ЧАСТЬ ПЯТАЯ
Водоподъемные плотины
Глава 22
Бетонные и железобетонные плотины
§ 22—1. КОМПЛЕКС СООРУЖЕНИЙ РЕЧНОГО ВОДОЗАБОРНОГО ГИДРОУЗЛА
Комплекс сооружений речного водозаборного гидроузла при всестороннем использовании речного потока (общий случай, рис. 22—1) состоит из: а) глухом плотины (большей частью земляной); б) бетонной, железобетонной или деревянной плотины, пропускающей расходы реки в нижний бьеф и поддерживающей заданные уровни верхнего бьефа; в) регулировочной дамбы (или других регулировочных сооружений),организованно направляющей поток к сооружениям; г) гидроэлектростанции; д) водозаборного сооружения (для ирригации, водоснабжения и др.); е) судоходного шлюза (или шлюзов) с подходными каналами, палами и пр.; ж) рыбохода; з) дороги; и) служебных и проезжих мостов.
По природным условиям и требованиям народного хозяйства нередко строят гидроузлы, удовлетворяющие запросы отдельных сторон гидротехники; так, например, на несудоходных реках гидроузлы строят для ирригации, гидроэнергетики и лесосплава; для ирригации и рыбоводства пли только для ирригации; для судоходства и гидроэнергетики в районах, не требующих орошения.
Компоновка гидроузлов, предназначенных для забора воды в ирригационных целях, показана на рисунках в главе 32. Прежде чем рассматривать отдельные сооружения, входящие в состав гидроузла,— водозаборные сооружения, судоходные шлюзы и рыбоходы (сооружения ГЭС изучаются в курсе гидроэлектростанций), — рассмотрим сначала плотины, как всегда входящие в комплекс речного гидроузла в качестве водопропускных сооружении, различая их по материалам (бетонные, железобетонные, деревянные, из разных материалов) и по конструкциям (водосливные, водосбросные, разборчатые). Далее будут рассмотрены русловые регулировочные сооружения, с помощью которых фиксируется существующее благоприятное положение русла или изменяется в желаемом направлении русло и речной поток в зоне влияния гидроузла.
$ 22—2. ВОДОСЛИВНЫЕ ПЛОТИНЫ
Водосливные плотины очень отзывчивы на поднятие уровня воды перед ними при повышении расхода в реке. Удельный расход через такие плотины определяют по формуле свободного водослива:
(22-1)
При увеличении расхода, например, в 4 раза глубина увеличивается примерно в 2,5 раза и отметка воды перед плотиной, бывшая Р 4- II, станет равной при пропуске повышенного расхода около Р -|- 2.5// (Р — высота плотины); если же при этом истечение перейдет в затопленные формы, то подъем уровня станет еще большим. Повышение уровня перед плотиной требует увеличения высоты стен сооружений, усиления береговых креплений и выправительных сооружений в русле; увеличивает площадь затопления культурных земель в пойме. Все это ведет к значительному удорожанию строительства; удорожание иногда можно уменьшить, увеличив длину плотины, т. е. уменьшив удельный расход; по такое удлинение связано с осложненном эксплуатации.
При длинной плотине возрастает отношение ширины зеркала воды перед плотиной к глубине воды, и оно может достичь таких величии, что поток верхнего бьефа потеряет свою устойчивость; в верхнем бьефе будут образовываться острова и отдельные рукава, что вызовет подобное явление и в нижнем бьефе.
Таким потоком трудно управлять, поэтому водосливные плотины обычно ставят в гидроузле вместе с другими (например, водосбросными) и в их задачу включают не столько пропуск воды в нижний бьеф, сколько сброс через них льда, шуги, плавника, всплывших торфяных массивов.
Для сообщения между берегами реки над водосливной плотиной устраивают мост или внутри нее смотровую галерею, размещая в ней контрольную аппаратуру, выводы дренажных трубок или колодцев из дренажа под подошвой плотины (рис. 22—2).
Очертание водосливных плотин из бетона, каменной кладки и других материалов выполняют по так называемому практическому профилю, безвакуумному или вакуумному. В безвакуумном профиле давление под струей равно атмосферному или больше его, а в вакуумном меньше атмосферного. Безвакуумный профиль можно получить, заполняя кладкой пространство, ограниченное гранью водослива с тонкой стенкой и очертанием нижней поверхности свободно падающей струн. Коэффициент устойчивости плотин с безвакуумным профилем обычно больше требуемого, что свидетельствует о некотором перерасходе материала. По очертанию безвакуумных профилей имеется несколько предложений, полученных на основании экспериментальных исследований, предпринятых с целью обеспечить отсутствие вакуума под струей и получить высокий коэффициент расхода водослива.
Из этих предложений укажем на работу А. С. Офицерова х, которым вычислены координаты точек профиля (табл. 22—1 и рис. 22—2).
Таблица 22—1
Приведенные в таблице 22—1 значения координат профиля плотины отнесены к напору Н=1; при иных значениях напора х и у следует умножить на соответствующее Н.
Профиль является безвакуумным, если глубина над гребнем водослива Н не превосходит расчетной глубины Нр; при повышении Н сверх Нр профиль работает как вакуумный. Коэффициент расхода рассматриваемого профиля принимают равным 0,49 для Нр: при иных глубинах Н, по данным опытов А. С. Офицерова, коэффициент расхода принимает следующее значение (табл. 22—2).
Таблица 22-2
Глубину воды над наивысшей точкой профиля считают равной h=0,75Н.
Из других очертаний профилей водослива укажем на скошенный профиль (рис. 22—3, б) и на округленный трапецеидальный (рис. 22—3, а) с коэффициентами расхода для Нр соответственно 0,475 и 0,48. Для трапецеидального профиля акад. Η. Н. Павловский указывает следующее соотношение размеров:
затопленным, а потом затопление начинает уменьшаться (т. е. z увеличивается), то выбирается меньшее σ.
Для оснований, сложенных из слабых грунтов, проф. Л. М. Севковым предложена конструкция низконапорных плотин распластанного профиля, обеспечивающая устойчивость сооружения и небольшие напряжения на грунт. Плотина состоит из ряда продольных и поперечных бетонных стен (монолитных или сборных), образующих систему колодцев-ряжей, заполняемых грунтом основания. Сверху колодцы перекрывают бетонной или из армированного бетона плитой (рис. 22—5). В зависимости от глубины воды над порогом плотины коэффициент расхода плотины т=0,42-0,37.
Потери напора фильтрационного потока вдоль внутреннего контура колодцев при принимаемых соотношениях между шириной и глубиной их дают основание считать их незначительными, в чем можно убедиться, построив графически сетку движения потока грунтовых вод. Указанное обстоятельство значительно упрощает фильтрационные расчеты плотин системы Л. М. Сенкова; линия пьезометрических напоров потока грунтовых вод с приемлемой точностью может быть найдена способом линейной контурной фильтрации или, что точнее, построением графической сетки движения для случая, когда линия основания колодцев (I—II на рис. 22—5) условно считается водонепроницаемой. Как показали опыты И. В. Федорова, линии пьезометрических напоров, построенные указанным способом, и наблюденные (т. е. при проницаемой для воды линии I—II), практически совпадают.
У вакуумных профилей оголовки очерчивают по окружности (рис. 22—6, а) или по эллипсу (рис. 22—6, б); переднюю грань устраивают вертикальной, низовую грань — наклонной с заложением 2/3; большая ось эллипса параллельна низовой грани. Коэффициенты расхода т для кругового оголовка приведены в таблице 22—5; для эллиптических оголовков т больше на 2—3%.
Рис. 22—6. Профили вакуумных водосливных плотин.
При затопленном истечении в формулу расхода вводится коэффициент затопления σ, значения которого выбираются по таблице 22—4, разработанной Институтом Водгео.
Таблица 22—4
Рис. 22—7. Формы сопряжения струи за плотиной с воском.
Вакуум не рекомендуется более 6 м вод. ст. Таблица 22—5 показывает на больший вакуум у круговых оголовков по сравнению с эллиптическими; зона вакуума кругового оголовка, как указывал А. Н. Ахутин, сравнительно устойчива по размерам (зона I — II, рис. 22—6, а) и меньше, чем в эллиптическом оголовке (зона I — II, рис. 22—6, б).
Как видно, вакуумные профили имеют большие коэффициенты расхода, чем безвакуумные, что позволяет сократить длину плотины с вакуумным профилем. Кроме того, площадь поперечного сечения плотины с вакуумным профилем меньше площади плотины безвакуумного профиля на 25—15%, что дает экономию в кладке.
Судя по работе построенных вакуумных плотин, опасение но поводу отрицательного влияния вакуума на кладку и облицовку водослива при ограничении вакуума до 6 м вряд ли основательно.
Сопряжение водослива с водобоем. Различают две формы сопряжения водослива с водобоем: плавную и с носком (трамплином, уступом).
Плавное сопряжение с водобоем производят по круговой кривой радиуса R (рис. 22—2 и 22—6), для которого А. С. Офицеров предлагает в случае невысоких плотин на слабых основаниях выбирать значения В = (0,5-1,0) z, где z — максимальная разность уровней верхнего и нижнего бьефов в период паводка; в случае высоких плотин на скальных основаниях (и других прочных основаниях) он рекомендует В — (0,25-0,5) z, указывая, что при тяжелых ледовых условиях желательно придерживаться больших значений В, как равно и тогда, когда это не вызывает особого удорожания плотины.
Сопряжение носком.
Плавное сопряжение водослива с водобоем сопровождается донным прыжком воды, при котором наблюдаются большие донные скорости. При устройстве плотин на реках с сильным ледоходом такое сопряжение создает тяжелые условия работы водобоя. Устраивая в конце водослива носок, можно получить поверхностный прыжок, при котором донные скорости получаются меньшими, чем поверхностные; лед будет проходить над водобоем, что облегчит его работу. При истечении через водослив с носком различают три основные формы сопряжения струи с нижним бьефом. При неглубокой воде нижнего бьефа возможен донный прыжок, затопленный или отогнанный в зависимости от конструкции и гидравлического режима потока (рис. 22—7, а); при повышении уровня нижнего бьефа донный прыжок переходит в поверхностный незатопленный, рекомендуемый при пропуске льда через плотину (рис. 22—7, б); с дальнейшим увеличением глубины нижнего бьефа может образоваться затопленный поверхностный прыжок (рис. 22—7, в), не рекомендуемый при пропуске льда.
Для незатопленного и затопленного поверхностного прыжка проф. М. Д. Чертоусов1 рекомендует находить высоту носка а из следующей эмпирической зависимости:
Рис. 22—8. Каменная облицовка плотины.
Высота носка в некоторых отечественных средне- и низконапорных плотинах составляет 0,25—0,35 их высоты.
Под влиянием центробежной силы на низовом поверхности профиля плотины наблюдается истирающее действие движущихся с водой наносов, что вызывает необходимость защиты этой части поверхности. С этой целью применяют облицовку из твердого камня с получистой отделкой внешней поверхности.
Облицовку (рис. 22—8) укладывают следующим образом: профилю плотины придают ступенчатое очертание с запуском в него арматурных штырей, к которым привязывают (или приваривают) арматурную сетку, засыпаемую щебнем; на щебень укладывают камни облицовки, скрепляемые горизонтальными штырями, которые связывают с сеткой арматурой, протесывая для последней по швам небольшие желобки в камнях. В швах через 1.0—1,5 м устанавливают трубки, через которые нагнетают цементный раствор.
Подобным способом выполнена облицовка на Чумышской, Невинномысской, Волховской и других плотинах.
а
Рис. 22—9. Профили водосливных плотин с трамплинами и без уступа.
Однако, как показывает опыт эксплуатации плотин, каменная облицовка не всегда удовлетворяет поставленной цели; так, на плотине ДзораГЭС к третьему году эксплуатации замечено истирание каменной облицовки до 5—10 см, особенно у швов; на Первомайской плотине (р. Зеравшан) к двенадцатому году эксплуатации каменная облицовка настолько истерлась наносами, что требуется замена ее.
При отсутствии (или дороговизне) прочного на истирание облицовочного камня необходимо в рассмотренных очертаниях профилей плотин для долговечности их работы устройство сильной облицовки из сталебетона, чугунных или стальных плит (как это было осуществлено на Чирчиксжой, Кампыр-Раватской плотинах), либо выработать новый профиль плотины — выпуклый, оканчивающийся не доходя до водобоя (рис. 22—9, б). В таком выпуклом профиле наносы центробежной силой будут относиться к верхнему очертанию струи, не истирая профиля; попадая в водобой и имея возможность (при соответствующей конструкции) выйти из него, наносы также не будут так сильно истирать его, как это наблюдается при плавном сопряжении гуська с водобоем.
С целью лучшего рассеяния энергии на водобое можно устраивать на конце гуська плотины трамплины (высотой 1/4—1/3 высоты плотины) с приданием гуську между ними двускатного очертания (рис. 22—9, а).
