Для перехода через широкие и глубокие долины вместо акведуков, стоимость которых в данных условиях весьма велика, применяют напорные трубопроводы — дюкеры. Они применяются также для провода воды под дорогами, когда уровень воды в канале располагается в пределах габарита подвижного состава дорог и когда, следовательно, нельзя перевести воду над дорогой акведуком, а также при переходе под встречным каналом, уровень воды в котором близок к уровню воды каналов дюкера.
Небольшие дюкеры, работающие под малым напором, устраивают из круглых бетонных звеновых труб или прямоугольного поперечного сечения.
Схема небольшого колодезного дюкера показана на рисунке 5—16; здесь входной и выходной колодцы снабжены грязевиками, устраиваемыми для осаждения наносов (с последующим вычерпыванием их) и для более удобной очистки горизонтальной трубы при опорожненном дюкере. Для последней цели полезно снабжать дюкер верхними и нижними затворами (преимущественно шандорными).
Перед дюкером обязательна установка решетки для улавливания мусора. Во избежание несчастных случаев вход и выход из дюкера следует закрывать сверху крышками.
Расстояние от дна канала, под которым прокладывается дюкер, до верха горизонтального участка дюкера назначается не менее 1 м. При проложении дюкеров под речками это расстояние должно быть больше глубины размыва дна реки на 0,5—0,7 м.
На рисунке 5—17 показан дюкер из железобетонных звеновых труб и его детали — стыки труб, бетонная подготовка под трубы, торцовое и угловое соединения труб.
Сборно-блочные дюкеры, в которых и трубы и оголовки (входной и выходной) устраивают из блоков, аналогичны трубчатым конструкциям ливнеспусков (рис. 5—2), в которых выходная часть трубы устраивается приподнятой, так же как входная.
Для пропуска больших расходов (на системах, обслуживающих 5000 га и более) дюкеры составляют из нескольких труб с той целью, чтобы при последовательном осмотре их и ремонте можно было не прекращать подачу воды и чтобы сохранить большую скорость при пропуске малого расхода через одну трубу (т. е. предупредить заиление трубы). Один из таких дюкеров, состоящий из двух труб (так называемый «двухочковый»), показан на рисунке 5—18; трубы железобетонные делаются без швов при длине их около 30 м; при большей длине делают швы. Пластичность материала позволяет делать трубы закругленными, без резких поворотов, что повышает пропускную способность дюкера. Трубы укладывают на подготовку из бетона. Оголовки устроены из армированного бетона и снабжены раздельными стенками с пазами для шандор.
При переходе дюкером широких и глубоких долин находят применение деревянные круглые дюкеры, укладываемые на ряде опор, а при переходе над речкой — на мостовых конструкциях (рис. 5—20).
Рис. 5—17. Дюкер из звеновых труб:
1 — решетка; 2 — глинобетон; 3 — бетонная подготовка; 4 — железобетонное кольцо.
Рис. 5 — 18. Железобетонный двухочковый дюкер.
На рисунке 5—19 показана выходная часть деревянного дюкера диаметром 2,5 м, длиной 748 и напором 36,4 м; труба уложена на железобетонных опорах, расставленных через 3 м.
Рис. 5—19. Деревянный дюкер (вид на выходной участок).
В пониженной части дюкера для его опорожнения перед осмотром и ремонтом вставлено металлическое кольцо с отверстием для выпуска из дюкера воды (на рисунке у выпуска из дюкера стоит рабочий). На рисунке 5—21 показан входной оголовок дюкера и на рисунке 5—22— детали деревянной трубы из клепок и чугунный бандаж.
Деревянные напорные трубы дешевле металлических, просты по конструкции, монтажу и ремонту, допускают возможность плавных закруглений, вызывают меньшие потерн на трепне, долговечны (до 50 лет и более); если работают непрерывно под напором, имеют очень малую утечку воды.
Рис. 5—20. Дюкер из деревянных клепок.
Трубы собираются из деревянных кленок (изготовляемых из сухого леса — сосны, лиственницы), а в дюкерах с диаметром более 1,5 и — из досок, стягиваемых железными кольцами-бандажами. Между собой клепки трубы соединяются впритык, с разгонкой стыков; торцы клепок соединяются между собой металлической или дубовом пластинкой.
Соседние доски соединяются также впритык, или, реже, вставкой металлической пластинки (как в торцах), или вшпунт. Толщина клепок 5—8 см, длина 4,5—6,5 м, ширина 10—18 см.
Для подтягивания бандажей ставят башмаки преимущественно чугунные, реже стальные. Опоры труб — кругового очертания с углом охвата трубы 95—150° — ставят через 2—4 м; устраивают их из бетона, железобетона и дерева (рис. 5—23).
Рис. 5—21. Выходной оголовок дюкера.
Рис. 5—22. Детали деревянной трубы из клепок.
Рис. 5—23. Срединный участок деревянного дюкера.
Рис. 5—24. Металлическое соединительное кольцо для деревянных труб.
Соединение деревянной трубы с металлической производится путем вставки между ними фланцевого кольца шириной 30—40 см, внутрь которого входит деревянная труба; уплотнение достигается конопаткой, удерживаемой от выпирания прижимным (на болтах) железным кольцом (рис. 5—24). Соединение деревянной трубы с железобетонной делается аналогично: между трубами вставляют металлическое кольцо шириной 50—60 см, один конец которого затапливают в бетон, а к другому притягивают болтами прижимное кольцо, удерживающее конопатку. Радиус бандажа г (в сантиметрах) находится из расчета на растяжение при расчетном внутреннем давлении воды до 53 м:
(5-4)
ори расчетном внутреннем давлении более 53 м\
Бандажи вминаются в клепки и ослабляют их, поэтому вмятие бандажей не допускают большим, чем г по горизонтальном проекции (рис. 5—25).
где z — разность уровней воды перед и за дюкером; ξ — коэффициент системы, равный сумме коэффициентов местных потерь на вход, трение, закругления (или повороты) и выход.
Чтобы избежать заиления, скорость воды в дюкерах назначают 1,5— 2 м/сек; допуск больших скоростей весьма сильно увеличивает z (так как потери напора пропорциональны квадрату скорости), вследствие чего могут возникнуть значительные потери в командовании канала.
Дюкеры рассчитывают по формуле (5—7) па пропуск наибольшего расхода; длинные дюкеры (несколько сотен метров длины) следует еще поверять на пропуск наименьшего расхода. Рассмотрим последний случай, причем для простоты будем считать и верховой и низовой каналы одинаковыми; тогда и при Qmin и при Qmax разность уровней воды перед и за дюкером будет одна и та же, в то время как для пропуска Qmin по формуле (5—7) требуется гораздо меньше z (рис. 5—26).
Во входной части образуется спад, поэтому начальная часть дюкера будет работать как быстроток с прыжковым сопряжением на уровне ζ,.
Вследствие пульсации расходов, ветра и других причин прыжок не будет занимать постоянного положения. Гидравлическому прыжку в трубе сопутствуют толчки в трубе, вредно сказывающиеся на ее прочности, нарушающие спокойную работу, расстраивающие швы (особенно в железобетонных трубах). Для уничтожения прыжковых явлений в трубе предлагаются различные конструкции; некоторые из них приведены на рисунке 5—27.
В первой конструкции на выходе из трубы устанавливаются спицы, подпирающие уровень в начале трубы до уровня воды подводящего канала (рис. 5—27, а). Конструкция проста и дешева, но сложна в управлении, так как находится не на входе, а на выходе из дюкера.
Рис. 5—27. Конструкция оголовков дюкера:
1 — спицы; 2 — шандорный паз; 3 — решетка; 4 — затвор; 5 — донный затвор; 6 — быстроток; 7 — дюкер.
Во второй конструкции при входе в трубу понижается дно и устанавливается затвор; понижение дна назначается таким, чтобы вытекающая из- под затвора струя оказывалась затопленной уровнем воды в начале трубы (рис. 5—27, в); очевидно, что затворы должны полностью подниматься при пропуске максимального расхода, т. е. должны быть высокими, дорогими, с тяжелыми и дорогими подъемниками, в силу чего нельзя рекомендовать это решение.
В третьей конструкции (рис. 5—27, б) перед входом в трубу устраивается водобойный колодец; прыжок в колодце должен быть затоплен уровнем воды в начале трубы.
В четвертой конструкции ограничиваются небольшим понижением дна входа в трубу (рис. 5—27, г). Последняя конструкция может быть рекомендована в случае, когда уровень воды в начале трубы близок к уровню дна подводящего канала. Развития больших скоростей в подводящем канале вследствие кривой спада не приходится опасаться, так как пропускаемый при этом расход невелик.
Совмещение нескольких сооружений различного назначения в одном узле выгодно с экономической стороны и удобно с эксплуатационной, как это мы видели на рисунках 4—13 и 4—14. Совмещение сбросного сооружения с дюкером также экономично и удобно в эксплуатации; па рисунке 5—27, д показано такое совмещение (осуществленное на строительстве Волго-Донской оросительной системы1), когда над дюкером устраивается быстроток с искусственной шероховатостью, служащий сбросом для излишней воды в тот овраг, под которым проложен дюкер. Здесь вместо одного высокого затвора (вариант рис. 5—27, в) ставится два затвора меньшей высоты, один для быстротока, другой, донного типа, для дюкера.
1 Волго-Дон. т. 1. Энергоиздат, 1957, стр. 186.
1, 2 — наружная и внутренняя кольцевая арматура; 3 — распределительная арматура; 4 — хомуты d = 6 мм (в шахматном порядке); 5 — дренаж; 6 — цементный раствор слоем 2 см; 7 — утрамбованный щебень толщиной 20 см.
Рис. 5—29. Схема поперечного сечения напорного деривационного трубопровода Сенгилеевской ГЭС (размеры в см).
Рис. 5—28. Напорный трубопровод:
Рассмотренные конструкции относились к одноочковому дюкеру или к многоочковому, когда минимальный расход пропускался сразу через все трубы дюкера. Однако в случае многоочкового дюкера можно не строить специальных оголовков, а ограничиться обычной конструкцией входа (рис. 5—2, 5—16, 5—17), изменив лишь порядок пропуска воды через трубы, что покажем на конкретном примере.
Рассмотрим дюкер с тремя трубами; требуется пропустить через дюкер минимальный расход, составляющий l/3 от наибольшего. Если Qmin пропускать одновременно через все трубы, то, во-первых, в них скорость течения будет около 0,6 м/сек, т. е. опасная в отношении заиления труб, и, во-вторых, появится необходимость в устройстве одной из конструкций входа по рисунку 5—27 (или иной особой конструкции). Будем теперь пропускать Qmin, через одну трубу, тогда в ней будет нормальная скорость течения (около 2 м/сек), опасности заиления не будет, как не будет надобности в устройстве специального входного оголовка.
В проектировании дюкеров полезно использовать положительный опыт проектирования и строительства напорных железобетонных трубопроводов гидроэлектростанций. В круглых железобетонных трубах большого диаметра в ключевом сечении возникают относительно большие изгибающие моменты, за исключением случаев высоких напоров, когда груба работает преимущественно на растяжение, как тонкое кольцо.
Рис. 5—30. Напорный железобетонным трубопровод Алазань ГЭС:
1 — толь и два слоя; 2 — прокладка на камышовой циновки толщиной 3 см одного слоя толи; 3 — сплошной фундамент.
Подбирая такое очертание трубы, чтобы ось ее заняла некоторое промежуточное положение между веревочными кривыми, отвечающими различным расчетным загружениям (церемонное внутреннее давление, наличие засыпки, отсутствие ее во время ремонта), можно добиться значительного уменьшения изгибающих моментов трубы и тем самым облегчения ее конструкции, т. е. экономии в строительстве.
Изменение формы трубы путем введения горизонтальном прямоугольной вставки в ключе и внизу под ключом (опорное уширение нижней части трубы — обычное) уменьшает суммарный изгибающий момент в ключе от засыпки и от напора воды (рис. 5—28), что дает свыше 13% экономии в строительстве1 2 2. Введение горизонтальной прямоугольной вставки по-предыдущему и устройство двух опорных консолей, жестко соединенных с трубой (рис. 5—29), еще более снижают изгибающий момент в ключе трубы и дают экономию в железобетонной кладке свыше 26%.
Сохранение круговой формы трубы и изменение только ее опорной конструкции, именно опирание трубы на две линейные опоры (вместо сплошного опирания с углом охвата 90°), уменьшает момент в ключе вдвое, а объем железобетонной кладки на 22% (рис. 5—30).
Так же эффективно использование предварительно напряженной арматуры в круговых сечениях труб. По типу рисунка 5—28 выполнены дюкеры d = 3 м на Невинномысской оросительно-обводнительной системе (Ставропольский край).
