Основы гидротехники - Гидротехнические затворы

Гидротехнический затвор, как указывалось, является подвижной водонепроницаемой конструкцией, перекрывающей как водосливные, так и донные отверстия плотин, водосбросов, водоспусков и водозаборных сооружений. Затворы служат для регулирования уровня воды в и. б., пропуска расходов воды, наносов, льда и различных плавающих тел из в. б. в и. б. Основное требование, предъявляемое к гидротехническому затвору, — готовность всегда к действию, т. е. к полному или частичному открытию или закрытию перекрываемого отверстия.
Для большинства гидротехнических затворов характерны следующие конструктивные элементы.
Обшивка — обычно непосредственно воспринимает давление воды и передает его с помощью вспомогательной балочной сети на несущую конструкцию. В простейших затворах обшивка отсутствует, в других типах она сама является несущей конструкцией. Выполняют обшивку обычно из листовой стали.
Несущая конструкция — передает все давление воды на опорные части затвора и состоит из горизонтальных балок-ригелей.
Опорные части затвора передают давление воды на постоянные неподвижные части плотины (бычки, устои, флютбет) и обеспечивают правильное движение затвора в процессе маневрирования им.
Уплотняющие устройства служат для предотвращения утечек воды из в. б. в и .6. через зазоры между затворами и неподвижными частями гидротехнического сооружения или между затворами (при сдвоенных затворах).
Связи жесткости обеспечивают пространственную неизменяемость конструкции затвора.
Подвесные устройства предназначаются для соединения затвора с тягами подъемного механизма, а также подцепями для временной подвески затвора на неподвижных частях сооружения.
В состав устройств, обеспечивающих закрытие водопропускных отверстий гидротехнических сооружений, входят также подъемные механизмы краны или лебедки (включая тяги и противовесы) в гидротехнических затворах с механическим приводом или аппарат управления в затворах-автоматах гидравлического действия и служебный мост для размещения подъемных механизмов и обеспечения эксплуатационных нужд.
Конструкции гидротехнических затворов разделяют по ряду следующих основных признаков:

1. по месту расположения в сооружении или по виду перекрываемых отверстий различают поверхностные, перекрывающие отверстия водосливных плотин, водозаборных и других гидротехнических сооружений, и глубинные, перекрывающие глубинные отверстия тех же сооружений;
2. по назначению и условиям работы затворы делят на основные, постоянно работающие при эксплуатации гидротехнических сооружений для управления уровнями и расходами воды, для пропуска судов, леса. льда, наносов; ремонтные, устанавливаемые на период осмотра и ремонта основных затворов или подводных элементов водопропускных устройств (труб, туннелей и т. п.); аварийные, применяемые для быстрою перекрытия отверстии в случае аварии основного затвора; аварийные, выполняющие функции ремонтных и называемые аварийно-ремонтными; строительные, используемые для временного перекрытия водосбросных отверстий в период строительства сооружения;
3. по виду движения различают затворы с поступательным линейным перемещением вверх и вниз (шандоры, плоские скользящие, катковые и колесные, двигающиеся на специальных катках или колесах), с вращательным движением вокруг горизонтальной оси (сегментные, секторные, крышевидные, клапанные мостовые), с вращательным движением вокруг вертикальной оси (ворота судоходных шлюзов, вертикальные цилиндрические или бочарные затворы), с комбинированным (вращательно- поступательным) движением (вальцовые, т. е. цилиндрические затворы), свободно плавающие затворы;
4. по способу передачи гидростатического давления на постоянные части напорных гидротехнических сооружений гидротехнические затворы делят на передающие давление воды на быки и устои (шандоры, все плоские затворы, сегментные и цилиндрические затворы), передающие давление на всю напорно-водосливную часть плотины (секторные, сегментные — опускные, крышевидные, клапанные—плоские поворотные затворы и др.), передающие давление воды на напорно-водосливную и водобойную части плотины (мостовые, плоские поворотные и плавучие —батопорты затвори);
5. по способу маневрирования затворы бывают с ручным маневрированием (опускаются и поднимаются вручную), с механическим подъемом с помощью лебедок с электроприводом или ручных, портальных (козловых) и мостовых кранов с электроприводом, гидравлического действия, для маневрировании которыми используется действующее на них гидростатическое давление;

В зависимости от материала, из которого их изготовляют затворы могут быть стальными, железобетонными, деревянными, комбинированными и из новых материалов — нейлоновой ткани, древеснослоистых пластиков, из сплавов легких материалов.

Основные типы наиболее распространенных поверхностных гидротехнических затворов приведены на рис. 2.20. Тип гидротехнического затвора выбирают в зависимости от размеров во допропускных отверстий, их назначения и условий. работы.

 

Вода с помощью затворов поверхностного типа может пропускаться из-под затвора, поверх него, одновременно из-под затвора и поверх него, а также при полностью поднятом затворе.
Размеры гидротехнических затворов назначают исходя из размеров прямоугольных водопропускных отверстий, сообразуясь с типовыми размерами их ширин (СН 149-60).
Пропускная способность водосбросных отверстий всех гидротехнических сооружений определяется гидравлическим расчетом на основании данных, полученных в результате гидрологических и водохозяйственных расчетов.
Водосбросные отверстия обычно рассчитывают на максимальный ожидаемый расход паводка или половодья. На основании многолетнего изучения расходов и частоты паводков или теоретическим путем определяют расчетную величину расхода паводка, т. е. наибольший расход реки, который, по всей вероятности, не будет превзойдем за время эксплуатации сооружения. Рассчитав, какая часть расхода в момент прохождения наибольшего паводка (половодья) пойдет на наполнение водохранилища и какая будет использована в это время в водохозяйственных целях (гидроэнергетика, шлюзование, орошение, водоснабжение), находят величину сбросного расхода, который надо пропустить через водосбросное сооружение. Пропускная способность водосбросов должна быть не меньше, чем найденная величина сбросного расхода.
Расчетная обеспеченность (вероятность превышения) сбросного расхода воды выбирается в зависимости от класса гидротехнических сооружений в соответствии с данными табл. 4.

Таблица 4
Норма расчетной обеспеченности максимальных сбросных расходов воды (%)

При уровне, превышающем нормальный в в. б.
Выбор расчетной обеспеченности сбросного расхода, определение его величины и гидравлический расчет водосбросных отверстии являются ответственнейшим этапом проектирования. В нем большая роль принадлежит гидрологу.
Водосливные отверстия в зависимости от соотношения напора на их пороге и ширины последнего рассчитывают как водосливы с широким порогом или практического профиля (полигональный, криволинейный).
Максимальный напор на пороге водосливных отверстий не должен быть значительным (больше 10 м), чтобы не создавать большой удельный расход и не вызывать на водосливной части пульсаций, влекущих за собой появление вибрационных сил, отрицательно действующих на тело бетонных плотни.
Удельные расходы современных бетонных плотин, возведенных на мягких грунтах, достигают 40—60 м³/с на 1 пог. м, а на скальных — 80—100 м³/с, составляя в отдельных случаях 120— 150 м³/с на 1 пог. м. С повышением высоты плотни и при тех же инженерно-геологических условиях удельные расходы принимают меньшими.
Минимальный слой воды Нмин (в метрах), переливающейся через гребень плотины или ее затворы, определяется толщиной льдин, которые необходимо сбрасывать через них. по формуле
(4)
где hл — толщина льдин во время ледохода, м.
В русловых водохранилищах ширина водосливного фронта водосбросных отверстий плотин, если они предназначены и для сброса льда, принимается не меньше 50-70% ширины зеркала реки в в. б. Для того чтобы упростить и облегчить конструкцию затворов и их подъемных механизмов, иметь возможность пропускать через плотину различные расходы воды при данном подпорном уровне, не срабатывая при этом значительно запасов воды в водохранилище, пропускать через плотину лсд в период ледохода, не допуская при этом ледяных заторов и опасных навалов льда, водосливной фронт плотины разбивают с помощью бычков на отдельные отверстия. Минимальная ширина каждого из отверстий плотины на средних и больших реках, необходимая для беспрепятственного пропуска льда, в южных районах не менее 10 м, а в северных районах не менее 25 м.
Задача выбора числа и размеров водосбросных отверстий и типа затворов решается путем технико-экономического сравнения ряда вариантов, основанного на всестороннем учете гидрологических особенностей используемой реки.
Силы и нагрузки, действующие на гидротехнические затворы. определяют в соответствии с рекомендациями СНиП и ГОСТ 3154-46, сообразуясь с которыми выполняют и расчеты их прочности.
Для предотвращения обмерзания гидротехнических затворов в уплотняющих устройствах устраивают электрообогрев. Этим обеспечивается постоянная готовность затворов к действию.
Для уменьшения или снятия нагрузки от статического давления ледяного покрова перед затворами зимой искусственно образуют полыньи путем подачи в воду сжатого воздуха по всей ширине водопропускных отверстий на уровне их порога. Сжатый воздух вызывает движение наверх более теплой массы воды из глубоких слоев и таким образом предотвращает переохлаждение се верхних слоев.
Важной задачей эксплуатации гидротехнических затворов является выбор такого режима маневрирования ими при сбросах воды, при котором всегда обеспечивается режим затопленного гидравлического прыжка и исключается размыв русла. Эта задача решается расчетным путем, с последующей проверкой результатов в гидравлической лаборатории на модели водосброса (водоспуска).