Гидротехнические сооружения

где – площадь выходного отверстия; Нд – действующий напор, который определяется следующим об-

разом (рис. 4.32). При истечении из отверстия под уровень нижнего бьефа, то есть если уровень нижнего бьефа выше отметки верхней

кромки выходного отверстия, 1 действующий напор

Hд = УВБ – УНБ1.

Если же уровень нижнего бьефа ниже отметки верхней кромки выходного отверстия, действующий напор

Hд = УВБ – 2 ,

где 2 – отметка центра выходного отверстия.

Коэффициент расхода глубинных водосбросов определяется по зависимости

где – сумма коэффициентов сопротивления – местных и по длине.

Коэффициент сопротивления на трение по длине водосброса вычисляется по формуле

ζдл 2gl ,

С2R

где g – ускорение свободного падения; l – длина водосброса;

R – гидравлический радиус;

ω – площадь живого сечения потока;– смоченный периметр.

150

Коэффициент Шези можно определять по формуле Маннинга:

C 1n R16 ,

где n – коэффициент шероховатости поверхности труб. Для бетонных труб n = 0,012.

В глубинных водосбросах, работающих в напорном режиме, возможны следующие сопротивления: на входе в водовод из резервуара, в пазах плоских затворов, на сороудерживающих решетках, поворотах, сужениях, расширениях и т. д. Коэффициенты сопротивлений определяются по специальной литературе, например [3, 19].

Конструктивные особенности водоприемника напорного водосброса учитываются следующим образом. Если водоприемник поверхностный, его пропускная способность определяется отдельно и должна быть увязана с пропускной способностью водовода. Если водоприемник глубинный, то его конструктивные особенности влияют на пропускную способность водовода наличием собственных сопротивлений (вход, решетки, пазы для затворов и др.).

4.5.2. Расчеты пропускной способности безнапорных трубчатых и туннельных водосбросов

Пропускная способность закрытых водосбросов, работающих в безнапорном режиме, то есть при неполном заполнении их поперечного сечения, определяется главным образом пропускной способностью входной части.

При незатопленной входной кромке (рис. 4.30) водосброс сле-

дует рассчитывать по схеме истечения через водослив.

151

Рис. 4.30. Истечение через закрытый безнапорный водосброс при незатопленной входной кромке (по схеме водослива):

а– неподтопленный водослив с широким порогом; б – подтопленный водослив

сшироким порогом; в – неподтопленный водослив практического профиля

Расчет его пропускной способности выполняется в зависимости от формы поперечного сечения входной части по следующим формулам:

а) для труб прямоугольного или квадратного сечений

Q = σп m b 2g H03/2 ,

где и σп – коэффициенты бокового сжатия и подтопления;

m – коэффициент расхода водослива, величина которого при нулевом уклоне входной части определяется как и для открытых водосбросов; при уклоне, отличном от нуля, – по специальным графи-

кам [3, рис. 13.3];

b – ширина водосливных отверстий;

H0 – напор на пороге водослива с учетом скорости подхода;

152

б) для круглого поперечного сечения (при отсутствии подтопления со стороны нижнего бьефа)

Q = mк d 2g H03/2 ,

где mк – коэффициент расхода, определяемый по формуле

где r – радиус скругления входного оголовка; d – диаметр сечения.

Пропускная способность водосбросов с затопленным входом

(рис. 4.31) при неподтопленном истечении из отверстия определяется по формуле

Q = µS 2g(z hс) ,

где µ – коэффициент расхода, определяемый по формуле (4.18), в которой ∑ζ – сумма коэффициентов сопротивлений на входе;

S – относительная площадь сжатого сечения, которая может быть определена по формуле

S ( ζвх 1) 1 ,

где ζвх – коэффициент гидравлического сопротивления на входе;– площадь сечения водовода на входе:

= b hт;

b – ширина водослива; hт – высота трубопровода;

hc – глубина в сжатом сечении:

hc = hт S.

153

Глубинные водосбросы оборудуются:

рабочими затворами для перекрытия отверстий в эксплуатационный и строительный периоды;

ремонтными затворами или заграждениями для отключения водовода от верхнего или нижнего бьефа как в строительный, так и

вэксплуатационный периоды;

сороудерживающими решетками для предохранения водосбросов от попадания в них топляков и крупных предметов;

подъемными механизмами для затворов и решеток.

Высоту поперечного сечения глубинных водосбросов назначают по табл. 4.2. При этом из условия возможности осмотра и ремонта она принимается не менее 1,8 м. Ширина отверстия назначается по табл. 4.3 и должна быть не менее 1,5 м.

В глубинных водосбросах постоянного поперечного сечения, прямолинейных в плане, работающих как напорные трубы, учитывают следующие виды местных сопротивлений:

на вход;

в пазах затворов;

на сороудерживающих решетках.

Входной оголовок должен обеспечивать поступление воды в водосброс с незначительными потерями напора, иметь, по возможности, простейшие очертания и быть бескавитационным.

155

Расчет пропускной способности глубинных водосбросов рекомендуется выполнять в следующем порядке:

1)исходя из конструктивных требований, задаются формой и размерами отверстия;

2)по вышеприведенным рекомендациям определяют и Нд;

3)по зависимости (4.17) находят пропускную способность одно-

го отверстия Qотв;

4) определяют необходимое количество глубинных отверстий по формуле

n Qp ,

Qотв

где Qp – расчетный расход глубинного водосброса.

4.5.4. Трубчатые башенные водосбросы

Башенные водосбросы (рис. 4.33) состоят из головной части (башни), одной или нескольких ниток труб и концевого участка, на котором при необходимости располагаются гасители энергии потока. Ось башенного водосброса трассируется по возможности перпендикулярно к оси плотины в русле или в пониженных местах поймы.

156

В башне размещаются ремонтные и рабочие затворы, перекрывающие входные сечения труб, сороудерживающие решетки и механизмы для маневрирования ими, а также служебные помещения. Сечение башни в плане может быть круглым или прямоугольным. Толщина стенок башни обычно уменьшается снизу вверх, но она не должна быть меньше 20 см. Размещать башню можно в зоне подошвы верхового откоса плотины, в средней его части или у гребня плотины, но она всегда должна располагаться на прочном материковом грунте. Трубы малого диаметра могут быть металлическими или железобетонными. Металлические трубопроводы чаще всего укладываются внутри железобетонных галерей, которые в период возведения гидроузла используются для пропуска строительных расходов.

Снаружи металлические трубопроводы покрываются антикоррозионным покрытием. Трубы больших поперечных сечений выполняются из железобетона с круглыми, овальными или прямоугольными отверстиями. При устройстве нескольких труб последние объединяются в общую многоочковую конструкцию. Трубы должны располагаться на плотном грунте основания на уровне подошвы плотины или ниже ее, в траншее. По длине трубы разрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной не более 10–15 м. Для предотвращения фильтрации воды через швы они уплотняются шпонками, а для борьбы с контактной фильтрацией воды вдоль трубы в местах стыков секций устанавливаются противофильтрационные ребра(диафрагмы).

Подходный участок к башенному водосбросу выполняется в виде канала, рассчитанного на пропуск строительного расхода. Дно и откосы такого канала крепятся, в зависимости от скорости течения, каменной наброской или бетонными плитами.

Гидравлический расчет башенного водосброса состоит в определении размеров отводящих труб, а также сопряжения бьефов и выполняется в следующем порядке. На поперечном разрезе земляной плотины выбирают местоположение башни и определяют длину трубы. Далее задаются формой и размерами поперечного сечения трубы и по формуле (4.17) находят пропускную способность одной трубы Qтр. Затем определяют необходимое количество труб для пропуска расчетного паводкового расхода

157

n Qрас .

Qтр

Если n получается дробным числом с большим остатком, необходимо скорректировать размеры поперечного сечения, чтобы n получилось целым или близким к нему числом.

По зависимости (4.17) проверяют пропуск поверочного паводкового расхода при уровне верхнего бьефа, равном ФПУ. Если принятого количества труб и их размеров оказывается недостаточно для пропуска поверочного паводкового расхода при ФПУ, то увеличивают либо размер поперечного сечения трубы, либо количество труб.

Расчет сопряжения бьефов выполняется по тем же формулам, что и для открытых водосбросов, при этом при напорном движении воды в трубах первую сопряженную глубину принимают равной диаметру трубы, то есть

h = hс = d.

Размеры башни принимаются конструктивно, главным образом из эксплуатационных требований. Ширина башни определяется размещением трубопроводов, продольные размеры – условиями размещения затворов, решеток, подъемных устройств и др.

4.5.5. Трубчатый ковшовый водосброс

Трубчатый ковшовый водосброс состоит из входной части, одной или нескольких ниток трубопроводов и устройств для гашения энергии потока воды в нижнем бьефе.

Входная часть представляет собой водослив практического профиля либо с тонкой стенкой с подходом воды с трех сторон (рис. 4.34). Водослив может быть автоматического действия, если отметка его порога располагается на отметке НПУ, или регулируемый, если порог располагается ниже отметки НПУ. Во втором случае на пороге устраиваются бычки и устанавливаются затворы. В водосбросах автоматического действия перед входом в трубы устраиваются пазы для шандор, которыми перекрываются отверстия труб при их ре-

158

монте, а также в зимний период во избежание промерзания грунта вокруг труб. За водосливным порогом устраивается ковш, в нижнем конце которого размещены входные отверстия труб.

Рис. 4.34. Трубчатый ковшовый водосброс:

1 – водосливный порог; 2 – ковш; 3 – трубопроводы; 4 – водобойный колодец

Гидравлический расчет трубчато-ковшового водосброса состоит в определении ширины водослива и количества и размеров труб.

Ширина водосливного фронта определяется из формулы пропускной способности водослива (4.1):

где п – коэффициент подтопления; m – коэффициент расхода;

Н0 – напор на пороге водослива с учетом скорости подхода.

159