Водосбросные сооружения можно разделить на две группы: водосливы и водоспуски. Через водосливы удаляются невмещающиеся в водохранилище паводковые воды, путем перелива при подъеме уровня выше порога водослива. Водоспуски закладывают в тальвеге долины или близ него, поэтому через них можно не только сбрасывать паводковые воды, но и опорожнять водохранилище.
Водосливы строят почти при всех водохранилищах, водоспуски — по мере необходимости: чаще всего их устраивают при малых и средних водохранилищах для спуска воды и очистки пруда или облова рыбы.
При постройке невысоких плотин (3—5 м) в развитой пойме нередко возможно устроить одну глухую земляную плотину, а в качестве водослива использовать одну или несколько седловин между протоками, через которые паводковые воды будут стекать в обход плотины (рис. 21 — 11). При близком расстоянии между плотиной и седловиной плечо плотины должно быть усиленно укреплено против размыва. Подобное решение возможно для суходольных плотин с перепуском паводковых вод через задернованную седловину в соседнюю долину. В степных районах при небольших размерах паводковых расходов (15—20 м/сек) излишнюю воду можно сбросить в степь на лиманы.
Избыточный расход (сверх расхода на лиманное орошение) можно выпускать равномерно тонким слоем на задернованный пологий склон со стороны одного борта сбросного канала.
В обоих рассмотренных случаях необходимо путь движения воды укреплять плетневыми заборами из свежего прорастающего хвороста, посадкой черепков, тальника.
Рис. 21—12. Водосбросной земляном канал:
1 — поверхность земли; 2 — входная часть; 3 — земляной канал; 4 — быстроток.
Перелив через борт канала рассчитывают как свободное истечение через водослив с широким порогом с напором над порогом 0,10—0,15 м; в месте излива воды канал в плане постепенно сужают для сохранения в нем постоянных скоростей (допускаемых для данного грунта); полезно с этой же целью уменьшать глубину в канале, т. е. постепенно поднимать его дно, придавая ему поперечные размеры, близкие к размерам сравнительно небольшого лиманного канала.
Допускаемую скорость по задернованной земле принимают около 1,0 — 1,3 м/сек, в зависимости от качества дернины, при коэффициенте шероховатости п — 0,05 — 0,06.
Сброс небольших паводковых расходов производится через временные сооружения, ко времени износа которых возводят постоянные сооружения. Широкий вход временного сбросного сооружения (рис. 21—12) укрепляют местными материалами (мостовая из крупных камней, мостовая в плетневых клетках из прорастающего хвороста, дерн в плетневых клетках, кирпич, фатины, камышовые маты, хворостяная выстилка).
Рис. 21 — 14. Перепад на сбросном тракте при земляной плотине.
Повышение паводкового уровня водохранилища над порогом входа принимают около 0,7—1,2 м. Порог входа длиной 2—3 м располагают на отметке нормального подпорного уровня, далее на 0,5—0,7 м ниже порога отрывают земляном канал, за которым следует быстроток, укрепленный местными материалами. Крепление порога и быстротока можно выполнить из асфальтобетона с заложением откосов 1:2 и уклоном дна быстротока 0,25—0,3; асфальтовое покрытие кладется на плотно втрамбованный в смоченный грунт щебень с гравием; во избежание прорастания через асфальт растении полезно подготовку протравить.
Для средних и крупных водохранилищ сбросные сооружения устраивают постоянными; в комплексе он и образуют так называемый сбросной тракт.
Водосбросной тракт для сброса излишних паводковых вод (рис. 21—13) состоит из подводящего канала 4, регулятора (сбросного сооружения) 5, сбросного канала 6, сопрягающих сооружений 7 на нем и отводящего канала 8. Сопрягающее сооружение можно запроектировать в виде перепада, быстротока и др. (рис. 21—14).
Проектирование сбросного тракта тесно связано с выбором створа плотины и трассы водосброса.
Стоимость сбросных сооружений при массовом строительстве земляных плотин, использующих местный сток (Заволжье, Центральные черноземные области, Украина и др.), достигает 50% стоимости плотины и более.
Земляные плотины возводятся из материалов, находящихся буквально под ногами; возведение их полностью механизируется; строительство же водосбросов требует большего разнообразия строительных материалов, частью привозных; конструкция их сложнее земляных плотин.
Выбор створа плотины только из условий ее возведения без должного учета условий строительства водосброса может повести к усложнению конструкций и к значительному удорожанию строительства.
Указать заранее наиболее приемлемый в данных условиях тип сооружения не всегда возможно; для нахождения правильного решения следует составить несколько вариантов сооружений и сравнить их строительную стоимость, сроки выполнения и эксплуатационные качества.
При выборе конструкций сооружений решающим фактором не всегда будет только строительная стоимость: вполне возможно остановить выбор на том сооружении, которое хотя и будет стоить дороже, по для его возведения нужны, в основном, преимущественно местные строительные материалы и сравнительно малое количество привозных или дефицитных материалов.
На выбор типа сооружения влияют также заданные сроки его возведения, степень и система механизации строительных работ, позволяющей с меньшем затратой рабочей силы и скорее построить сооружение и скорее ввести его в строй.
Эксплуатационные качества имеют большое значение в выборе тина сооружения и могут заставить остановить выбор на более дорогом по строительной стоимости, но более удобном, дешевом в эксплуатации и быстрее возводимом.
Выбор трассы сброса.
Выемка грунта верхнего участка трассы используется для насыпи плотины.
Для удобства эксплуатации водосбросных каналов (очистки от снега или устройства траншеи и др.) на их откосах делают бермы; трассировка сбросного тракта в неглубоких выемках облегчает борьбу со снежными заносами.
Врезка низового участка трассы в глубокую выемку нежелательна из-за дальности возки грунта на плотику (к тому же вверх) и из-за малой пригодности низинных грунтов для насыпи.
Прокладывая по гребню проезжую дорогу, необходимо предусмотрен, мост через сбросной канал; с целью удешевления моста его следует делать коротким с невысокими опорами, что достигается устройством перепада, располагаемого в начале сбросного канала. Если запроектировать водосброс так что уровень воды в сбросном канале будет по выше критической глубины на пороге перепада, то водосброс будет работать без подтопления, т. с. с наибольшей пропускной способностью при заданной глубине на его пороге.
При назначении отметки порога водосброса необходимо учитывать также следующее. Можно расположить порог водосброса на отметке нормального подпорного уровня и устроить водосброс без затворов, работающий автоматически при повышении уровня воды. Но тогда ширина водосброса получилась бы очень большой, а сам водосброс — дорогим (очень длинный мост, дорогостоящий переход от широкого отверстия к узкому сбросному каналу). Поэтому от такого решения отказываются и переходят к водосбросу с пролетами, закрываемыми затворами, т. е. к водосбросу, у которого отметка порога будет ниже нормального уровня воды в водохранилище (рис. 21-15).
Высота затворов более 2—4 м применяется сравнительно редко из-за утечек в пазах по контуру затвора, из-за увеличения подъемного усилия и необходимости ставить дорогие подъемники, к тому же редко работающие. Большая высота затвора получается при больших сбросных расходах.
Рис. 21—16. Траншейный водосброс:
1 — плотина; 2 — траншея; 3 — водослив; 4 — сбросной канал; 5 — мост; 6 — ледоудерживающие сваи.
Нормальный подпертый уровень водохранилища поддерживается на отметке верха затвора либо на 20—30 см ниже: так как высота затворов принимается около 2—4 м, то объем сливной призмы получается большим, вследствие чего при пропуске паводка уровень воды либо совпадает с нормальным подпертым уровнем, либо незначительно повышается над ним — около 0,5.
В целях лучшего использования выемки сбросного тракта как карьера для плотины канал устраивают с большим наполнением; для этого отметку дна сбросного канала понижают против отметки дна порога водосброса на 2—4 м и паводковый уровень в канале назначают примерно на высоте /гкр (или несколько ниже), устанавливающейся на пороге водосброса. В таких случаях водосброс пропускает воду в условиях свободного истечения, т. е. имеет наибольшую пропускную способность и, следовательно, наименьшие размеры; кроме того, прыжка за водосбросом при установившемся режиме большей частью не образуется. Если гидравлическим расчетом устанавливается возможность появления прыжка в сбросном канале, то, учитывая это обстоятельство, устраивают небольшой (0.7—1.0 м) водобойный колодец. При коротких сбросных каналах (150— —250 м) вместо водобойного колодца устраивают при входе в сопрягающее сооружение порог высотой 0,5—0,7 м. Для спуска воды из сбросного канала, после закрытия затворами отверстий водосброса. в пороге сопрягающего сооружения устраивают отверстия.
Водоспуск можно построить по типу башни (рис. 21—4), в которой донное отверстие закрывается колесным пли другим затвором.
Значительные преимущества для эксплуатации представляют автоматические сбросные сооружения, к которым относятся траншейные сбросы, напорные трубопроводы с ковшовым входом, сифоны, шахты.
Траншейные сбросы.
Использование водослива для автоматического сброса воды связало со значительным развитием фронта водослива, иначе при узких входах в водослив, будет очень большое повышение паводкового уровня, что повлечет большие запасы в высоте сооружений. При широких входах в водослив получается большая и дорогая переходная часть к быстротоку. Однако если водослив расположить на берегу, в направлении, поперечном к оси плотины, то многие трудности отпадут и конструкция сброса упростится и удешевится.
Из недостатков сифонов, кроме осложнений в работе зимой, следует отметить относительную сложность конструкции, ее закрытые формы, затрудняющие осмотр, возможность разъедания бетона из-за вакуума за резкими поворотами струи.
Ввиду того, что сифоны обладают большой пропускной способностью, остановка одного сифона, сбрасывающего большой расход, не рекомендуется, так как иначе в нижнем бьефе возникает высокая паводочная волна, и поэтому появится необходимость в сильных и дорогих конструкциях гасителей энергии.
Лучше вместо одного мощного сифона ставить несколько меньших, т. е. устраивать так называемую батарею сифонов, у которых отметки верха водосливов разнятся на 5—10 см, вследствие чего сифоны включаются в работу постепенно: сначала включается сифон с наиболее низкой отметкой водослива (совпадающей с отметкой нормального подпорного уровня); далее при поднятии уровня верхнего бьефа включается сифон, отметка водослива которого выше предыдущего, и т. д. Выключение сифонов из работы происходит в обратном порядке. Сконструированные так батареи сифонов обеспечивают постепенное нарастание и спад паводка в нижнем бьефе.
Для облегчения зимней работы сифонов делают водобойный колодец, ставя водобойную стенку, снабженную у дна отверстиями, через которые водобойный колодец освобождается от воды после прекращения работы сифона; иногда водобойный колодец заменяют иной, рассматриваемой ниже конструкцией, ускоряющей зарядку сифона.
Область применения сифонных сбросов обширна; их строят в качестве мощных сбросов при плотинах, в том числе и земляных, где их применение может дать значительную экономию по сравнению с другими типами сбросных сооружений; в качестве регуляторов уровней верхнего бьефа при плотинах и при сооружениях на мелиоративной сети; в качестве сбросов на сети и в напорных бассейнах гидростанции; в качестве выпусков (постоянных и мелких переносных) в оросительной сети.
Одной из причин, тормозящей применение сифонов в производстве, является ложная боязнь толчков при включении и выключении сифонов из работы. В правильно рассчитанном и запроектированном сифоне указанные толчки слабы, и они не могут служить препятствием к внедрению сифонов в производство.
Учитывая работу сифонов с вакуумом и внезапность включения и выключения, рассчитывают конструкцию сифонов в статическом отношении условно на полный (10 м) вакуум.
Поперечному сечению железобетонных сифонов придают прямоугольную форму с такими минимальными размерами, при которых возможно производить осмотр и ремонт конструкции изнутри.
Для обеспечения к ускорения включения сифонов в работу применяют следующие конструкции: водобойный колодец, водную пленку, вспомогательные сифоны, изгибы сифонов, автоматические поплавки. Водобойный колодец, помимо гашения энергии в нижнем бьефе, предназначается для разобщения полости сифона от внешнего воздуха, поэтому верх водобоя располагают на уровне верха выходного сечения сифона или несколько выше.
Разобщение полости сифона от внешнего воздуха достигается устройством трамплина (неподвижного или поворотного носика) η самом сифоне (рис. 21—20, а); переливающаяся через водослив в начале подъема уровня верхнего бьефа вода направляется носиком до соприкосновения струйки с противоположной стенкой сифона. Расчет движения струйки ведут по формуле:
(21-8) где а — угол между горизонталью и касательной к концу носика; ν — скорость схода с носика.
Система координат указана на рисунке 21 —20.
Водную пленку можно получить также путем устройства второго водослива (рис. 21—20, б), сообщающегося воздушном трубкой с верхним бьефом. Обе эти конструкции повышают местные потери и несколько снижают коэффициент расхода сброса.
Водная пленка противодействует прорыву через нее воздуха, она должна быть не тоньше 4—5 см.
Рис. 21—20. Конструкция включателем сифонов.
Отметку оси выходного сечения при устройстве носика или изгиба трубы сифона (рис. 21—20, а и в) выбирают таком, чтобы в сифоне не развивались скорости более допускаемых.
Изгибы трубы сифона выполняют роль колодца — изолятора от воздуха; в нижней точке изгиба ставят сливную трубку (рис. 21—20, в).
Вспомогательные сифоны устраивают рядом с рабочим сифоном или под ним: в обоих случаях верхние части полостей над водосливом соединяют воздушными трубками (рис. 21—20, г).
При небольшом поднятии уровня верхнего бьефа вспомогательный сифон быстро включается и через соединительные трубки разрежает давление в полости рабочего сифона, после чего последний также включается в работу.
Для ускорения разрежения давления в сифонах на их водосливах иногда устраивают разного рода зубцы, рассеивающие струю и тем способствующие большему захвату ею воздуха; такие зубцы заметно снижают коэффициент расхода сифона. Гидравлическим расчетом определяют размеры и форму сифона для пропуска заданного расхода со скоростями и вакуумом, не больше допускаемых. Наметив предварительно очертание сифона расчет ведут по уравнению Бернулли:
винтового движения по радиусам воронки ставят в качестве направляющих движение железобетонные бычки. Так как коэффициент расхода донного водослива невысок и при больших сбросных расходах получается большой диаметр воронки, то для уменьшения размеров воронки и связанных с ней работ по выемке устраивают вход по типу водослива практического профиля (рис. 21—24, а) с более высоким коэффициентом расхода.
Рис. 21—22. Сифонный сброс при земляной плотине:
1 — отверстии для воздуха; 2 — трубка включателя; 3 — включатель.
Как и всякий водослив-автомат, шахтный сброс сливает (удаляет) воду из верхнего бьефа при поднятии ее уровня сверх нормального подпорного, на отметке которого и располагают вход в воронку. Так как поднятие паводкового уровня над нормальным подпорным принимают небольшим (иначе были бы слишком велики запасы в высоте других сооружений), то при больших сбросных расходах, во избежание увеличения размеров воронки, ее порог заглубляют и ставят на нем затворы, отдельные между бычками или один кольцевой, обслуживающий всю воронку.
Вход в шахту можно конструировать как кольцо сифонов, поставленных по периметру воронки; размеры воронки и выемки получаются в этом случае небольшими (рис. 21—24, в).
Отводящий туннель шахтного водосброса нередко используют для пропуска строительных расходов, поэтому зачастую размеры его получаются
Проектирование шахты ведется в зависимости от условии работы туннеля: под напором или (при пропуске через туннель строительного расхода и большом размере его диаметра, превосходящем диаметр шахты) безнапорно. Расчетным для напорного режима сброса является наибольший расход: при пропуске меньших расходов режим работы сброса нарушается: движение становится неустановившийся, вода протекает толчками.
Рис. 21—24. Воронки шахтного сброса.
Башенные и туннельные водоспуски устраиваются по типу рассмотренных выше сооружений.
Водосливные пролеты, отверстия поверхностные и заглубленные в гравитационных, арочных и других плотинах используют в качестве водосбросов и водоспусков.
