Водосбросы и водоспуски плотин, их типы и конструктивные особенности
Основное назначение водосбросных сооружений беспрепятственный пропуск (сброс) из в. б. в и. б. не используемых расходов реки, прегражденной глухой плотиной.
Величины максимальных расходов, на которые рассчитываются водосбросные сооружения плотин, изменяются в широких пределах: от нескольких десятков — на малых реках до многих тысяч кубических метров воды в секунду — на больших.
Если для сброса воды в составе гидроузла предусмотрено самостоятельное сооружение, его называют водосбросом. Когда вода сбрасывается через гребень плотины, устройства для пропуска воды называют водосливными. Водосбросные отверстия в теле плотины или в береговом склоне, расположенные глубоко под уровнем в. б., называют глубинными или донными водосбросами. Донный водосброс, используемый для опорожнения водохранилища, называется также водоспуском (водовыпуском).
Водосбросные сооружения но типам, размерам, расположению в гидроузле, оборудованию, условиям эксплуатации и способам производства строительных работ весьма разнообразны. С некоторой условностью, по признакам высотного расположения и конструктивным особенностям, их можно разделить на две группы: поверхностные (открытые и закрытые) и глубинные (трубчатые и туннельные). Выбор типа водосброса зависит от рельефа местности, инженерно-геологических условий берегов, величины сработки водохранилища и сбросного расхода воды, состава сооружений в гидроузле.
По технико-экономическим соображениям водосбросные и водопропускные сооружения принято совмещать с другими сооружениями гидроузла, например с силовым зданием ГЭС (рис. 2.12), с сопрягающими сооружениями и др. В качестве водосбросов и водоспусков плотин используют и водопропускные сооружения, построенные для пропуска речных потоков в период возведения гидроузлов (рис. 2. 13).
Поверхностные водосбросы.
Обличительным признаком поверхностных водосбросов является расположение их на высоких отметках, вблизи отметки нормального подпорного уровня (НПУ) в. б. Поток, проходящий через открытый поверхностный водосброс, имеет свободную поверхность. В закрытых типах водосбросов происходит напорное или малой а норное движение воды, так как поток протекает в замкнутом пространстве.
Бетонные водосливные плотины являются самым распространенным типом водосбросов в составе низконапорных и средне-напорных гидроузлов. Встречаются они и в составе высоконапорных гидроузлов. Водосливная плотина без щитов на гребне (см. рис. 2.2) как водосброс действует автоматически с повышением уровня воды выше ее гребня. Для снижения высоты уровня воды и размеров затоплений открытому водосливу приходится придавать большую длину, что сопряжено с увеличением его стоимости.
Устройство водосливной плотины с затворами (см. рис. 2.9) позволяет опустить ее гребень пол ЦПУ на глубину, равную высоте затворов. Высота последних бывает значительной (до 10 м); вода переливается через такой водослив большим слоем, поэтому длина и соответственно стоимость водосброса с затворами могут быть значительно меньше, чем открытого водослива.
Обходные водосбросные каналы (рис. 2.14) устраивают в одном из берегов реки у земляной или смешанной плотины. Такой водосброс состоит из подводящего канала, водосливного порога, сбросного канала, сопрягающего сооружения (быстротока или перепада) м отводящего канала за ним.
Водосливной порог оборудуют затворами или сооружают открытым (без затворов на гребне).
Сопряжение водосливного порога со сбросной частью обходного канала выполняют так. чтобы обеспечить плавное растекание потока. В качестве сопрягающих сооружений используют быстротоки- железобетонные массивные лотки больших уклонов. по которым вода движется со скоростью 20—25 м/с и больше. Быстротоки обычно прокладывают по поверхности земли или в выемках. В конце сопрягающего сооружения обязательно устраивают гасители энергии водного потока и укрепляют русло отводящего канала.
Виражом называют участок быстротока, криволинейный в плане. На всем протяжении виража дно быстротока делают наклонным, с подъемом и направлении от центра закругления наружу, и вся поверхность дна приобретает сложное криволинейное очертание; наружная береговая стенка виража наращивается во избежание переплескивания потока. Виражи устраивают, когда не представляется возможным разместить на местности прямолинейный в плане быстроток.
Если трасса быстротока обрывается у реки крутым склоном, низовой участок быстротока заканчивают не водобойным устройством, а консольным перепадом (сбросом) —лотком, сильно выступающим над береговым склоном, подобно консоли со слегка приподнятым концом (как в лыжном трамплине), чтобы срывающийся с него поток летел возможно дальше в русло реки (рис. 2.15).
Отводящий канал водосброса выполняют и в виде многоступенчатого перепада, являющегося разновидностью сопрягающего сооружения (рис. 2.16). Многоступенчатый перепад не даст потоку разгоняться, а расчленяет его разрушительную силу на несколько частей, энергия которых гасится на ступенях перепада. Вопрос о применении того или иного типа сопрягающего сооружения решают на основании их технико-экономического сравнения.
Траншейные водосбросы применяют при значительных сбросных расходах и крутых берегах, сложенных скальными грунтами.
В траншейном водосбросе водопропускные отверстия располагают не по направлению оси плотины, а вдоль берега реки, примыкая их к концу плотины в в. б. Его отводящий капал глубокий и узкий, как траншея (отсюда и название), в конце имеет в плане плавный поворот и выход в и. б. перпендикулярно направлению речного потока.
Боковые водосбросы устраивают при земляных плотинах, образующих небольшие пруды сельскохозяйственного назначения. В водосбросе этого типа вода сбрасывается через земляной боковой порог в канал-быстроток, располагаемый на склоне балки (лога). Сливной порог устраивают в виде горизонтальной площадки шириной 2—3 м и укрепляют бетонной облицовкой. каменной отмосткой или одерновкой. Порог плавно сопрягают с каналом, по которому вода стекает в и. б. Порог по всей длине имеет одинаковую отметку, принимаемую равной НПУ в пруде. В зависимости от величины сбрасываемого расхода длина порога имеет разные значения.
Сифонный водосброс по форме напоминает водослив практического профиля криволинейного очертания, но переливающийся через него поток изолирован от окружающего воздушного пространства железобетонным коробом (рис. 2. 17).
Когда уровень в. б. поднимается выше нормального, вода начинает переливаться через гребень водослива и, двигаясь с большой скоростью, захватывает и уносит с собой воздух из сифона и он «заряжается» — начинает работать полным сечением. Если на поверхности водослива в сифоне сделать небольшой выступ— трамплин, который отбрасывает струю воды на противоположную стенку, то отсос воздуха из него происходит более интенсивно и сифон скорее заряжается.
Сифон, как и открытый водослив, приводится в действие автоматически, но имеет перед ним преимущество: большую пропускную способность, нс требуя при этом повышения уровня в. б.
Недостаток сифонного водосброса — невозможность регулирования в нем расхода воды; начав работать, он пропускает полный расход, пока не снизится уровень в в. б. до ННУ.
Через сифон трудно сбрасывать лед. И суровых климатических условиях всегда возникает опасность замерзания входного отверстия сифона.
Туннельные водосбросы (см. рис. 2. 13) сооружают в составе гидроузлов на горных реках. Их размещают в толще берегового скального массива в обход конца плотины так, что входная часть туннеля находится в в. б. гидроузла, а выход в и. б. Длину туннеля из-за высокой стоимости строительства стремятся делать возможно меньшей, однако нс в ущерб удобству эксплуатации гидроузла. Водосбросы этого типа имеют несколько разновидностей.
Туннельный водосброс может иметь в своем составе короткий подводящий канал, расположенный на высоких отметках берегового склона в в. б., собственно водосбросное сооружение— шахту, водоприемные отверстия которой оборудуют затворами. и отводящий водосбросной туннель. Последний обычно состоит из двух частей: начального, круто падающего, или вертикального, участка и основного, проложенною на уровне и. б. Размеры поперечного сечения водосбросного туннеля назначают в зависимости от величины сбрасываемого расхода.
Водобойные устройства в конце туннеля устраивают редко. В них обычно нет нужды в связи с тем. что туннели прокладывают в крепких, трудно размываемых горных породах. Водосбросное сооружение имеет ряд отверстии, оборудованных затворами для регулирования величины сбрасываемых расходов.
Глубинные водосбросы и водоспуски.
Глубинные водосбросы отличаются от водоспусков только назначением. Водоспуски используются для опорожнения водохранилищ и обычно имеют небольшие размеры.
Глубинные водосбросы устраивают в виде груб в телах глухих бетонных и земляных плотин или в виде туннеля, расположенного в одном из берегов. При строительстве всех плотин.
кроме бетонных, туннельным водосбросам отдают предпочтение так как прокладка труб в теле плотин из местных материалов требует создания противофильтрационных устройств, что связано с рядом технических трудностей.
Глубинные водосбросы в теле бетонной плотины представляют собой сквозное, облицованное листовой сталью отверстие, прорезающее тело плотины от верховой до низовой грани (рис. 2.18). Когда отверстие открыто, вода под большим давлением со стороны в. б. с большой скоростью (до 20—30 м/с и более) протекает сквозь отверстие и выбрасывается в и. б.
Для изменения величины сбрасываемого расхода воды глубинные водосбросы снабжают специальными типами затворов (дисковые, т. с. тарельчатые, шаровые, игольчатые) и механизмами управления ими.
Водоспуск по типу открытой башни состоит из бетонной или железобетонной башни прямоугольного сечения, размещенной в в. б. и соединенной с трубопроводом, прорезающим плотину у основания (рис. 2. 19). В головной части трубопровода (у задней стенки башни) устраивают плоский глубинный затвор, а в передней стенке башни — ремонтный затвор, или шандоры. Управление затворами производят механизмами, размещенными в верхней части башни в служебном помещении, которое соединяют с гребнем плотины с помощью служебного моста.
Трубопроводы выполняют обычно из железобетонных труб, укладывая их на фундаментной плите с небольшим уклоном. Внешнюю поверхность труб защищают гидроизоляцией. Для предотвращения фильтрации вдоль труб устанавливают диафрагмы из железобетонных плит, а также с боков и сверху укладывают, тщательно трамбуя, суглинок или смесь глины с песком.
Трубчатые водоспуски выполняют без башен у земляных плотин с напорами до 1 м. В качестве затвора трубы служит плоский щит, располагаемый в начале трубы, или задвижка, размещенная η ее конце. Для обеспечения плавного входа водного потока перед трубой делают раструб.
В нижнем бьефе в местах выхода труб обязательно создают подобойные устройства и надежно укрепляют речное русло для предупреждения его размывов.
