Глава 4
Регулирующие сооружения на каналах
§4-1. РЕГУЛЯТОРЫ-ВОДОВЫПУСКИ И ПОДПОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Вода из источника орошения (река, водохранилище, озеро, грунтовые воды) подается к орошаемым полям по системе каналов или напорных трубопроводов. Распределение воды по каналам — из главного (магистрального) канала в распределители 1-го порядка, из них в распределители 2-го порядка и т. д.— осуществляется с помощью гидротехнических сооружении, носящих общее название регуляторов. При самотечном орошении необходимо не только пропустить по каналам заданные (требуемые) количества воды (расходы ее), по и выдержать необходимые для полива горизонты воды в каналах, что выполняется с помощью регуляторов. Те из них, при помощи которых вода забирается в канал, носят название водовыпусков, а регуляторы, регулирующие горизонты воды в канале, носят название подпорных, или перегораживающих.
Для сброса воды необходимо предусмотреть устройство сбросных регуляторов, удаляющих излишнюю воду в ближайшее понижение местности (овраг, сай) или в водоток.
Гидротехнические сооружения на каналах по своей конструкции разделяются на две группы — монолитные и сборные. В монолитных бетонных или железобетонных сооружениях бетон приготовляется на месте строительства. Основные части сооружений получаются излишне массивными; коэффициенты запаса значительно превосходят допускаемые величины; свойства бетона используются неполностью (например, слабая напряженность бетона в массивных подпорных стенах); внедрение индустриальных методов строительства монолитных сооружений встречает большие затруднения.
Бетонные и железобетонные сборные сооружения состоят из отдельных частей (блоков), изготовляемых в индустриальных условиях, перевозимых па место строительства сооружения и монтируемых там; при этом достигается большая экономия в бетоне (до 40—50%) и значительно ускоряется процесс возведения (монтажа) сооружений. Сборно-блочные конструкции применяются для небольших и средних сооружений (с постепенным расширением сферы их применения); монолитные конструкции применяются в крупных сооружениях. В практике встречаются сооружения смешанного типа, когда одни части конструкций выполняются как монолитные, другие — как сборные; под влиянием внедрения сборных конструкций изменяются конструкции монолитных сооружений — вместо массивных бетонных частей (подпорные стены, бычки, флютбеты, устои и др.) вводятся пустотелые или собираемые из плит-оболочек, с заполнением полостей песчано-гравелистым грунтом, камнем и т. п.
Рассмотрение сооружений начнем с монолитных, что в дальнейшем упростит освоение (изучение) сборных сооружений.
Регуляторы-водовыпуски ставят в начале отводов, ветвей, распределителей, временных оросителей; они предназначаются не только для пропуска воды, но и измерения ее количества. Так как по принятой схеме водооборота на системе возможны выключения каналов, то регуляторы должны в это время полностью прекращать подачу воды, как равно и во время аварий на системе. Регуляторы, как и всякие сооружения, требуют ремонта, поэтому их конструкции должны обеспечивать не только нормальную работу, но и возможность ремонта. Их конструкции должны быть просты, легко доступны осмотру, дешевы, должны пропускать воду без ущерба для каналов.
Регуляторы — массовые сооружения, рассеянные на больших территориях, зачастую ко времени постройки мало обжитых; поэтому особенно необходимо стремиться к наибольшему использованию местных строительных материалов (местная древесина, камень, кирпич, заполнители для бетона и пр.), что по только разгружает транспорт, но и способствует развитию местном промышленности.
Регуляторы, как массовые сооружения системы, работающие в одинаковых или близких между собой условиях, должны иметь одинаковую конструкцию, одинаковые затворы и подъемники, что удешевляет их строительство, упрощает эксплуатацию, уменьшает резерв запасных частей, позволяет иметь меньшее число комплектов шандор.
Отдельно стоящие регуляторы, являясь аналогами водозаборных сооружении бесплотинного типа, работают в значительно более спокойных условиях, чем водозаборные сооружения. Их условия работы характеризуются: 1) косым подходом воды к фронту сооружения; 2) малыми скоростями в старшем канале и в отводе; 3) устойчивостью или малыми изменениями режима каналов; 4) отсутствием большей частью приспособлений для борьбы с захватом наносов.
Регуляторы-водовыпуски устраивают следующих типов: открытые, трубчатые безнапорные, трубчатые напорные и с забральной стенкой.
Открытый регулятор (рис. 2—7) представляет собой искусственное русло потока, ограниченное флютбетом, продольными, входными и выходными стенами и снабженное для управления потоком затворами, мостиком и подъемниками.
Входную часть регуляторов часто устраивают в виде конуса и так называемой обратной стопки (крыло), весьма распространенных ввиду простоты своей конструкции и неплохо работающих: вода спокойно, без завихрений, входит в регулятор. В большинстве случаев проектирования сети каналов дно отвода размещается выше дна магистрали; в случаях крупных отводов (ветви) или нри трассировке отвода в выемке отметки дна магистрали и отвода могут совпадать. Реже дно отвода бывает ниже дна магистрали. Сопряжение порога регулятора с дном магистрали обычно выполняется плоским понуром, представляющим по конструкции мостовую на глинобетоне, бетонные плиты и мостовую перед ними и др.
Конус укрепляется (мостовой, фашинами, облицовкой из бетона, бута на растворе) и начинается не у обреза продольной степы, а у начала ее закругления — в целях предохранения его от подмыва при пропуске воды из-под затвора. Обратная стопка заводится за конус на 0,5—1,0 м, в зависимости от размера сооружения. Шпунт, если он необходим по расчету или условиям строительства, забивается по прямой вдоль порога и обратных стенок.
Вход в виде ныряющей стенки показав на рисунке 4—1. Эта конструкция входа проще предыдущем и также часто применяется, но в менее ответственных и в сборных сооружениях. В крупных сооружениях применяется реже из-за меньших удобств по гашению напора фильтрационного потока — фильтрационный поток имеет более легкие условия движения вдоль стен сооружения; для ослабления его приходится устраивать у продольных степ контрфорсы (шпоры, поперечные стенки) либо шпунт продолжать до уровня воды верхнего бьефа за стыком ныряющей и продольной стенок. За верховой ныряющей стенкой вследствие вихрей откладываются наносы, хотя и в небольшом количестве, но затрудняющие работу затворов (ими забиваются пазы затворов). Желательно ныряющую стенку, расположенную выше по течению, устраивать с большим разворотом, чем расположенную ниже но течению; этим достигается более плавный, т. е. более спокойный, вход воды в регулятор.
Регуляторы-водовыпуски обычно ставят или на урезе воды канала или несколько вдвинутыми в отводящий канал; регуляторы с выдвинутым входом устраивают реже. Вдвинутое положение регулятора повышает его водомерное качество, более удобно для производства ремонтных работ.
Выдвинутый вход иногда находит применение для больших отводов (например, в Северной ветке Вахшской системы); однако он не может быть рекомендован, так как сильно нарушает равномерный режим магистрали вследствие отжима струй от верховом стенки (рис. 4—2). Ноток магистрали, встречая верховую стенку сооружения, искривляется и становится по своей структуре аналогичным потоку на излучине, вследствие чего донные струи, более насыщенные наносами, направляются к порогу регулятора и там откладывают наносы; так как вдоль порога скоростей нет, то наносы отсюда не смываются. Скорости входа зачастую оказываются достаточными для пронесения отложившихся перед порогом наносов в отвод.
Рис. 4—1. Регулятор:
1 — магистральный канал; 2 — распределитель первого порядка; 3 — ныряющие стенки; 4 — продольные стенки; 5 — раструбные стенки; 6 — обратные стенки; 7 — быки; 8 — шпора (поперечная стенка); 9 — фильтр.
Вход в виде косых плоскостей для крупных сооружений (рис. 4—3) является наиболее спокойным при устройство приподнятого порога, малозахватывающим придонные наносы, из-за большого фронта входа (и, следовательно, малых скоростей), плавности входа. Конструкция несколько сложна.
Водобойная часть регулятора ограничивается параллельными вертикальными стенами на длине, достаточной для размещения пазов основного затвора, пазов для ремонтного затвора (обычно шандор), служебного, а при надобности и для проезжего моста. На водобое размещается водобойный колодец, если он необходим по условиям эксплуатации сооружения; далее, за водобоем (так как ширина регуляторов в большинстве случаев бывает уже ширины отвода по дну) нет необходимости устраивать продольные степы параллельными.
Конструкции выхода воды из регуляторов должны обеспечивать спокойное и равномерное течение в каналах; поэтому выход из регулятора должен быть симметричным, ширина выходной части — равной ширине канала по дну и выходные скорости — не должны превосходить допускаемые. Отсюда желательно иметь один, три и более пролетов регулятора, а не два, при которых выпуск воды бывает несимметричным; далее, в водобое регулятора необходимо иметь гасители кинетической энергии (водобойные колодцы, искусственную шероховатость, пирсы и т. п.), если через регулятор вода пропускается из-под затвора.
При одинаковой ширине регулятора и канала по дну наиболее частая форма выхода — обратная стенка (рис. 4—4, а); она проста по конструкции, но требует значительного количества материалов и вызывает за собой появление вихрей.
Рис. 4—3. Вход в регулятор по типу косых и плоскостей:
a и b — верховая и низовая косые плоскости.
Обратная стенка может быть заменена ныряющей, дающей выход такого же качества, но требующей меньшего количества материалов (рис. 4—6). При небольшом превышении ширины канала над шириной регулятора устраивается раструб (иногда называемый воронкой), который постепенно увеличивает ширину регулятора до ширины канала (рис. 4—4, б).
Роспуск в плане продольных стен выходной части лучше устраивать с заложением т = 5—6 и более, в зависимости от величины выходных скоростей истечения из регулятора. При более крутых роспусках поток может отрываться от стен (рис. 4—5), двигаться не по всему живому сечению и выходить в канал со скоростями, превосходящими средние, а часто и допускаемые для грунта. При несимметричном выпуске за регулятором образуется сбойное течение, создающее вдоль одного берега (а нередко и обоих берегов) обратный поток, вызывающий подмывы берегов. Сбойное течение на большом расстоянии от регулятора затухает и переходит в равномерное; на этом расстоянии берега и дно канала сильно размываются, у берегов в центрах вихрей образуются отмели. Скорости течения в сбойном потоке значительно превышают средние значения по только потому, что сечение потока меньше, колодец не нужен. Наличие такого колодца позволяет устраивать роспуск продольных стен регулятора более крутым, с заложением т = 3—2,5 (рис. 4—4,в,г). Удельный расход колодца не должен превышать 1,5—2 удельных расходов канала.
При значительном превышении ширины канала над шириной регулятора рассмотренные выше схемы будут неэкономичными из-за большой длины стен.
Рис. 4—5. Сбойное течение за регулятором.
В таких случаях длину водобоя и стен определяют гидротехническим расчетом, а далее ведут воронку в укрепленном (мостовой, бетонными, камышитовыми и другими плитами, габионами, укрепленной на кольях габионной сеткой) канале, как показано на схемах (рис. 4—4, в и г) для обратной стенки и косой плоскости. В последнем случае конструировать выход без раструба не следует, так как за регулятором образуются сильные и опасные для канала водовороты и сбойное течение. Следует иметь в виду, что продолжение раструба за водобоем должно иметь в плане большие заложения, чем в водобое. Водобой, являясь сильным препятствием на пути потока, усиливает растекание; за водобоем это явление исчезает, поэтому там раструб устраивается в плане с заложением т = 5 и более.
При работе одного пролета в двухпролетных регуляторах образуется резко выраженный сбойный поток; здесь одного водобойного колодца будет уже недостаточно. В таких случаях применяют в зоне сжатой глубины железобетонные донные пороги1 2 высотой 0,5hсж, где hсж — сжатая глубина потока при пропуске воды через один пролет расходом, равным 0,25 Qmах. Длину порогов принимают равной 0,7b, где b — ширина одного пролета (рис.4—6); пороги устанавливают под углом 70 градусов к продольной оси регулятора.
В колодце полезно ставить вертикальные направляющие стенки, отстоящие от краев водобоя на 1/4 ширины выхода из водобоя; размеры стенок (рис. 4—6):
(4-1)
где h — глубина при расходе, равном 0,25Qmах;
d — глубина колодца.
Регулятор по типу безнапорной трубы показан на рисунке 4—7 (из звеньев бетонных труб). Такие регуляторы устраивают главным образом в глубоких выемках каналов или когда необходим переезд через регулятор.
Н. А. Вознесенский. Донные направляющие пороги как средство улучшения режима потока в нижнем бьефе шлюзов-регуляторов. Труды ВНИИГиМ, т. 29. М., 1957.
1 В. М. Домбровский. Предупреждение размывов в нижних бьефах гидросооружений. «Гидротехника и мелиорация » № 2, 1950; Я. Л. Машкович. Новый способ регулирования режима сопряжения потоков при внезапном расширении русла.
2 «Гидротехника и мелиорация» № 2, 1949.
Рис. 4—6. Двухпролетный регулятор с дойными порогами: 1 — донные пороги; 2 — направляющие стенки; 3 — ныряющая стенка; 4 — водобойный колодец; 5 — обратная стейка; 6 — конус.
При выборе типа регуляторов-водовыпусков следует учитывать, что трубчатый тип при глубоких выемках:
а) более экономичен по сравнению с открытым типом, особенно при совмещении сооружения с переездом;
б) менее подвержен температурным деформациям;
в) создает более равномерное давление на грунт в основании сооружения.
Недостатками трубчатых водовыпусков являются:
а) трудности при осмотре и профилактическом ремонте;
б) возможность смены напорного гидравлического режима на безнапорный, что неблагоприятно сказывается на работе сооружения.
Рис. 4—7. Регулятор-водовыпуск — безнапорная труба.
Регуляторы по типу напорных труб (рис. 4—18) ставят в тех же условиях и той же конструкции, что и предыдущие. При больших напорах их устраивают из железобетона, а при малых (в ирригационных регуляторах) — из бетона. Они удобны в случае отвода воды, захватывающей придонные наносы магистрали, т. е. в качестве промывных, а также сбросных регуляторов.
