Глава 6.
Сопрягающие сооружения
§ 6-1. ПЕРЕПАДЫ
Трасса канала на местности со спокойным рельефом прокладывается с небольшими уклонами, и скорости течения воды не достигают здесь недопускаемых величин, как размывающих, так и вызывающих заиление; но на трассе канала могут встретиться участки с крутыми уклонами в местах сосредоточенного падения местности, где скорости для неукрепленного канала будут опасными, размывающими, за исключением случаев залегания очень прочного грунта; поэтому на участках крутых склонов приходится устраивать сооружения, соединяющие (сопрягающие) верхний и нижний участки канала.
Такие сооружения устраивают также у напорных бассейнов при гидроэлектростанциях в качестве аварийных сбросов воды. Установившегося названия эти сооружения не имеют; для краткости будем называть их сопрягающими.
По условиям движения воды сопрягающие сооружения можно разделить на две большие группы. Первая группа — вода движется на части пути по сооружению, а далее падает свободно в воздухе; сюда относятся перепады и консоли. Вторая группа — вода непрерывно движется во сооружению; сюда относятся быстротоки и трубы. Имеются сооружения переходных форм, содержащих элементы как первой, так и второй групп, как-то: шахтные перепады, быстротоки перепады, трубчатые перепады и т. д.
Работа сопрягающих сооружений. Эти сооружения весьма распространены на мелиоративных и гидроэнергетических системах; они устраиваются для сброса излишней воды из напорных бассейнов гидростанций, когда через турбины нужно пропускать меньший расход, чем расход, притекающий в бассейн, или когда при внезапном прекращении работы генераторов необходимо весь расход сбросить в нижний бьеф, минуя турбины. Сопрягающие сооружения устраивают на трассе канала (оросительного, осушительного и др.) в месте проложения его по крутому склону местности, на сбросных каналах, удаляющих излишние паводковые воды из водохранилищ (рис. 6—1). На водном транспорте, в рыбоводстве и в других отраслях гидротехники сопрягающие сооружения находят широкое применение.
Во всех случаях в сопрягающих сооружениях кинетическая энергия падающей воды должна преобразоваться (или, как не совсем точно говорят, гаситься) на сравнительно коротком пути; это обстоятельство и определяет те требования, которые предъявляются к работе сопрягающих сооружений.
Основное значение сопрягающих сооружений заключается в безопасном сбросе воды; точнее, оно сводится к ряду условий.
Сопрягающие сооружения должны: 1) создавать безопасные гидравлические условия движения воды как в самом сооружении, так и в примыкающих к нему водотоках; 2) быть статически устойчивыми и прочными; 3) иметь наиболее рациональные и экономичные формы сообразно местным условиям их работы (назначение сооружения, рельеф местности, грунты, грунтовые воды, местные и привозные строительные материалы, условия и сроки производства работ).
Выполнение первого условия заставляет так конструировать сопрягающие сооружения, чтобы наличие их на водном тракте не вызывало в нем нарушений расчетного режима, выходящих за допустимые пределы, или, конкретнее, в подводящем канале (верхнем) при подходе к сбросному сооружению не должно наблюдаться ни явлений спада воды, ни ее подпора для расчетного режима; в отводящем канале (нижнем) вода, вытекающая из сбросного сооружения, но должна размывать русла. В пределах самого сооружения вода должна иметь скорости, не больше допускаемых.
Второе условно заключается в придании таких размеров частям сооружения, которые гарантировали бы, без излишнего запаса, их статическую устойчивость и прочность.
Третье условие сводится к приданию сооружению наиболее рациональной формы на основе учета условий его постройки и эксплуатации. Сопрягающие сооружения устраивают монолитные, сборные и сборно-монолитные. Рассмотрим сначала монолитные сооружения; изучение условии их работы и конструкций поможет полнее освоить сборные конструкции.
Многообразие как типов сопрягающих сооружений, так и перечисленных условий свидетельствует о том, что указать готовое решение для каждого практического случая нельзя, за исключением группы более мелких сооружений. В практике необходимо составление проектных заданий; на основании оценки эксплуатационных качеств нескольких типов сооружений, их стоимости и экономичности, возможности и срока их постройки выбирают наилучшее решение, для которого разрабатывают технический проект.
На мелкой сети оросительных каналов сопрягающие сооружения являются одним из звеньев трасс канала. На крупной и средней сети каналов (магистрали, распределители первого порядка), работающих непрерывно 8—10 месяцев в году, необходимо не ограничиваться только постановкой перепада (быстротока, консоли или другого типа сооружений) и гасить им водную энергию, а стремиться использовать водную энергию путем устройства небольшой ГЭС, перепад при которой также будет нужен, но уже в качестве сбросного сооружения. Сопрягающие сооружения находят применение при судоходных шлюзах, па каналах мелиоративных систем.
Конструкция перепадов. В перепадах вода движется на части своего пути по сооружению, на другой части — в воздухе. Как следствие такого движения, получается крайняя изменчивость скорости движения и по величине и по направлению: скорость движения воды возрастает от сравнительно небольшой на гребне перепада до очень большой в месте падения струи, изменяя при этом свое направление, причем отдельные струи могут двигаться диаметрально противоположно.
Другим характерным свойством перепадов является динамичность гашения в них энергии падающей воды, что при недостаточной еще точности учета этой динамичности заставляет придавать перепадам более массивные размеры, чем сооружениям других типов.
Наиболее распространены ступенчатые перепады, схожие в продольном разрезе с лестницей (рис. 6—2). Для успокоения падающей на каждую ступень воды в конце ступени делается водосливная стенка, образующая перед собой бассейн, так называемый водобойный колодец. Распространенная ранее конструкция перепадов без водосливной стенки, т. е. без водобойного колодца, теперь почти не применяется вследствие слабого гашения энергии воды при обычных длинах ступеней перепада.
Перепады делают из бетона, бута, кирпича и железобетона; для небольших падений и удельных расходов воды их можно выполнять из дерева и габионов; временные перепады могут быть построены из плетня, фашин, камня и из других местных материалов.
Названия частей перепада приведены на рисунке 6—2, изображающем многоступенчатый перепад, у которого первые три ступени — постоянной ширины, а следующая — расширяющаяся (подготовка под флютбетом и под стенами не показана).
Ступени. Длина ступеней перепада обычно редко превосходит 20 поэтому строительные и температурные швы приурочивают к копну каждой ступени; швы устраивают из нескольких слоев толя или ввиду его недолго вечности, особенно при различных осадках частей сооружений, — в виде гуд ровной шпонки с конопаткой шва просмоленной паклей для предупреждения вытекания битума. Необходимость такого шва вызывается не только температурными условиями, но и удобствами строительства; шов необходим еще для отделения сравнительно не тяжелой части предыдущей ступени от тяжелой начальной части следующей ступени, как имеющих различные осадки.
Высоты ступеней перепада следует делать одинаковыми, так же как длины колодцев, что создает условия одинаковой работы каждой ступени в гидравлическом отношении, а также удешевляет и ускоряет постройку (проще разбивка сооружения, однотипность опалубки и арматуры, конторяемость одинаковых строительных процессов). В целях более спокойного выпуска воды в нижний канал для последнего колодца стремятся получить больший коэффициент затопления прыжка.
Высота ступеней, а следовательно, и длина их должны быть так подобраны, чтобы конец перепада не врезался в глубокую выемку, где обычно вскрываются грунтовые воды. Глубокая выемка при наличии грунтовых вод не только удорожает сооружение, по и увеличивает время, нужное на его постройку. При вскрытии глубокой выемки с грунтовыми водами быстрое понижение их уровня открытой откачкой может повести к оползням и обва лам откосов выемки. Для работы в глубоких выемках предпочтителен глубинный водоотлив из скважин или иглофильтров, заложенных по периферии котлована или вынесенных за его пределы.
Высоту и длину ступеней следует подбирать так, чтобы перепад наиболее просто, без больших выемок вписывался в профиль земной поверхности. Насыпи у перепадов можно делать, однако уровень воды в колодцах должен быть не выше естественной поверхности; тогда, если даже швы и будут про пускать воду, она не окажет существенного, опасного влияния на насыпь. В таких случаях нет необходимости в устройстве застойных насыпей до верха продольных стенок перепада.
В многоступенчатых перепадах с большой глубиной воды над водосливами не рекомендуется небольшая высота стенок падения; при невысоких стенках истечение через водосливы может оказаться подтопленным или даже затопленным, что сделает весь гидравлический расчет мало надежным. Перепад иногда может оказаться в сущности быстротоком повышенной шероховатости с неизвестной величиной последней.
Выбор высоты ступени и, следовательно, числа их определяется наименьшей стоимостью сооружения и лучшими условиями эксплуатации его. С точки зрения гидравлики нельзя рекомендовать такую высоту ступени, при которой отношение сопряженной глубины в водобойном колодце к глубине в месте падения струп будет меньше двух. При отношении, равном или меньшем двух, не наблюдается обычной формы прыжка; вместо него наблюдается ряд волн, близких к стоячим. Эта форма сопряжения частей потока еще недостаточно изучена.
Как известно, потери энергии в прыжке выражаются формулой:
(6-1)
где h2 и h1 — сопряженные глубины прыжка;
а — их отношение;
А — параметр.
При а — 2 параметр А = 0,125; при а — 5 параметр А = 3,2, т. е. при повышении значений а потери в прыжке увеличиваются. Практика показывает наиболее употребительные значения а = 5-6, а высоты ступеней 5-3 и меньше для небольших сооружений.
Высота ступени р определяется из соотношения:
Затопление прыжка за водосливной стенкой обязательно; при известной бытовой глубине за перепадом и известной длине водосливной стенки нетрудно найти d1 (рис. 6—4).
Продольные стенки могут быть двух видов: поперечного сечения с откосом внутрь перепада или с откосом к засыпке кладки (рис. 6—3); наиболее тяжелой получается стенка с вертикальной наружной гранью (рис. 6—3, в). Если грунт в котловане держится с вертикальными и крутыми откосами, то для стенок (рис. 6—3, а и б) можно обойтись одной наружной опалубкой, в то время как для стенки, показанной на рисунке 6—3, в, надо устраивать опалубку с двух сторон. При эксплуатации сооружений с наклонными стенками в канал выпускается из них более широкий поток (рис. 4 — 1), спокойнее переходящий в бытовой за перепадом.
Как более тяжелая часть сооружения, передающая большие напряжения на основание, продольная стенка отделяется от флютбета швом. Для уменьшения давления грунта на продольные стенки и тем самым облегчения их размеров, вдоль них следует удалять грунт от их верха на ширину призмы обрушения грунта; можно также не доводить засыпку грунта до верха стен, придавая им форму парапета.
Для небольших по удельному расходу воды и падению перепадов наклонная стенка (рис. 6—3) может переходить в облицовку с одиночным заложением. Более пологое заложение облицовки ухудшает гидравлические условия потока в водобойном колодце (раскачка воды, набегание се па откосы, выплески, сбойное течение за перепадом).
Стенки падения на непросадочных грунтах делаются заодно с продольными стенками, без шва; это дает экономию в объеме кладки и удобнее для производства работ. При отсутствии швов между продольными стенками и стенкой падения последняя работает не только как подпорная стенка, но и как балка, заделанная на опорах, загруженная давлением со стороны земли; кроме того, она сжимается усилием со стороны продольных стенок.
В связных грунтах и при низком стоянии грунтовых вод во время строительства представляется целесообразным устраивать наклонные стенки падения на длину отлета струи (рис. 6—4); при этом уменьшается высота продольных стенок в начало ступени, что ведет к меньшей строительной стоимости сооружения.
В водосливной стенке (над стенкой падения) необходимо оставлять отверстия размерами от 10 X 10 до 20 X 20 см для опорожнения колодцев во время выключения перепада из работы.
На длине (1-1,5) Н стены входа должны быть направлены так же, как и продольные стенки, что определяется условием симметричного входа воды в перепад (рис. 6—2); несимметричный вход воды может вызвать поперечную раскачку ее в колодцах, что повлечет за собой выплески воды за продольные стенки. Выплески эти, разжижая грунт засыпки за стенками, делают его более слабым и увеличивают давление грунта на стенки. Бурное движение воды через перепады сопровождается образованием слоя водяной пыли; чтобы от капелек воды грунт за сооружением не намокал, запас стенок над водой делают на 30—50% большим, чем в каналах и регуляторах. Кроме того, полезно делать отмостку (или бетонирование бровки) вдоль стенок, используемую для эксплуатационного надзора за состоянием сооружения. Крепление канала перед крупными перепадами следует делать, по возможности, не применяя мостовой. Случайно сорвавшиеся камни, попавшие в перепад и перекатываемые потоком воды, могут произвести значительные повреждения флютбета.
С целью устранения вредного действия попадающих в колодцы перепада камней следует водосливную стенку делать не сплошном, а с вырезами; такие перепады, называемые гребенчатыми, свободно пропускают через себя камни.
Наблюдения за грунтовыми водами под перепадом с большой разностью отметок уровней перед и за сооружением показали, что низовом канал работает в качестве дрены, снижая уровень бытовых грунтовых вод. Просачивающаяся из верхнего канала вода несколько приподнимает уровень грунтовых вод под перепадом, однако не создает под ним напорного потока, за исключением концевой части перепада. Некоторая неопределенность в установлении размеров зоны напорного потока может быть разрешена постановкой исследований пространственной модели перепада или совсем устранена устройством застойного дренажа (рис. 6—2), соединенного с нижним бьефом перепада (или с обратным фильтром сливной части). Тогда в зоне действия этого дренажа у продольных стенок перепада уровень грунтовых вод будет близким к уровню их в нижнем бьефе, что позволяет принимать толщину флютбета перепада конструктивно.
Выход. Работа нижней ступени и выходного участка перепада наиболее ответственна для сооружения; размывы в нажнем бьефе из-за неудовлетворительной работы указанных частей могут создать угрожающее состояние для всего сооружения.
Необходимо добиться надежного затопления прыжка нижнем ступени и спокойного выпуска воды в канал со скоростями, допускаемыми для грунта канала и его одежды. Когда ширина перепада намного меньше ширины низового канала, следует или расширять последние ступени перепада или же низовой канал делать у перепада более узким, покрытым креплением (рис. 4—4), постепенно расширяя его до нормальной ширины. При устройстве в конце перепада обратных стенок за ними образуются воронки, вредно действующие на берега канала; здесь лучше делать раструбы или косые плоскости, причем откос и дно раструба следует хорошо укрепить 1.
Крепление за перепадом следует делать водопроницаемым и тяжелым (плиты, габионы, мощение, прикрытое габионной сеткой, прикрепленной кольями к дну) на длине, равной примерно длине колодца, и далее на такой же длине — легким (мостовая).
За колодцем может образоваться так называемое сбойное течение; возможно, что выходящая струя прижмется к одной из боковых стенок выхода, усиливая тем самым явление сбоя течения.
Можно добиться равномерного выпуска воды в канал, рассредоточивая падение струи па водобой путем устройства гребенчатой водобойной стенки предпоследнего колодца с протеканием воды не только между зубцами, но и над ними (рис. 6—5).
Рис. 6—5. Выход из перепада по типу водобойной стенки.
Дно центральных щелей устраивают с небольшим скосом в сторону колодца, скос дна боковых щелей делают большим, но так, чтобы падающая струя не отделялась от дна скоса (во избежание вакуума). При таком устройстве на водобой будет падать несколько малых струй (семь — на рисунке 6—5) вместо одной мощной; падая на водобой в разных местах (из-за различия скосов щелей и подъема над гребнями), эти струи легче плющатся, следовательно легче затопляются, частично отражаются от дна поставленными там небольшими зубцами и движутся почти по всему живому сечению. Глубокие бортовые скосы сделаны с целью завлечения воды вдоль бортов и устранения сбоя.
1 В. М. Домбровский. Предупреждение размывов в нижних бьефах гидротехнических сооружений. «Гидротехника и мелиорация» № 2, 1959.
Рис. 6—6. Конический перепад на Большом Ферганском канале.
Полезно гребень делать криволинейным, как и очертание конца водобоя, что также способствует более равномерному выходу воды в канал. За водобоем на небольшом участке надо сильно укреплять канал; на бетонном креплении, ввиду его малой шероховатости, следует ставить искусственную шероховатость.
При большой разнице в ширине перепада и ширине канала выход делают, как показано на рисунке 6—20, ограничивая длину водобоя расчетной: далее продолжают роспуск ширины на крепленном участке канала; заложение роспуска в плане принимают 1/4—1/5.
При устройстве на выходе из перепада водобойной стенки (рис. 6—5) необходимо обеспечить затопление прыжка как до, так и за водобойной стенкой, с коэффициентом затопления за стенкой до 1,20; в стенке необходимо устроить сливные отверстия для спуска воды из перепада после прекращения его работы.
Устройство криволинейного гребня водослива с центральным вырезом нашло применение в конических перепадах на Большом Ферганском канале. С целью равномерного распределения по конусу больших удельных расходов, криволинейный (круговой) гребень водослива устраивают приподнятым от краев к середине; равномерность распределения малых удельных расходов достигается устройством выреза в середине гребня водослива (рис. 6—6).
Железобетонные перепады. Приведённые выше соображения относятся к перепадам из массивной кладки (бетон, бут. кирпич); за некоторыми исключениями они применимы и к железобетонным перепадам (рис. 6—7 и 6—8): земля на этих рисунках не показана.
Перепад состоит из каркаса, образуемого продольными и поперечными рамами, жестко соединенными между собой железобетонными плитами.
Первая поперечная рама составляется из ребер (контрфорсов) и стенки падения; вторая, третья и четвертая — из контрфорсов и нижних (под флютбетом) балок; последняя из контрфорсов и водосливной стенки.
Боковые стенки служат внешними продольными рамами; внутренние продольные рамы составляются из подкосных балок (ребер), устраиваемых или иод флютбетом или над ним.
Расстояние между ребрами рам выбирается таким, чтобы толщина плит между ними не была чрезмерной; при q < 2 м3/сек и р 1,5 м толщина плит около 12—15 см; при большом расходе и падении — толщина 15—20 см, для крупных сооружений — толщина 25—30 см. Элементы рам рассчитывают как ребристые конструкции; для крупных сооружений — на упругом основании.
Рис. 6—8. Вид сверху на железобетонный перепад (земля снята).
Флютбет жестко, без шва, соединяется со стенками.
Гребенчатые перепады.
В случае возможности попадания камней в канал (например, при продолжении канала по косогору) они, дойдя до перепада, не всегда выносятся из него потоком воды, часто остаются в водобойных колодцах, увлекаются вихрями и, истираясь сами, истирают кладку перепада, В практике наблюдались случаи истирания бетона перепада твердыми камнями на глубину до 70 см и более. В тех случаях, когда перепад работает непрерывно и длительно и не имеется возможности периодического осмотра его флютбета, может оказаться полезным устройство гребенчатого перепада, т. е. такого, у которого водосливная стенка не сплошная, а составлена из ряда зубцов, образующих гребенку; между зубцами камни могут проходить свободно. Очевидно, что при такой конструкции водосливных стенок необходимо устраивать нижнюю ступень без водобойного колодца во избежание скопления в нем камней и заканчивать водобой одним или двумя рядами зубцов для затопления прыжка и спокойного выпуска воды в канал.
Pиc. 6—9. Гребенчатые перепады.
В гребенчатых перепадах обеспечивается свободный доступ воздуха под падающие струи. Зубцы гребенки можно устраивать высокие или низкие; при высоких зубцах вода проходит только между ними, а при низких — и между ними и над ними. Первый вид зубцов поддается гидравлическому расчету (свободное истечение через водослив с широким порогом), для второго — расчет неопределенен вследствие того, что над зубцом будет наблюдаться растекающийся поток, еще мало изученный; поэтому трудно точно установить доли расхода, идущие над и между зубцами. Вторая система зубцов более эффективна в отношении гашения энергии воды на водобое.
Промежутки между зубцами должны быть достаточно широки для пропуска камней, примерно вдвое шире размера камня. Зубцы должны быть рассчитаны на полный гидростатический напор и па двойной скоростной, считая по створу зубцов. Зубцам придают прямоугольную (рис. 6—9) или трапецеидальную форму с переливом или без перелива воды над ними; такие перепады называют также щелевыми. В одноступенчатом перепаде за каждой щелью устраивают горизонтальные полуциркульные балкончики, способствующие расширению падающей струи и выпуску ее более спокойно в нижний бьеф (рис. 6—10).
Полунапорных перепады отличаются от ступенчатых перепадов с колодцами наличием за водосливом поперечной (отбойной) стенки, отчасти гасящей энергию.
В полунапорных перепадах ступени короче, чем в колодезных; длина ступени без колодца в пределах (1,5-2) (Н + р); следовательно, такие перепады применимы без больших выемок на крутых склонах. В полунапорных перепадах нет необходимости в затоплении прыжка на каждом ступени, кроме последней; ступени рассчитываются на наибольшую допускаемую для их материала скорость воды. При расчете полагают, что струя, достигнув за отбойной стенкой сжатой глубины, сохраняет ее и далее; такое допущение не точно; однако, принимая во внимание небольшую длину ступеней и наличие у них небольшого уклона (1—2% для стока воды при выключении перепада из работы), можно считать, что допускаемая при этом погрешность невелика.
Расчет ведут по формулам для свободного истечения из-под затвора, при у < р (рис. 6—11).
Поперечную стенку ставят на таком расстоянии от стенки падения, чтобы падающая струя ударялась о нее, но проскакивая в отверстие. Для предупреждения разбрызгивания струи и выплескивания ее из трубы стенку делают наклонной.
Поперечная стенка обычно делается из железобетона и жестко заделывается в продольные стопки перепада; поэтому толщина ее находится из расчета на изгиб, как балки с заделанными опорами.
Расчетная нагрузка на поперечную стенку составляется из гидростатического давления и давления от падающей струи.
Рис. 6—11. Полунапорный перепад.
Последнее определяют таким образом: находят площадь стенки, на которую ударяет падающая струя (для чего надо построить параболы падения верхней и нижнем струи до пересечения их со стенкой), затем подсчитывают среднюю скорость падения воды в плоскости стенки и соответствующий ей напор, считаемый равномерно распределенным по всей площади удара воды о стенку. Далее, удвоенную проекцию этого напора на нормаль к стенке складывают с гидростатическим напором и получают распределение давлений на стенку.
При широких перепадах, во избежание чрезмерно толстых отбойных стенок, следует поставить к ним контрфорсы как промежуточные опоры, передающие давления от стенок па флютбет, что улучшает условия работы последнего, или жестко связать стенку падения с отбойной рядом ребер, что облегчает работу стенки падения. В обоих случаях необходимо учесть наличие контрфорсов или ребер в гидравлическом расчете: ширина отверстия под стенкой уменьшается на сумму толщины ребер и сжатия струи. Перепады с отбойной (расщепительной) балкой можно устраивать с короткими водобойными колодцами. Они нашли применение в шлюзах канала им. Москвы и на оросительных каналах (по предложению инж. А. М. Каграманова). Под балкой (рис. 6—12) свободно пропускается 2/3 наибольшего расхода; для этого случая и отыскивается длина водобойного колодца; пропуск всего расхода (т. е. 1/3 Q над балкой) но влечет увеличения длины колодца. При пропуске 2/3 Q свободно падающая струя должна касаться балки.
Рис. 6—12. Перепад с расщепительной балкой: а — расчетная схема; б — расход менее 2/3 расчетного; в — расчетный расход.
