Глава 12

ВОДОСБРОСЫ И ВОДОСПУСКИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

12.1. Водосбросы

Водосбросы в виде водосливных бетонных или железобетонных плотин применяют при больших паводочных расходах или когда по каким-либо причинам иное решение оказывается нецелесооб­разным. Наиболее часто водосбросы располагают на берегу в сто­роне от плотины или под плотиной на грунте ее основания. Такое положение объясняется тем, что грунтовые плотины дают осадку, особенно если они расположены на сжимаемом основании, в ре­зультате чего в водопропускных сооружениях, расположенных в теле плотины, возможно появление трещин, через которые будет

377

происходить фильтрация воды в тело плотины, что может привести к ее аварии. Кроме того, для возведения береговых водосбросов обычно требуется меньше привозных материалов.

Береговые водосбросы могут быть разных типов. Основными признаками, определяющими тип берегового водосброса, являются гидравлические и конструктивные особенности его сбросной части. Водосбросы, используемые в гидроузлах, возводимых для водо­снабжения, состоят из четырех основных частей (рис. 12.1): под­водящего канала 7, водослива (головного сооружения) 6, быстро-

Рис. 12.1. Схема гидроузла с открытым береговым водосбросом: / — русло реки; 2— 1рунтовая плотина, 3 — концевая часть быстротока, 4 - быстроток с уклоном 1, 5 — промежуточный канал, 6 — водослив; 7 — подводящий канал

378

тока или многоступенчатого перепада 4 и концевого участка с отводящим каналом 3 (если он требуется). Иногда между водосли­вом и быстротоком устраивают промежуточный канал 5. Подводя­щий канал обычно делают с горизонтальным дном, часто криволи-линейным в плане, трапецеидального сечения с заложением отко­сов 1 : 1,5... 1 : 2,5 в нескальных и ~2: 1 в скальных грунтах. Пло­щадь сечения канала подбирают так, чтобы при максимальных расчетных расходах скорости течения в нем были неразмывающи­ми для грунтов, что позволяет обходиться без его крепления, за исключением подходной части к водосливу, где скорости течения возрастают.

Рис. 12.2. Схема траншейного водосброса с водосливами с носками и без них для устранения винтового движения

воды в траншее: /— водослив с носком, 2 — водослив без носка; 3— порог

Головная часть водосброса обычно представляет собой бетон­ную или железобетонную водосливную плотину с напором 2... 5 м, расчет и конструирование которой ведутся так, как указано в гл. 11. Выполняют ее обычно с затворами. При большой расчетной ширине плотины и крутом береговом склоне иногда целесообраз­но головную часть водосброса устраивать в виде траншейного во­досброса (рис. 12.2), который располагается вдоль уреза воды в

379

водохранилище. Водослив траншейного водосброса может быть вы­полнен с затворами и без них. В последнем случае его гребень располагают на отметке НПУ и при расчетах принимают напор на гребне водослива до 2 м. Ширина такого водослива может быть определена по формуле (11.25).

Замена обычной водосливной плотины траншейным водосбро­сом позволяет существенно уменьшить объем выемки грунта, что особенно важно при скальных породах.

Особенностью гидравлики траншеи является переменный рас­ход воды вдоль нее. Глубина воды в конце траншеи может быть меньше, равной или больше критической. Наименьший объем тран­шеи, как показывает опыт, соответствует глубине, равной крити­ческой.

Траншейный водослив может быть выполнен с односторонним и двусторонним поступлением воды в траншею. При одностороннем поступлении ее в траншею образуется винтовое движение воды, ухудшающее условия работы всего водосброса в целом. Для борь­бы с этим рекомендуют часть водослива выполнять с носком (рис. 12.2), что обеспечивает поступление воды в траншею с обратным по сравнению с водосливом без носка вращением воды в ней. Вза­имодействие разнозакрученных потоков воды улучшает условия входа воды в быстроток или иное сопрягающее сооружение [19]. С этой же целью целесообразно также в конце траншеи устраи­вать распределительную стенку или порог (рис. 12.2). Предвари­тельно размеры траншеи определяют расчетом, а окончательные принимают по данным модельных исследований.

Гидравлический расчет траншеи можно вести различными ме­тодами. Один из них приведен в справочнике проектировщика [16]. В связи со значительным динамическим воздействием бурного по­тока на элементы траншеи ее днище и борта даже при прочных скальных породах облицовывают бетонными плитами толщиной 0,7... 1,2 м, заанкерованными в скалу. Для снятия фильтрационно­го давления на облицовку траншеи под нею устраивают дренаж.

Быстротоком называют канал с уклоном больше критического. Уклон быстротока может быть постоянным или переменным в за­висимости от уклона местности. Для уменьшения объемов земля­ных работ его целесообразно принимать возможно более крутым, но в то же время достаточно близким к уклону местности. Чаще всего уклоны быстротоков принимают равными 0,05...0,25. В скаль­ных породах они могут достигать 1:1.

Обычно быстротокам придают прямолинейное очертание в пла­не. Однако в условиях сложного рельефа местности и относитель­но небольших расходов воды быстротоки могут быть выполнены и криволинейными (с виражами), что часто позволяет существенно снизить объемы строительных работ. Наличие поворотов на трассе быстротока, вызывая воздействие центробежных сил на поток, су­щественно влияет на поперечную форму быстротока на этих участ­ках. Здесь для нормальной работы быстротока его дно должно

380

иметь поперечный уклон со значительной разницей отметок у во­гнутой и выпуклой стенок (рис. 12.3, г) (двойную кривизну).

Рис. 12.3. Поперечные сечения быстротоков:

а, 6 — в нескальных грунтах; в — в скальной грунте на прямолинейном участке; г — в скаль­ном грунте на вираже с постоянной глубиной; / — дренаж; 2 — анкеры

Конструктивно быстроток представляет собой бетонный или же­лезобетонный лоток с прямоугольным, трапецеидальным и реже иным поперечным сечением (рис. 12.3, а...в). При прямоугольном поперечном сечении быстротока его борта выполняют в виде обыч­ных подпорных стенок того или иного типа, а днище на нескальных грунтах укрепляют бе­тонными плитами толщи­ной 0,2.. .0,8 м. В лотках небольшой ширины стен­ки и днище представляют собой монолитную нераз­резанную конструкцию, а при значительных раз­мерах быстротока они ча­ще всего отрезаны друг от друга. По длине лотка стенки и днищ разреза­ют температурно-осадоч-ными швами через 15... 25 м. В быстротоках тра­пецеидального сечения откосы и днища защище­ны облицовкой из бетона или железобетона. Тол­щину облицовки прини­мают конструктивно в пределах 0,15.. .1,0 м. Под облицовкой предусматри­вается дренаж, наиболее часто трубчатый. В скаль­ных прочных породах

быстроток выполняют

обычно прямоугольного сечения без облицовки его стен и днища. В слабых скальных и полускальных породах их защищают бетон­ной облицовкой толщиной 0,2.. .0,3 м, заапкерованной в грунт. Крутизну откосов принимают равной 3 : 1.. .2 : 1.

Ширина быстротока может быть постоянной или переменной по длине. Изменение ее обусловливается стремлением уменьшить объемы бетонных и земляных работ и условиями гашения энергии в нижнем бьефе.

При неравномерном открытии затворов на водосливе в голове быстротока может возникнуть сбойное течение. Широкие криво­линейные в плане быстротоки в этом случае иногда делят на не­которой длине продольными стенками. Такие же стенки (ребра)

381

и с такой же целью иногда делают на входном участке водобой­ного колодца, расположенного в конце быстротока при его тра­пецеидальном сечении. При расширяющемся колодце ребра уста­навливают веерообразно.

При большой распластанности бурного потока, т. е. малом зна­чении отношения глубины потока к ширине лотка, и уклонах i>0,02... 0,025 на быстротоках происходит образование волн, пе­ремещающихся по течению. При этом вместе с формой волны дви­жется и масса воды — формируется волновой поток, который в це­лом является неустановившимся течением. Причиной волнообразо­вания является специфическая структура поля скоростей, обра­зующая при указанных условиях высокие градиенты скорости по глубине и равномерность поля скоростей в плане. Волновой поток оказывает динамическое воздействие на конструкции быстротока. Уменьшаются потери энергии на преодоление сопротивлений, т. е. снижается степень гашения энергии. Исключить волнообразование можно путем создания безволновой структуры поля скоростей. Наиболее просто это достигается приданием поперечному сечению быстротока определенной формы (рис. 12.4), а также искусствен­ным повышением шероховатости лотка

При проектировании быстротока необходимо учитывать влия­ние на его работу аэрации потока, заключающейся в насыщении

Рис. 12.4. Схемы безволновых попе­речных сечений быстротока

Рис. 12.5. Схемы сопряжения быстро­тока с нижним бьефом:

а — без отброса струи, б — с отбросом

струи, / — водосливной колодец; 2 —

трамплин, 3 — воронка размыва

воды воздухом. Вследствие этого поток «разбухает» и глубины на быстротоке значительно возрастают против расчетных. Дви­жение воды по быстротоку в этом случае происходит как бы при большем коэффициенте шероховатости лотка, чем он есть на самом деле. Аэрирование потока в зависимости от шероховатости русла, глубины потока, гидравлического радиуса и уклона быстротока может начаться при средней скорости около 3... 4 м/с.

382

Все показатели аэрированного потока в настоящее время под­даются расчету, и методы их определения изложены в специальной литературе [16].

Рис 126 Рассеивающий трамплин двоя­кой кривизны:

7i и </2 — удельные расходы, м³/с

Сопрягается быстроток с пойменным отводным каналом обыч­но с помощью водобойного колодца или водобойной стенки (см. рис. 12.1). При наличии закругления на быстротоке в конце его необходимо иметь прямой участок. При скальных грун­тах и значительных скоро­стях потока в конце быстро­тока для гашения энергии чаще всего применяют трамплины с сосредоточен­ной струей (рис. 12.5); иног­да используют рассеиваю­щие трамплины (рис. 12.6). Если на каком-либо уча­стке быстротока скорость течения воды достигает пре­дельного значения для его крепления, то для гашения энергии по­тока и уменьшения скорости течения делают водобойные колодцы на этом участке или искусственно повышают шероховатость лот­ка, устанавливая на его дне шашки, пирсы и т. п. (см. рис. 11.15). В последнее время в низконапорных грунтовых плотинах быст­ротоки, используемые для сброса паводковых вод, устраивают иногда в теле самой плотины, как это описано в гл. 10 (см. рис. 10.14 и 10.15)

Многоступенчатый перепад представляет собой канал; разде­ленный по длине на ряд участков, смещенных относительно друг

Рис. 127 Схема многоступенчатого перепа­да без водобойных колодцев / — водослив, 2 — ступени перепада

друга по высоте, и может быть выполнен с водобой­ными колодцами или без них. В последнем случае длина ступеней должна быть такой, чтобы струя, падающая с вышележащей ступени, попадала на пло­щадку нижеследующей сту­пени, на которой и происхо­дит частичное гашение энер­гии воды. Для этого необхо­димо, чтобы длина каждой

ступени была не менее двойной высоты перепада между ступенями (рис. 12.7). Для улучшения гашения энергии воды иногда ступени выполняют с обратным уклоном, но чаще на конце ступени устраи­вают порог, создавая таким образом многоступенчатый перепад из водобойных колодцев (рис. 12.8). При проектировании много­ступенчатого перепада полную высоту перепада Н делят на п сту-

383

Рис. 12.8. Многоступенчатый перепад из водобойных колодцев:

1 — плоский затвор, 2 — продольная стенка, 3 — стенка падения; 4 — водобойный колодец

пеней с перепадом высоты на каждой /г™///п. Наиболее часто ве­личину h назначают в пределах 2.. ,4 м. Выбор ее производят на основании технико-экономического сравнения вариантов. Скорости течения воды в многоступенчатом перепаде не должны превышать 2.. .4 м/с.

Многоступенчатый перепад может быть выполнен с вертикаль­ными (рис. 12.8) или с наклонными стенками падения (рис, 12.9). Вертикальные стенки падения и боковые стенки являются подпор­ными, и их рассчитывают на давление грунта. Наклонные стенки и днищевые плиты подвергают воздействию фильтрационного по-

Рис. 12.9. Многоступенчатый перепад с наклонными стенками:

d — глубина колодца; d_cr — критическая глубина; /-~ обратный фильтр; 2 — тру­ба для отвода воды из обратного фильтра; 3 — труба для сброса воды из ко­лодца; 4 — поверхность воды

тока и проверяют на выпор от фильтрационного давления; для его снижения иногда вдоль перепада устраивают дренаж.

На нескальных и полускальных грунтах продольные и попереч­ные стенки обычно отделяют от водобойных плит водонепроницае­мыми швами, что обеспечивает возможность их независимой осад­ки. Ориентировочно толщину плит и стен в зависимости от свойств грунта и высоты колодцев назначают в пределах: водобойной плиты — 0,5... 1,0 м; водобойной и продольной стенок—'Соответст­венно 0,3...0,7 и 0,5 ...0,7 м по верху, 1,0 ...2,0 и 1,2 ...2,0 м по низу.

В скальных породах выполняют выравнивающую облицовку толщиной 0,3 ...0,4 м.

Размеры колодцев определяют из условия полного гашения энер­гии потока на основании гидравлических расчетов.

В случае большого числа одинаковых ступеней перепада гидрав­лическому расчету подлежат первая, последняя и одна из промежу­точных ступеней. Первая ступень отличается от последующих тем, что поток сходит, не имея перед падением ни водобойного колодца, ни порога (водослива), а последняя —тем, что глубина в нижнем бьефе зависит от местных условий и может быть столь значитель­ной, что прыжок в нижнем бьефе будет затопленным и устройство водобойного колодца окажется ненужным.

13-1324 385

Сравнивая рассмотренные выше сопрягающие сооружения—• быстроток и многоступенчатый перепад, — следует отметить, что выбор наиболее целесообразного из них в каждом отдельном слу­чае должен производиться на основании технико-экономического сравнения рассматриваемых вариантов. Наиболее часто быстроток оказывается более предпочтительным по своим экономическим по­казателям. Многоступенчатые перепады применяют при сравни­тельно крутых уклонах местности и удельных расходах до 15 м³/с. Повороты одной ступени перепада относительно другой, если это необходимо, делают, скашивая пороги в плане. В отдельных слу­чаях при неравномерных уклонах-местности возможна комбина­ция из обоих типов этих сооружений.