5.3. Водоподъемная плотина с вододействующим затвором

Строительство плотин может осуществляться главным образом, в следующих целях:

1. Увеличение продуктивности поймы путем регулирования ее затопления. Продуктивность пойм зависит от характера водного обмена. Лучшие условия возникают и поддерживаются при так называемом промывном режиме, что наблюдалось в естественных условиях. Отсутствие поверхностного затопления поймы по причинам маловодности, недопустимо больших объемов аккумуляции воды в водохранилищах, обвалование ее приводит к замене промывного режима вялыми процессами водообмена грунтового и руслового потоков или к установлению восходящего фильтрационного потока. В этих случаях увеличение продуктивности поймы может быть достигнуто за счет искусственно регулируемого затопления поймы. Чтобы не произошло заиления коренного русла, такое затопление можно производить в конце половодья, когда наносы уже пришли в состояние покоя.

2. Затопление поймы в режиме нерестилищ. Нерест различных видов донских рыб происходит преимущественно в марте-мае. К этому времени расходы воды в малых реках сильно уменьшаются, и процесс затопления пойм, нерест и развитие личинок и мальков происходит под влиянием подтопления малых рек донским половодьем. С вводом в работу Цимлянского водохранилища такое подтопление на Нижнем Дону отсутствует, но его можно имитировать искусственно и повысить рыбопродуктивность Азовского моря.

3. Создание хозяйственных и рекреационных водоемов в коренном русле. Подпор уровня воды в реке во время половодья уменьшает транспортирующую способность потока и проводит к заилению или занесению русла. Поэтому подпор уровня воды допустим только во время покоя наносов, т.е., на спаде половодья и в межень. На длине искусственного подпора будут подперты и грунтовые воды на пойме, что в определенных условиях может оказаться полезным для растительности. Поэтому при проектировании и строительстве водоемов необходимо выявлять наиболее благоприятные условия и подпирать уровень только тогда, когда это действительно необходимо, а не в течение всего года.

Задачи, решаемые устройством плотин и необходимость сохранения или возрождения естественных природных условий, предъявляют к конструкции плотин, строящихся на малых и средних реках, определенные требования, основные из которых следующие:

- в половодье плотина не должна стеснять поток, чтобы не создавать подпора уровней и не нарушать условий промыва русла и транспортирования наносов;

- подпор в русле может быть создан только во время покоя наносов (в конце половодья и в межень);

- создаваемые плотинами водоемы на зиму должны опорожняться, чтобы обеспечить возможность сезонного оттока грунтовых вод с поймы по длине летнего подпора.

Учитывая эти требования, можно сделать заключения об общей характеристике плотины:

- плотина должна быть с низким порогом;

- плотина не должна иметь промежуточных быков и стационарных служебных мостов;

- пролет плотины должен перекрываться разборчатыми или опускными затворами, т.к. подъемные затворы обычно требуют постановки промежуточных быков (плоские и сегментные затворы) и их пролетные конструкции перегораживают отверстия даже в поднятом положении и без промежуточных быков (вальцовый затвор);

- управление маневрированием затворами лучше осуществлять с берега, ввиду отсутствия постоянных служебных мостов.

С учетом этих положений в НГМА на кафедре гидротехнических сооружений разработана конструкция водоподъемной плотины с вододействующим затвором [12].

5.3.1. Конструкция и принцип работы

Водоподъемная плотина (рис. 4.5) состоит из флютбета (1), на котором закреплен рабочий затвор (2) клапанного типа с низовой осью вращения (3) и имеющий отгиб в верхней части (4), который при опущенном положении затвора опирается на верховой порог флютбета плотины. Во флютбете по всей его ширине выполнена галерея (5), соединяемая через отверстие (6) в разделительном бычке (7) с обводным трактом (8). Величина поворота затвор, его наибольшее поднятие фиксируется ограничительной цепью (9), закрепленной между галереей и щитом затвора. Для перекрытия большого пролета рабочий затвор выполняется из секций щитов, имеющих боковые уплотнения (10) (см. план плотины).

Управление работой затвора осуществляется с помощью верхового (11) и низового (12) приводных затворов, расположенных на обводном тракте (8) и отделяющих вход в галерею от верхнего и нижнего бьефов.

Рисунок 5.7 - Водоподъемная плотина с вододействующим затвором.

Этапы работы плотины:

1) Работа в режиме пропуска расхода в половодье. В период прохождения половодья рабочий затвор опущен, верховой приводной затвор также опущен, низовой – поднят и давление на нижнюю поверхность щита рабочего затвора меньше давления от пригрузки его водой и собственного веса. Поток свободно проходит по руслу через плотину.

2) Подъем затвора осуществляется в меженный период, когда расходы воды в реке и глубины незначительны. Для подъема рабочего затвора необходимо иметь избыточное давление под щитом, которое обеспечивается тем, что при прохождении меженного расхода над уложенным затвором, создается перепад между уровнем воды верхнего бьефа и поверхностью потока над щитом. Подняв верховой приводной затвор и опустив низовой затвор, соединяем приводную галерею с верхним бьефом и обеспечиваем давление на нижнюю поверхность щита, соответствующую уровню воды верхнего бьефа, которое должно быть больше давления от пригрузки воды и собственного веса затвора. Под действием выталкивающей силы затвор всплывает и по мере накопления воды в верхнем бьефе поднимается до своего предельного положения, ограниченного цепью.

3) Работа в режиме меженного расхода. Рабочий затвор удерживается в поднятом состоянии за счет гидростатического давления и усилия в фиксирующей цепи. Меженный расход после заполнения аккумулирующей емкости, пропускается в нижний бьеф, путем перелива через верхнюю кромку затвора, как через водослив с тонкой стенкой.

4) Опускание затвора. Из рабочего положения опускание затвора начинается со снятия напряжения с ограничителя движения. Чтобы цепь ослабла, давление воды на щит со стороны нижнего бьефа и вес затвора должны уравновесить давление воды на него со стороны верхнего бьефа. Для этого надо частично сработать уровень верхнего бьефа, что осуществляется пропуском расхода через обводной тракт, когда открывается низовой приводной затвор. Рабочий затвор опускается на порог флютбета, после чего верховой приводной затвор опускается и галерея отключается от верхнего бьефа.

5) Поддержание уровня верхнего бьефа ниже НПУ, если по условиям эксплуатации это требуется, может быть отрегулировано путем пропуска расхода воды через обводный тракт при частично открытых приводных затворах.

6) Промыв приводной галереи от попавших в нее наносов производится во время опускания затвора. Путем маневрирования приводными затворами создаются условия в приводной галерее и обводном тракте, обеспечивающие необходимую для удаления наносов транспортирующую способность.

5.3.2 Исходные данные для проектирования

Створ реки, в котором размещается проектируемая плотина и отметка НПУ заданы. Вычерчивается поперечное сечение русла и строится кривая расходов по рекомендациям, изложенным в пункте 5.2.1.

Расчетный расход воды, при котором должен обеспечиваться подъем щитов затвора принимается как наибольший меженный расход, т.к. при меньшем расходе воды в межень, в этом случае, всплытие затворов будет обеспечено. За расчетный расход принимается расход дождевого паводка обеспеченностью 25 % - . С кривой расходов устанавливается соответствующий ему уровень воды - .

Для определения отметок верха береговых устоев плотины и разделительного бычка по известному расходу находим соответствующую отметку .

Ширина плотины не должна превышать ширину реки на уровне пойменной бровки - .

Отметка понура предварительно назначается на уровне дна реки или немного выше:

м.

5.3.3. Выбор местоположения обводного тракта и определение

ширины рабочей части плотины

Возможные схемы расположения обводного тракта приведены на рисунке 5.8. При малых расчетных расходах в реке, когда ширина обводного тракта получается небольшой, можно разместить его в пределах русла (см. рисунок 5.8,а).

Рисунок 5.8 – Варианты компоновки обводного тракта.

Расчетная схема для определения ширины рабочей (водосливной) части плотины приведена на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 – Расчетная схема для определения ширины плотины

Ширину обводного тракта можно определить из условия пропуска расчетного расхода при напоре на пороге тракта:

, (5.18)

, (5.19)

где - объем сработки верхнего бьефа; ориентировочно его можно получить из формулы:

, (5.20)

где - уклон реки на участке;

- время понижения уровня, которое назначается из условий эксплуатации; принимается от 10 часов до 2-х суток.

, (5.21)

где - коэффициент бокового сжатия [5];

- коэффициент расхода водослива с широким порогом ( 0,32 или по [5]).

Ширина обводного тракта обычно не менее 1,0 м и принимается стандартной для размещения приводных затворов [13].

Толщина разделительного бычка принимается конструктивно без выполнения статических расчетов. Учитывая, что бычок и береговой устой жестко связаны между собой приводными затворами, толщину бычка принимают 0,5 – 1,0 м.

Ширина водосливной части плотины:

(5.22)

Поскольку рабочий затвор состоит из секций, ширина которых по условиям изготовления и транспортировки 3,5 - 4,0 м, то:

(5.23)

Полученная величина должна удовлетворять условию (5.22), в противном случае необходимо удалить или добавить одну секцию затвора.

5.3.4. Определение размеров щита затвора

Расчетная схема приведена на рисунке 5.10. Отметка оси затвора принимается конструктивно из условия размещения опорного шарнира, но не менее 0,5 м от отметки понура:

, м. (5.24)

Рисунок 5.10 – Схема затвора в рабочем положении.

Угол наклона щита к горизонту зависит от условий опускания затвора и будет тем меньше, чем быстрее надо опустить затвора; оптимальное его значение 65-75⁰.

Угол отгиба принимается из условия достаточного прижатия отгиба к порогу плотину и рекомендуется = 45⁰.

Напор на затворе:

. (5.25)

По этой величине определяется предварительно вес затвора по эмпирическим формулам для плоского щита [14,15, 9]. Удельный вес 1 м² затвора рекомендуется вычислять по формуле:

, т/м² . (5.26)

Тогда высота отгиба из условия плавучести щита определяется как:

, (5.27)

где - плотность воды ( = 1,0 т/м³);

запас на возможное отложение наносов при уложенном щите, на трение в опорном шарнире и уплотнениях при всплытии затвора ( 0,06 – 0,15 м).

В таблице 5.1. приводятся значения в зависимости от напора на щите затвора.

Таблица 5.1. - Вес 1 м² затвора в зависимости от напора на затворе

, м	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0
, т/м2	0,18	0,29	0,39	0,48	0,56

Габаритная длина затвора:

(5.28)

Длина части затвора без отгиба:

(5.29)

5.3.5. Определение высотного положения затвора

Расчетная схема приведена на рисунке 5.11.

Рисунок 5.11 – Схема к определению отметки верхового порога.

Необходимый перепад уровней принимается из условия всплытия затвора при расчетном расходе :

Из условия работы плотины, как затопленного водослива при расчетном расходе и необходимом перепаде уровней , определяется глубина на низовом пороге:

. (5.30)

Приняв глубину на пороге равной глубине подтопления, получаем минимальную отметку оси затвора :

. (5.31)

Если , то ось затвора необходимо поднять до и уточнить напор на затворе и размеры затвора; если , то условие всплытия соблюдается и поскольку понур «посажен» на низкие отметки дна реки, то положение оси менять не следует.

Отметка верхового порога в этом случае будет:

. (5.32)

Напор на верховом пороге (см. рисунок 5.11):

, (5.33)

где = 0,372 (по результатам исследования на модели).

Отметка верхового порога при незатопленном истечении через порог:

. (5.34)

За отметку верхового порога принимаем наибольшую из условий (5.32) и (5.34).

Для справки: Принятую сравниваем со средней отметкой дна реки, т.к. необходимо выдержать условие, что в половодье плотина не будет создавать подпора уровней воды:

, (5.35)

где - отметка пойменной бровки на поперечном сечении русла;

- площадь сечения русла при уровне ;

- ширина русла на отметке .

Если , то необходимо на величину разницы предусмотреть возможность понижения отметки понура и если понур уже на самых низких отметках дна, то необходимо пересмотреть расчетный расход. Если , то имеется возможность приподнять понур и следует только откорректировать высотную привязку сооружения.

Слой форсировки (слой переливающейся воды при поднятом затворе) определяется по зависимости (5.36) при коэффициенте расхода = 0,42:

. (5.36)

Отметка ФПУ: .

5.3.6. Приводная галерея

Приводная галерея служит для поднятия рабочего затвора, обеспечивая создание избыточного давления под щитом при сообщении с верхним бьефом через обводной тракт (см. рисунок 5.11). Очевидно, это условие не лимитирует размеры галереи. Учитывая возможность протечек через уплотнения щитов, необходимо поперечное сечение галереи назначить достаточным для создания безнапорного движения в галерее, чтобы исключить самопроизвольное всплывание затвора.

Величину расхода, протекающего через уплотнения, можно определить как:

, (5.37)

где - удельный расход протечек (расход через 1 м уплотнения);

- суммарная длина уплотнений:

. (5.38)

Удельный расход через уплотнения зависит от конструкции и материала уплотняющих устройств и необходимо добиваться его уменьшения. Однако в реальных условиях исключить протечки невозможно; по имеющимся данным они достигают 1,5-2,0 л/с [15]. Упрощенный расчет галереи заключается в определении глубины воды от протечек при принятых ширине и скорости воды в галерее:

, (5.39)

где 0,5 м/с (из условия транспортирования наносов, попавших в галерею с просочившейся водой);

(т.е. длина затвора без отгиба).

Необходимо соблюдение условия: 0,4 м.

Детальный расчет галереи заключается в определении положения свободной поверхности и уклона дна галереи методом конечных разностей [5]. Расстояние между расчетными створами удобно принимать равным ширине щита, тогда приращение расхода определится протечками через уплотнения одной секции затвора.

5.3.7. Нижний бьеф

При расчете сопряжения бьефов за плотиной, оборудованной вододействующим затвором, возможны три расчетных случая выпуска потока в отводящее русло, которые необходимо проанализировать, чтобы выявить наиболее тяжелые условия работы и назначить конструкцию нижнего бьефа:

1) Затвор плотины опущен, при этом расход проходит над затвором, обводный тракт закрыт и удельные расходы, проходящие через плотину больше, чем в бытовом русле. Расчетная схема приведена на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12 - Схема к расчету нижнего бьефа (случай 1).

Незатопленное истечение будет, когда:

. (5.40)

Критическая глубина:

, (5.41)

где .

Определив критические глубины для различных значений расхода , можно получить графическую зависимость . Совместив её с графиком бытовых глубин , получим диапазон расходов, при которых будет незатопленное истечение (см. рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 – Графики зависимости глубин от расходов воды.

1 – область расходов в реке, при которых возможно незатопленное истечение.

Кривую можно получить из кривой (см. рисунок 5.2,б), если из соответствующих отметок уровней воды отнять отметку дна русла, т.е. для .

Для расходов, при которых будет незатопленное истечение, производится расчет сопряжения бьефов по известным методикам [15, 19, 5].

2) Затвор плотины поднят, перелив через верхнюю кромку отгиба затвора. В поднятом положении рабочий затвор в гидравлическом отношении представляет водослив с тонкой стенкой. Расчет сопряжения бьефов производится на наибольший меженный расход, при котором работает плотина , т.к. в этом случае поток обладает наибольшей энергией.

3) Обводный тракт открыт, рабочий затвор поднят, что соответствует периоду опускания затвора, когда через него уже нет перелива. В этом случае через обводный тракт проходит расход (см. формулу 5.19); удельные расходы больше, чем при переливе через затвор, а глубины в нижнем бьефе остаются практически те же. Могут возникнуть неблагоприятные условия в месте выпуска потока через обводный тракт. Расчетная схема приведена на рисунке 5.14.

Рисунок 5.14 - Схема к расчету нижнего бьефа (случай 3).

В этом случае необходимо предусмотреть устройство дополнительных гасителей энергии и при расчете учесть конструктивное оформление обводного тракта: по фронтальному или боковому принципу выполняется выпуск потока в нижний бьеф. Расчетом также определяется оптимальная из условия безопасности нижнего бьефа величина открытия верхнего приводного затвора (нижний приводной затвор при этом открыт полностью).

4.3.8. Конструирование водоподъемной плотины

Конструкция флютбета плотины должна обеспечивать надежность сооружения при любых режимах работы, не допускать фильтрационные деформации основания и в то же время быть экономичной.

Вес флютбета, обеспечивающий его устойчивость на сдвиг, можно установить из следующей зависимости (весом самого затвора пренебрегаем, ввиду того, что он мал по сравнению с гидростатической силой):

, (5.42)

где - коэффициент трения;

- плотность воды.

Ориентировочные значения веса флютбета и его толщины (для плоской плиты водобоя) в зависимости от напора и угла наклона щита приведены на рисунке 5.15.

Длина подземного контура проверяется на общую (казуальную) фильтрационную прочность основания. Наиболее тяжелый случай работы будет при полностью поднятом затворе до начала перелива через него воды, т.е. когда уровни в нижнем бьефе минимальные (можно принять уровень воды на отметке дна).

Контролирующий градиент [14]:

, (5.43)

где .

Длина понура . Понур может выполняться как бетонным, так и глиняным с тщательным уплотнением.

Длина флютбета (порога) с учетом ширины верхового и низового порогов принимается ; заглубление зубьев флютбета от поверхности основания – не менее 0,5 м; под плитой выполняется бетонная подготовка толщиной не менее 0,10 м.

Длина водобоя определяется расчетом нижнего бьефа или принимается в курсовой работе конструктивно: .

Длина рисбермы (слива): . Рисберма выполняется из железобетонных блоков-плит или из каменной наброски; толщина плит крепления рисбермы – 0,2 – 0,3 м, толщина каменной наброски – 0,3 – 0,4 м. Под рисбермой укладывается гравийно-песчаный двухслойный обратный фильтр, толщина каждого слоя 0,15 – 0,20 м. В конце рисбермы устраивается заглубленный каменный зуб не менее 1,0 м.

Толщина бетонного понура – 0,20 – 0,30 м. Толщина плиты водобоя – 0,3 – 0,6 м в зависимости от напора .

Чертеж эскизного проекта водоподъемной плотины может выполняться на миллиметровке в карандаше или с использованием компьютерной графики, с соблюдением действующих стандартов для строительных чертежей.

Рисунок 5.15 – Графики зависимости веса и толщины плоского флютбета

от напора и угла наклона затвора