодья при незатопленных входном и выходном оголовках. Гидравлическая схема сооружения – подтопленный водослив с широким порогом (рисунок 4.2).
Рисунок 4.1 – Донные водосбросные сооружения:
а – башенный трубчатый, б – безбашенный с катковым затвором,
в – двухярусный на напор до 10 м, г – комбинированный (с сифоном);
1 – плотина, 2 – головная часть, 3 – воздуховод, 4 – галерея (труба), 5 – гаситель
энергии, 6 – донное отверстие, 7 – поверхностное отверстие, 8 – сифон
При работе закрытого водосброса по схеме водослива с широким порогом необходимо учитывать, что в отличие от классического типа водослива дно закрытого водосброса имеет уклон (0 < i ≤ iкр). Уровень воды в нижнем бьефе определяется тем же расходом, который пропускается через сооружение, и подтопление распространяется до сжатого сечения во входном оголовке. При расчете пропускной способности глубину на пороге водосброса h1 (см. рисунок 4.2) следует определять на основании построения кривых свободной поверхности. Значения коэффициентов расхода m, перепадов восстановления ΔZв и коэффициентов подтопления σп следует определять по ВСН – 38 – 70 [18].
Рисунок 4.2 – Схема подтопленного движения потока в трубе
В общем случае, гидравлические расчеты водосбросов – водовыпусков должны обеспечить решение следующих вопросов: определение пропускной способности, подбор очертаний элементов его тракта с минимальными гидравлическими сопротивлениями, устранение возможного появления кавитации, снижение гидродинамических нагрузок, расчет аэрационных шахт, проектируемых для устранения опасных в ряде случаев переменных режимов; определение режимов потока в сооружении при различных расходах, уровнях верхнего и нижнего бьефов и различных открытиях регулирующего затвора; определение нагрузок при различных режимах потока на элементы тракта сооружения (облицовки, затворы, закладные части, разделительные стенки, бычки и др.); расчет концевых участков, связанных в некоторых случаях с расчетом пропускной способности; определение условий сопряжения потока на участке перехода к естественному руслу и определение деформаций грунтов на участке русла реки, примыкающем к сооружению [11].
Безбашенный водосброс с катковым затвором (рисунок 4.1,б) по своей идее должен быть экономичнее донных башенных водосбросов с такой же пропускной способностью. На рисунке 4.3 схематически изображена входная часть водосброса с катковым затвором конструкции НГМА.
Рисунок 4.3 – Оголовок донного водосброса с катковым затвором в условиях грунтовых плотин: 1 – железобетонный оголовок, 2 – “седло” катка,
3 – каток, 4 – тяга (трос), 5 – тяговая скоба, 6 – направляющие стенки,
7 – отводящая труба
Вход состоит из оголовка (1), в стенах которого имеются уступы с цилиндрической поверхностью по всему верхнему периметру (2); радиус кривизны этой поверхности равен радиусу наружной поверхности катка. Для сооружений на малых реках, каток (3) – это цилиндрический бетонный блок в стальной обечайке. Он может быть также выполнен из железобетонной или стальной трубы; своим весом каток накатывается на отверстие по мере ослабления троса (4) лебедкой, установленной у гребня плотины. Трос крепится к тяговой скобе катка (5), соединенной с его осью. Направляющие качение катка стенки (6) располагаются ниже оси катка, но их высота должна быть не менее 0,3 м. Водопроводящая часть (7) и концевой участок сооружения устраиваются аналогично существующим конструкциям закрытого типа. Привод затвора может быть автоматизирован с помощью поплавков [6].
Верх оголовка выполняется из условия наиболее низкой посадки сооружения, при которой подпор уровня воды будет наименьшим. Однако, необходимость сопряжения концевого участка с отводящим речным руслом без водобойного колодца и чрезмерного заглубления выхода трубы требует выполнение высотной привязки сооружения начинать со стороны НБ.
Для транзитной части сооружения наиболее рациональным является безнапорный режим работы; его надежное обеспечение позволит избежать неблагоприятных переходных режимов, а также облегчит условия работы стенок галерей и их уплотнений [9].
Типовое решение открытого регулируемого двухъярусного водосброса (см. рисунок 4.1,в) рекомендовалось Белгипроводхозом при напорах более 6 м. Головная часть сооружения имеет донное и поверхностное отверстие, перекрываемое затвором. Расчетный расход рекультивационного попуска может пропускаться как донным отверстием, так и частично через водосливной порог поверхностного отверстия. Для гашения избыточной энергии потока предусмотрена укладка на водосливе дополнительной решетчатой сливной плиты.
Пример строительства совмещенных сифонных водосбросов, представляющих синтез водосброса и водовыпуска, приведен на рисунке 4.1,г. Такой “комбинированный” водосброс – водовыпуск позволяет повысить пропускную способность сооружения за счет включения в работу сифона. Это необходимо в случаях, когда по топографическим условиям, при регулировании водохранилищем максимальных расходов половодий, не имеется возможности создать достаточную для аккумуляции стока емкость и, следовательно, повысить отметку НПУ. Коэффициенты расхода сифонных водосбросов μ = 0,60…0,62.