Акведуки

Дата добавления: 2014-06-18 | Просмотров: 2216

Условия применения. Акведуки целесообразно применять при пересечении малых рек, балок, понижений местности глубиной до 20 м значительной длины, а также на каналах, где сокращение по­терь напора имеет существенное значение. Иными словами, акве­дуки применяют тогда, когда препятствия ниже канала. Акведуки выполняют из сборного, сборно-монолитного или мо­нолитного железобетона, реже металлическими. Пролетное строе­ние акведуков (рис. 1), как и мостов, бывает арочным, рам­ным, балочным и др. Арочную конструкцию применяют при строительстве акведу­ка над узким и глубоким ущельем с прочными (скальными) бере­гами.

Акведуки рамной конструкции устраивают при переходах че­рез широкие и неглубокие долины, поймы рек, каналы, дороги в неглубоких выемках. Они представляют собой одну или не­сколько двухконсольных рам с температурно-осадочными шва­ми между ними. Верхний ригель такой рамы представляет собой лоток акведука, а стойки служат его опорами. Акведуки балочной конструкции применяют на участках ка­налов с понижением местности и дорогами, проходящими под каналами.

Рис. 1Схемы акведуков: а —арочный; б, в —рамный; г— подвесной; д— опирающийся на деревян­ную или железобетонную ферму

По конструктивным особенностям пролетного строения акведу­ки можно разделить на два основных вида. Первый из них состоит из двух независимых конструкций — моста, подобного проезжему, и лотка, уложенному по нему. Во втором виде акведуков пролетным строением будет сам лоток, опирающийся на опоры. Как правило, сборные конструкции акведуков возводят только второго типа.

Поперечное сечение лотков выполняют прямоугольным, па­раболическим и полукруглым. Лотки изготовляют закрытыми, полностью или частично открытыми. В закрытых лотках верх­нюю плиту используют в качестве служебного или переходного мостика. В открытых лотках по верху бортовых стенок уклады­вают поперечные связи, располагая их на расстоянии 2... 4 м друг от друга. Наличие таких связей увеличивает жесткость лотка и позволяет уложить по ним настил, используемый как служеб­ный мостик.

В широких лотках служебные мостики устраивают на консо­лях, расположенных с внешней стороны лотка. Следует отме­тить, что лотки параболического и полукруглого сечения чаще используют в сборных конструкциях акведуков на расходы до 10 м³/с.

Лотки по длине разрезают деформационными швами (рис. 3). По температурным условиям расстояние между швами в монолит­ных железобетонных конструкциях принимают не более 25...30 м. Местоположение

их зависит от принятой схемы разрезки пролет­ного строения и расстояния между опорами.

Деформационные швы устраивают также в местах примыкания лотков к входным и выходным участкам акведуков.

Нижняя часть пролетного строения акведука, пересекающего несудоходный водоток, должна возвышаться над максимальным расчетным уровнем не менее чем на 0,5 м.

Подошвы фундаментных частей пролетных опор и береговых устоев заглубляют в грунт ниже глубины промерзания и возмож­ного размыва русла в створе акведука.

2.4.3 Дюкеры. Условия применения.

Дюкеры (напорные водоводы) устраи­вают на каналах и водотоках, когда препятствия (реки, каналы, суходолы, селевые русла, железные и шоссейные дороги) расположены на том же или на близком уровне или когда нет возмож­ности выдержать необходимые габариты при строительстве ак­ведука (например, при пересечении с судоходной рекой). При пересечении каналом (водотоком) глубоких и широких рек, до­лин, оврагов строительство дюкера может быть экономически выгоднее строительства акведука, главным образом за счет стои­мости опор.

Для уменьшения длины дюкера рекомендуется трассировать его под прямым углом к препятствию. В месте пересечения двух каналов дюкер устраивают на канале с меньшим расходом.

Конструктивные особенности дюкеров. По конструктивным особенностям различают колодезные (шахтные) и криволиней­ные дюкеры (рис. 1). По числу ниток дюкеры бывают одноочковые и многоочковые.

По условиям производства работ и экс­плуатации дюкеры подразделяют на:

· закрытые;

· открытые;

· комбинированные.

В местах резкого поворота оси трубопровода, а также на пря­молинейных участках, где это необходимо по расчету, устанав­ливают анкерные опоры(через 150...180 м). Они бывают двух ви­дов: открытого и закрытого. В анкерной опоре закрытого типа трубопровод заделывают в массивную кладку опоры на всю дли­ну криволинейного участка. В опоре открытого типа для анкеровки трубы применяют специальные конструктивные элементы (тяжи), которые своими нижними концами заделывают в массив опоры. Тип опоры выбирают в зависимости от местных условий. На углах поворота оси трубы в плане и в разрезе анкерные опоры открытого типа не применяют. В этих случаях наиболее целесо­образны опоры закрытого типа.

Выполняют дюкеры из бетона, железобетона, стали, дерева, пластмассы. Выбор материала определяется действующим на­пором. Так, бетонные дюкеры устраивают при напорах до 3 м, железобетонные —30...50 м, а из предварительно напряженно­го железобетона — до 100 м. Стальные дюкеры практически не имеют предела по напору. Деревянные дюкеры возможны при

напорах 20...30 м, однако их применение ограничено их недол­говечностью.

В местах укладки крупных и длинных железобетонных дюке­ров на пологих склонах местности устраивают застенный дренаж для отвода фильтрационной воды. Дренаж укладывают в пазу­хах трубы.

Наименьшее расстояние между уложенными трубами на уров­не их центров принимают: при диаметре до 1000 мм и двух нит­ках —0,8 м, 1000...2000 мм—0,9 м, свыше2000 мм — 1,0 м. Если количество ниток трубопровода три и более, то расстояние между ними принимают не менее диаметра трубы.

Радиусы закруглений труб из сборных элементов зависят от диаметра, длины готовых звеньев и конструкции стыка. Мини­мальные радиусы закруглении при монолитном исполнении при­нимают не менее пяти диаметров труб независимо от материала, из которого они изготовлены.

Длина дюкера должна быть минимальной за счет устройства подводящего и отводящего участков канала в насыпи. Переход от насыпи к дюкеру определяется на основании технико-эконо­мического сопоставления.

Поперечные сечения труб дюкера могут быть круглыми и пря­моугольными. Наиболее распространено круглое сечение труб. Оно выгодно как по расходу материала, так и с точки зрения ста­тического и гидравлического расчета.

Асбестоцементные, керамические и пластмассовые трубы подвержены разрушению от ударов, поэтому при укладке их за­глубляют. Стальные трубы укладывают на опорах выше поверх­ности земли не менее чем на 0,6 м, так как они подвержены кор­розии. Железобетонные трубы можно заглублять, укладывать над поверхностью земли или непосредственно на земле. Заглуб­ленные в грунт или обсыпанные грунтом трубы находятся в бо­лее благоприятных температурных условиях по сравнению с незаглубленными. Если трубы дюкера проходят под каналом или естественным водотоком, то слой грунта над верхом труб дюкера принимают не менее 1...1,5 м. Предельное заглубление в грунт определяется глубиной возможного размыва дна русла или кана­ла, а также прочностью трубы согласно установленным нормам.

Если трубы дюкера расположены над водотоком, проходящим через овраг, то их укладывают на эстакаду.

Для предотвращения образования вихревой воронки на входе воды в дюкер верхнюю кромку трубы заглубляют под уровень воды в подводящем канале не менее чем на 1,5 или на 0,6а, где а — линейный размер сечения трубы дюкера на входе (по вер­тикали).

Сопряжение оголовков дюкеров с каналом выполняют в виде стенок: обратных, ныряющих или с косыми плоскостями. Зада­ча оголовков — обеспечить плавный вход потока из канала в тру­бы (входной оголовок) и

плавное сопряжение выходящего из труб потока с отводящим каналом.

В начале входного и в конце вы­ходного оголовков иногда закладывают шпунтовую стенку, чаще зуб, для предотвращения возможной фильтрации. Очень полезно дренирование склона с отводом дренажных вод в нижерасполо­женное русло (как это делается в акведуках).

Шандорные пазы предусматривают на входном и выходном оголовках каждой тру­бы, чтоб иметь возможность ремонтировать одну из труб в случае необходимости. Для защиты труб от плавающих тел входной ого­ловок оснащают решеткой.

Для опорожнения дюкера на время ремонта в пониженной части его труб предусматривают отверстия.

В небольших малонапорных сооружениях входная и выход­ная части дюкера могут быть выполнены в виде вертикальных шахт и колодцев (см. рис. 1, а). В этом случае отметку дна входной и выходной шахт заглубляют по отношению к донной части горизонтальной трубы. В этих углублениях откладывают­ся наносы, попадающие в дюкер с водой.

2.5 ВОДОРЕГУЛИРУЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ

2.5.1. Общие сведения

Водорегулирующие (регулирующие) сооружения предназна­чены:

• для распределения воды по каналам;

• регулирования расходов;

• поддержания заданных уровней;

• обеспечения гидравлической промывки каналов от отложив­шихся в них наносов;

• учета воды, подаваемой потребителю;

• регулирования величины сбрасываемого из водохранили­ща расхода;

• забора и подачи воды в рыбоводные пруды.

Применяются регулирующие сооружения и в качестве голов­ных на открытых водозаборах при водоснабжении. Отдельно стоящее регулирующее сооружение может выполнять одну или несколько поставленных задач, но название ему дается по основ­ному назначению. Так, например, регулятор, устроенный на ка­нале для обеспечения смыва наносов, называют промывным, но он одновременно может быть использован и как сбросной, и как аварийный.

Регулирующие сооружения используют как в осушительных системах, так и ирригационных, однако при этом их конструкция будет одинакова. Учитывая массовость небольших гидротехниче­ских сооружений, применяемых на водохозяйственных системах, очень широко используют их типовые решения

из унифицирован­ных железобетонных деталей.

К регулирующим сооружениям предъявляются следующие основные требования:

• стабилизация гидравлических параметров потока (уровни, расходы, отношение расходов и др.) в соответствии с целевым назначением сооружения, с максимально возможной и экономи­чески оправданной автоматизацией их работы;

• простота, экономичность и технологичность изготовления конструкций;

• надежность и долговечность работы;

• удобство эксплуатации;

• максимальное внедрение типовых решений;

• использование новых, а также местных строительных ма­териалов, применение прогрессивных методов строительства.

Сооружения на каналах в соответствии со СНиП, как и лю­бые другие гидротехнические сооружения, классифицируются по классам. Кроме того, регулирующие сооружения принято классифицировать по назначению, конструктивным особенно­стям, пропускной способности, основному строительному мате­риалу и способу производства работ.

По назначению регулирующие сооружения могут быть голов­ными (располагаются в месте забора воды из источника водо­снабжения), водовыпусками, сбросными (аварийными), перего­раживающими, промывными, концевыми, вододелителями.

По конструктивным признакам различают регуляторы от­крытые (шлюзы-регуляторы) — с разомкнутым сводом над уров нем воды в пределах сооружения), диафрагмовые — забральные и трубчатые — с замкнутым сводом над уровнем воды.

По пропускной способности различают гидротехнические со­оружения: менее 0,2 м³/с — очень большой повторяемости (ма­лые); 0,2...5,0 м³/с — большой повторяемости; 5,0...20,0 м³/с — средней повторяемости; 20,0... 150,0 м³/с — малой повторяемо­сти; более 150,0 м³/с — индивидуальные.

По основному строительному материалу различают соору­жения бетонные, железобетонные, из полимерных и местных ма­териалов.

По способу производства работ бетонные и железобетонные сооружения подразделяются на сборные, монолитные и сбор­но-монолитные.

2.5.2. Открытые регуляторы (шлюзы-регуляторы)

Применение открытых регуляторов. Открытый регулятор представляет собой сооружение, состоящее из флютбета, про­дольных стен и переходных участков от канала к сооружению и обратно, оборудованное затвором с подъемным механизмом и служебным мостиком. Эта группа объединяет большое количе­ство регулирующих сооружений, используемых для различных целей:

• на водосбросных трактах водохранилищных плотин в каче­стве головных сооружений;

• в рыбоводном хозяйстве в качестве водопропускных соору­жений;

• как водозаборные сооружения (регуляторы-водовыпуски) при бесплотинном и плотинном водозаборах из источников с не­значительными перепадами уровней и в случае незначительных колебаний уровня перед регулятором;

• как подпорные или перегораживающие сооружения на ка­налах для создания необходимого командования (необходимых глубин при водозаборе);

• как вододелители для распределения воды между отдель­ными потребителями;

• в качестве водовыпусков в каналы младшего порядка;

• для пропуска плавающих тел, льда, шуги и т.д. Открытые регуляторы удобны в эксплуатации, что особенно важно для каналов, работающих круглый год, в условиях шуговых, ледовых явлений.

Высотное расположение на канале определяется назначением сооружений. Подпорный регулятор, располагаемый поперек ка­нала, не должен препятствовать полному опорожнению канала и создавать дополнительные большие подпоры при пропуске форси­рованных расходов. Регулятор-водовыпуск, размещаемый в отко­се канала, должен обеспечивать подачу расчетного расхода в млад­ший канал при минимальном уровне в старшем и т.д.

Составные части шлюза-регулятора (ШР). В конструктивном отношении в шлюзе-регуляторе условно можно выделить три со­ставные части, отделяемые друг от друга деформационными шва­ми: верховой сопрягающий участок, среднюю часть и низовой со­прягающий участок (рис. 1).

Верховой сопрягающий участок включает в себя продольные береговые стенки и плиту понура. Этот участок служит для со­пряжения с каналом и используется обычно при переходе от большей ширины канала к меньшей сооружения.

Средняя, основная часть сооружения представляет собой ло­ток прямоугольного, редко трапецеидального сечения. В преде­лах лотка размещаются бычки, пазовые конструкции, затворы, служебные

Примыкание отдельных частей шлюза-регулятора друг к дру­гу, а также к каналам взаимоувязывается с целью обеспечения благоприятных гидравлических условий протекания потока.

Сле­дует отметить, что на каналах осушительно-оросительных

систем применяют в основном схемы шлюзов-регуляторов без верхового и низового сопрягающих участков (рис. 2).

Сопряжение шлюзов-регуляторов с каналами. Для сопряже­ния каналов с сооружениями используют обратные стенки, ны­ряющие стенки, косые плоскости и их комбинацию. К их недостаткам можно отнести большой расход материала и неблагоприятные гидравлические условия из-за появления вих­рей и отжима потока от продольных стенок на подходе, а также образование водоворотных зон за обратными стенками. Однако при небольших подходных скоростях в канале последнее обстоя­тельство не имеет существенного значения.

Ныряющей стенкой (рис.3, б) принято называть такое со­прягающее устройство, плоскость гребня которого наклонена под уровень воды. Ныряющие стенки размещают на части длины со­прягающих участков. Переход от откоса канала к откосу ныряю­щей стенки выполняют по криволинейной поверхности или пере­секающимся плоскостям, которые покрывают одеждой. Длина ныряющей стенки определяется заложением ее откоса и глубиной канала. По условиям производства работ необходимо иметь хотя бы небольшой участок с горизонтальной плоскостью на уровне верха берегового устоя в месте примыкания к нему, поэтому дли­на сопрягающего участка должна быть больше.

Стенка типа косой плоскости (рис.3, в) отличается от других типов стенок сложной формой. Ее размещают по всей длине сопрягающего участка и выполняют обычно из бетона. Косая плоскость

представляет собой гравитационную стенку, устойчивость которой обеспечивается собственным весом. Ли­цевая сторона косой плоскости имеет переменное заложение, равное заложению откоса канала в месте примыкания к нему, и вертикальное у устоя, если средняя часть регулятора имеет прямоугольное сечение. Тыловая поверхность стенки (со сторо­ны обратной засыпки) имеет отрицательное заложение в месте примыкания к каналу и положительное в месте примыкания к устою. Примерно посередине стенки будет сечение, где тыло­вая поверхность имеет вертикальное направление. Двумерность поверхности лицевой плоскости стенки, плавно сопрягающей плоскость откоса канала с вертикальной плоскостью устоя, соз­дает чрезвычайно благоприятные гидравлические условия, по­этому потери напора на вход здесь будут минимальные. Такие стенки применяют при сравнительно небольших заложениях откосов каналов, примыкающих к сооружению. Средняя часть шлюза-регулятора. Составные элементы сред­ней части шлюза-регулятора: устои, быки (бычки), служебные и проезжие мосты,

водобойная плита и гасители на ней. Основные из них, определяющие конструкцию регулирующего сооруже­ния, — это устои и быки, которые по внешнему очертанию могут быть представлены несколькими типами (рис. 3) с переходом от простых к более сложным.

Примыкание устоев и бычков к флютбету выполняют в виде разрезной и неразрезной конструкции. Разрезную конструкцию применяют в регуляторах, рассчитанных на пропуск больших расходов (например, головных на магистральных каналах), ко­гда грунты основания мало сжимаемы и не ожидается неравно­мерная осадка частей сооружения. Неразрезная конструкция (доковая) характерна для шлюзов-регуляторов монолитной кон­струкции, когда средняя часть сооружения представляет собой единый блок, и для сооружений, которые расположены на грун­тах, подверженных значительной и неравномерной осадке.

Устои (береговые стенки) служат ограждающими конструк­циями, которые воспринимают силу давления грунта обратной засыпки и одновременно

используются для размещения пазовых конструкций и опирания пролетного строения мостов — служеб­ных и проезжих. Тип и толщина быков и устоев среднего участка шлюза-регулятора зависят от типа используемого затвора. Из-за необходимости расположения затворов в пазах при маневриро­вании часть быка со служебным мостиком выполняют более вы­сокой, чем требуют условия расположения максимальных уров­ней воды. Верх устоев обычно выполняют горизонтальным.

Быками (бычками) называют вертикальные стенки, кото­рые разделяют водосливной фронт на пролеты. Бычки, как и устои, используют для размещения пазовых конструкций, они служат также в качестве опор для пролетного строения мостов.Однако необходимо заметить, что бычки не

2.5.3. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы. Конструктивные особенности

Это разновидность открытых шлюзов-регуляторов, в которых по линии основных затворов име­ется стенка-диафрагма (забральная стенка), нижнее ребро кото­рой расположено несколько выше расчетного уровня воды в от­водящем канале. Образующееся отверстие между диафрагмой и

Диафрагма представляет собой железобетонную плиту (стен­ку) прямолинейного или криволинейного очертания, заделан­ную в устои и быки. Нижнее ребро диафрагмы усиливают балкой жесткости, располагая ее со стороны нижнего бьефа.

Диафрагмовые шлюзы-регуляторы применяют при значитель­ной разности уровней воды верхнего и нижнего бьефов. Следует обратить внимание на ошибочность указаний, приводимых ино­гда в учебниках, о применении диафрагмовых шлюзов-регулято­ров только в местах глубоких выемок. Наличие диафрагмы позво­ляет сократить высоту затворов, что дает снижение стоимости строительства сооружения и экономию при его эксплуатации.

Общие сведения

При пересечении каналами небольших водотоков, протекаю­щих в неглубоких и широких долинах, строительство акведука оказывается неэкономичным. Поэтому каналы в таких случаях устраивают в насыпях, в которых прокладывают трубы для про­пуска ливневых и паводковых вод.

Наибольшее распространение в мелиоративном и дорожном строительстве получили железобетонные сборные трубы. По числу уложенных труб их делят на одноочковые и многоочковые (чаще двух- и трехочковые). По характеру работы при пропуске воды трубы разделяют на безнапорные, полупанорные и напорные.

Труба-регулятор (рис. 1, а) включает входной оголовок 1, затворы 2, водопроводящую часть в виде трубы 3, выходной ого­ловок, гаситель и переходные участки. Применяют затворы пло­ские, коробчатые, циркульные и располагают их чаще на входе в трубу, реже — на выходе из нее. При расположении затвора на выходе труба всегда находится под напором, повышаются требо­вания к ее фильтрационной защите и создаются условия заиле­ния трубы в нерабочем состоянии, но при этом имеются опреде­ленные удобства в управлении работой регулятора и водоучета.

Характеристики режимов работы. При расчетах трубчатых сооружений рассматривают входной и выходной участки. Расчет входного участка заключается в определении площади живого сечения и размеров трубы, выходного — в обеспечении сопряже­ния с нижним бьефом.

Гидравлический расчет входного участка трубы выполняют в зависимости от условий его работы.

Различают следующие режимы работы труб:

• безнапорный (рис. 1, б) — входное и выходное сечения не затоплены и на всем протяжении трубы поток имеет свобод­ную поверхность

Полунапорный (рис. 1, в) — входное сечение трубы зато­плено.

• напорный (рис. 1, г) — входное сечение трубы затоплено и по всей длине труба работает полным сечением.

При выборе режима работы трубы следует учитывать, что наи­более безопасным является безнапорный режим с обеспечением такого возвышения высшей точки внутренней поверхности тру­бы над поверхностью воды, при котором возможно проплывание через трубу некрупных предметов. Следует отметить, что безна­порный режим достаточно устойчив, не вызывает колебания уров­ней воды в бьефах, позволяет оборудовать сооружение автомати­ческими водомерными и водорегулирующими устройствами, га­рантирует надежную работу стыков между звеньями труб, но живое сечение трубы при этом используется не полностью. При затоплении входного сечения через трубу проходит боль­ший расход, но при этом возникают дополнительные трудности в эксплуатации сооружений. Наиболее опасным является пере­ход от полунапорного режима к напорному и неустойчивый на­порный режим, при которых в трубе возникает переменное дав­ление как больше, так и меньше атмосферного, т.е. возникают повышенные динамические нагрузки на стенки и стыки труб.

При затоплении обоих оголовков трубы возникает напорный режим работы. Его недостатки — чрезвычайно тяжелые условия работы стыков между звеньями труб и наличие вакуума в трубе, что осложняет эксплуатацию автоматических регулирующих уст­ройств.

Однако пропускная способность трубы в напорном режи­ме относительно безнапорного может возрастать в несколько раз, в зависимости от напора, что позволяет получить существенный экономический эффект за счет уменьшения площади поперечного сечения труб.

В связи с вышеизложенным далее будем рассматривать толь­ко два режима работы труб: безнапорный и напорный.

2.7 Сопрягающие сооружения

2.7.1 Выбор типа сопрягающих сооружений

Сопрягающие сооружения предназначены для сопряжения участков каналов, расположенных на различных отметках в мес­тах падения рельефа местности, а также участков трассы откры­тых береговых водосбросов гидроузлов с глухими плотинами.

По условиям движения потока эти сооружения делят на две основные группы:

• без отрыва от жестких границ сооружения — быстротоки, трубчатые быстротоки и перепады;

• с отрывом от жестких границ сооружения на отдельных его участках — ступенчатые и консольные перепады.

В дальнейшем будет идти речь только о ступенчатых перепа­дах, быстротоках и консольных перепадах (консолях) как о наи­более распространенных сопрягающих сооружениях.

Тип сопрягающих сооружений выбирают на основании техни­ко-экономических расчетов, сравнений вариантов с учетом об­стоятельств, связанных с производством работ и эксплуатацией.

Главным критерием, оказывающим влияние на выбор типа, является характер рельефа местности, на которой предполага­ется устройство сопрягающего сооружения. На пологих склонах можно проектировать быстротоки — при прочих равных условиях они будут более экономичны. На кру­тых склонах экономически целесообразнее устраивать перепады, так как в этом случае быстротоки могут ока­заться дороже из-за недопустимых скоростей. Если же рельеф местности обрывистый и уклоны равны единице и круче, то реко­мендуется применять консоли.

Второй немаловажный критерий — уровень стояния грунто­вых вод. При близком их залегании от дневной поверхности луч­ше выбирать быстротоки или консоли как менее массивные со­оружения.

Качество грунтов основания также влияет на выбор типа сопрягающих сооружений. Консоли наиболее требовательны к грунтам по двум причинам: во-первых, для опоры нужно твер­дое основание, а во-вторых, размеры воронки размыва при сла­бых грунтах иногда получаются неприемлемо большими.

На втором месте после консолей по требовательности к каче­ству грунтов основания стоят перепады, а потом уже идут быст­ротоки как наиболее легкие сооружения.

Большое значение для выбора типа сопрягающего сооруже­ния имеют и условия эксплуатации. Особенно они важны для консолей, так как необходимо постоянно наблюдать за состояни­ем опоры и глубиной воронки размыва.

За быстротоками нужно особенно следить зимой, когда во вре­мя морозов на бортах лотков трапецеидального сечения намерзает вода, стесняя живое сечение и уменьшая пропускную способность быстротока. Следует отметить, что индивидуальные сопрягающие сооружения, в особенности быстротоки, обычно проектируют на удельный расход 4...12 м³/с.

Повороты быстротоков вызывают набегание потока на один борт и выплескивание воды, что также нельзя считать благопри­ятным во время эксплуатации.

Из всех типов сопрягающих сооружений наиболее надежны в эксплуатации перепады. Если они правильно запроектированы, то в задачу эксплуатационного персонала входит лишь обычный присмотр за состоянием сооружения и периодический ремонт.

При нормальных условиях наиболее экономичным типом сопрягающего сооружения считается консоль, потом быстроток, а перепад относится к наиболее дорогим сооружениям. Однако при определенных условиях консольный сброс может оказаться дороже и сложнее всех других типов сопрягающих сооружений, главным образом за счет технической сложности и большой стои­мости опоры.

В табл. 2.7.1 приведены рекомендации различных авторов по выбору типа сопрягающих сооружений в зависимости от кон­кретных условий.

Таблица 2.7.1

Рекомендации по выбору типа сопрягающих сооружений

Сопрягающие сооружения должны отвечать основным требо­ваниям: создавать безопасные гидравлические условия движения воды как в самом сооружении, так и на примыкающих к нему участках водотоков. Это значит, что при расчетном гидравличе­ском режиме в верхнем (подводящем) канале не должно быть ни подпора, ни спада, а в нижнем (отводящем) — размыва.

В пре­делах сооружения скорости должны быть не выше допускаемых; быть прочными и устойчивыми; иметь наиболее рациональные и по возможности простые формы; обеспечивать пропуск в нижний бьеф плавающих тел и шуги.

Следует отметить, что обычно индивидуальные (крупные) со­оружения предварительно проектируют в нескольких вариантах, после чего выбирают один из них и окончательно дорабатывают и уточняют все детали. Мелкие сооружения устраивают по типовым проектам.

2.7.2. Перепады

В водосливной стенке (над стенкой падения) устраивают от­верстия размерами от 10 х 10 см до 20 х 20 см для опорожнения колодцев во время выключения перепада из работы.

Длину входной (понурной) части в небольших перепадах выбирают взависимости от удельного расхода. Длина предпонурного крепления l_пп = (2...3)H, толщина плит понура 0,1...0,2 м.

Работа последней ступени и выходного участка перепада наиболее ответственна для сооружения, так как размывы в ниж­нем бьефе из-за их неудовлетворительной работы могут создать угрожающее состояние для всего

сооружения. Поэтому выходная часть должна обеспечивать безопасный выход потока в канал.

Плавный и спокойный выход потока в канал за перепадом можно обеспечить, проектируя выходной участок в виде рас­труба с обратными стенками или косых плоскостей. Очень час­то водобойный колодец последней ступени получается расши­ряющимся в плане, так как канал почти всегда шире перепада. Прилежащий к водобойной части перепада участок канала дол­жен быть закреплен. Длину участка крепления принимают рав­ной удвоенной длине водобойного колодца для небольших пере­падов и (6...8)H — для больших.

Число ступеней, их длину и высоту стенок падения выбирают в результате технико-экономического сравнения нескольких ва­риантов. При этом стремятся к тому, чтобы сооружение вписы­валось в рельеф склона наиболее просто, без больших выемок. Высоту стенки падения принимают до 3...5 м. Толщину днища водобойных колодцев бетонных и каменных перепадов рекомен­дуется принимать: 0,35...0,4 м при удельном расходе p < 2 м³/с и высоте стенки падения р < 2 м; 0,5 м — при q - 2 м³/с и высоте стенки падения р < 2 м; 0,6...0,7 м — при 2 <<т < 5 м³/с и р = 2,5 м; 0,8...1,0 м — при q > 5 м³/с р = 2,5 м. В железобетонных пере­падах толщина плит днища принимается: 0,12...0,15 м при д < 2 м³/с; р = 1,5 м, 0,15...0,3 м — при больших q и р.

2.7.3. Быстротоки

Конструктивные особенности. Быстротоками называются такие сооружения, которые с большими скоростями переводят воду из верхнего канала в нижний по лотку без отделения струи воды от лотка. Они состоят из входного участка, лотка (транзит­ной части) и выходного участка-гасителя (рис.1).

В конструктивном отношении входная и выходная части бы­стротока аналогичны, как и в перепадах.

По конструкции транзитной части быстротоки бывают открытые и

закрытые (трубчатые), криволинейные в плане, с искусственной шероховатостью, струйные (с лотком, разде­ленным продольными стенками на несколько лотков), перемен­ной ширины.

Поперечное сечение лотка быстротока может быть прямо­угольным, трапецеидальным, треугольным и полигональным. По гидравлическим

условиям работы оптимальным считается прямоугольное поперечное сечение, так как в других сечениях происходит концентрация струи на осевой части, что приводит к неустойчивости потока.

При прямоугольном поперечном сечении быстротока боко­вые стенки устраиваются в виде подпорных стенок, поперечные размеры которых определяются на основании статического рас­чета.

Конструктивные особенности. Консольный перепад получил свое название по гасительному устройству, представляющему со­бой струенаправляющий лоток, который расположен на опоре, доходящей до материкового грунта или выполненной в виде ви­сячих свай.

В состав консольного перепада (рис. 1) входят: вход, быст­роток, струенаправляющий лоток на опоре и крепление грунта в зоне предполагаемого размыва, т.е. в пределах будущей ворон­ки размыва.

Входная часть и быстроток консольного перепада в конст­руктивном отношении такие же, как и в быстротоках

Лоток проектируют таким образом, чтобы в его конце скоро­сти потока достигали предельной расчетной величины. Длину консоли принимают 2...4 м. Дальность отлета струи определяется скоростью, высотой падения и особенностью конструкции конце­вой части консоли.

При постоянном или близком к постоянному расходе воды можно устраивать консоль с обратным (отрицательным) укло­ном. Обратный уклон

создает условия для большего отлета струи от опор, в связи с чем от них удаляется воронка размыва. Если расходы воды на консоли непостоянны, то устраивать обратный уклон не рекомендуется, так как при малых расходах может про­исходить подмыв опор. Чтобы вода не затекала под дно лотка консоли, особенно при малых расходах, в его конце устраивается слив (рис. 2).

Габариты воронки размыва зависят от скорости струи и сопро­тивляемости грунта размыву. Гашение энергии ниспадающего потока обеспечивается только после того, как падающая струя размыла грунт и создала воронку таких размеров, при которых происходит успокоение потока.

Если по склону можно ожидать выклинивание грунтовых вод, то следует предусматривать дренаж, гарантирующий устойчи­вость склона против оползания.

Следует отметить, что использование плавучих деревянных рам-клеток позволяет уменьшать размеры воронок, так как вода, падая на них, гасит большую часть энергии и меньше размывает грунт.

На слабых грунтах, где могут образоваться большие воронки размыва (илистые, мелкопесчаные, лёссовые), консоли не при­меняются.

Глубина воронки размыва зависит от компактности струи и длины отлета от концевого ребра статической консоли. При по­мощи конструктивных способов можно уменьшить удельные рас­ходы потока воды на сливном ребре, изменить структуру потока и увеличить дальность отлета свободно падающей струи.

Для уменьшения удельных расходов применяют раструб в пре­делах длины консоли (см. рис. 2, а). Угол 9 при этом определя­ют из условия безотрывного протекания потока воды от бортовых стенок.

Для лучшего растекания падающего с консоли потока цен­тральный угол роспуска консоли (в плане) 9 рекомендуется прини­мать не более 8...12°, причем наименьшее значение угла берется для наибольшей скорости. Самый конец

консоли следует очерчи­вать по дуге круга, в центре которого пересекаются продолжения линий боковых стен консоли.

Необходимо отметить, что центральный угол роспуска можно увеличить до 15... 18° путем установки на консоли от конца лотка водоската до конца свеса тонких железобетонных направляю­щих стенок — ребер высотой (1,2...1,5)Н₂, где Н₂ — глубина пото­ка в конце быстротока. В этом случае центральный угол роспус­ка, считая от оси консоли, между двумя соседними стенками

принимают 15... 18°, т.е. для средних стенок, и 6...8° для боковых (см. рис. 2, б).

Для уменьшения глубины и ширины воронки размыва и боко­вых водоворотов за ней в конце консоли устраиваются трампли­ны, которые расщепляют струю на нижние и верхние струи. Верхние струи, насыщаясь воздухом, имеют меньшую размы­вающую способность. Трамплины устраивают высотой (1,2...2)Н₂ при скоростях 8...15 м/с. Большей скорости потока соответству­ет и большая высота трамплинов. Между трамплинами делают просветы, ширина которых в 1,2...2 раза меньше ширины трам­плинов. Трамплины можно устанавливать в одну линию вдоль кромки консоли или шахматном порядке. В последнем случае происходит более интенсивное расщепление потока. Их выпол­няют с криволинейной сливной гранью так, чтобы угол схода по­тока был в пределах 30...60°. Применение трамплинов уменьша­ет глубину воронки размыва до 50 %.

Боковые стенки лотка консоли являются несущими элемен­тами (балками). Там, где дно консоли расположено выше по­верхности земли, устраивают служебные мостики. При шири­не лотка до 2 м их выполняют

Железобетонные лотки консолей располагают на опорах. Их количество их зависит от горизонтального проложения склона, на котором ставят опоры. В консолях применяют свайные, сто­ечные, рамные, сплошные и консольные опоры (рис. 4). По­дошву крайних опор закладывают с учетом глубины воронки размыва. Подошву остальных

опор определяют из условия ус­тойчивости, принимая во внимание глубину промерзания грун­тов, если они пучинистые.

Преимущество свайных опор заключается в том, что в про­цессе их погружения не нарушается массив грунта, примыкаю­щий к воронке размыва. Рамные и сплошные опоры выполняют в котловане, тем самым нарушается монолитность массива грун­та и последующая обратная засыпка грунта легко размывается водой.

Для надежной эксплуатации консольного сброса необходимо:

• располагать опоры консоли на надежном основании;

• подошву опор, если это железобетонные рамы, располагать не выше наинизшей точки дна воронки размыва, а если это сваи, то на такой же отметке должен находиться верх их расчетной глубины после размыва;

• укреплять грунт под концом консоли, чтобы не допустить подмыва опоры со стороны воронки размыва;

• предотвращать подмыв берегов справа и слева от консоли путем устройства защитных запаней и берегоукрепительных ме­роприятий

2.8 ГРУНТОВЫЕ ПЛОТИНЫ

Плотины из грунтовых материалов и их классификация.

Плотинами из грунтовых материалов называют водоподпорные сооружения, возводимые из естественных (глинистых, песчаных, крупнообломочных) или искусственных грунтов.

Следует отметить, что искусственными грунтами принято счи­тать грунты природного происхождения, закрепленные и уплот­ненные различными методами, насыпные и намывные грунты, смеси естественных грунтов, а также твердые отходы промыш­ленной и хозяйственной деятельности, например отходы горно-обогатительных предприятий, шлаки металлургической промыш­ленности и др.

Плотины из грунтовых материалов практически всегда бывают глухими, т.е. не допускают перелива воды через гребень. Пропус­кать паводки через недостроенную плотину или гребень допуска­ется в исключительных случаях для некоторых типов плотин ма­лой высоты.

Часть водотока выше створа плотины называют верхним бьефом гидроузла (ВБ), ниже створа — нижним бьефом (НБ). За счет подпора воды плотиной в верхнем бьефе образуется во­дохранилище. В нем различают три расчетных уровня воды (рис. 3.1):

• форсированный подпорный уровень (ФПУ);

• нормальный подпорный уровень (НПУ);

• уровень мертвого объема (УМО).

Объем верхнего бьефа, заключенный между НПУ и УМО, на­зывают полезным объемом, расположенный ниже УМО, — мерт­вым. Отметки НПУ и УМО устанавливают на основании водохо­зяйственного расчета. Так, отметка НПУ определяется исходя из требуемого полезного объема водохранилища, топографии чаши, а также объема стока.

Отметка УМО зависит от срока службы водохранилища и ин­тенсивности его заиления, санитарных требований, требуемой отметки командования над орошаемой площадью (полезный объ­ем воды используют в основном для самотечного орошения) или над рыбоводным хозяйством (полезный объем воды используют для замены воды в рыбоводных прудах при самотечной водопо-даче) и др.

Форсированными называют уровни выше нормального, воз­никающие в паводковые периоды. Форсировка уровня необходи­ма при наличии автоматических (нерегулируемых) водосбросов в составе гидроузла. Применение автоматических водосбросов по­зволяет уменьшить основные и поверочные расходы водосброс­ных сооружений путем трансформации гидрографа паводка в во­дохранилище.

Отметку наибольшего форсированного уровня обычно прини­мают исходя из условий пропуска поверочного паводкового рас­хода водотока с учетом ущерба от временного затопления терри­торий, прилегающих к водохранилищу.

Грунтовые плотины получили широкое распространение во всех областях гидротехнического строительства благодаря сле­дующим преимуществам:

• их возведение возможно в любых географических районах независимо от климатических и грунтовых условий. В сейсмиче­ских условиях грунтовые плотины надежнее прочих, так как не теряют прочности и устойчивости;

• для возведения грунтовых плотин пригодны практически все местные грунты, находящиеся непосредственно на месте строи­тельства;

• затраты на материал сводятся только к его перемещению, укладке и уплотнению;

• стоимость возведения грунтовых плотин, как правило, ниже стоимости возведения плотин из других материалов за счет меха­низации большинства видов работ;

• грунтовые плотины могут быть любой высоты;

• материал тела плотины не теряет своих свойств со време­нем, а общая устойчивость грунтового сооружения только воз­растает;

• в процессе эксплуатации плотины не требуют затрат на те­кущий, а тем более капитальный ремонты, за исключением за­трат на поддержание в рабочем состоянии покрытия откосов, гребня и др. (не зависят от состояния самой плотины);

• грунтовые плотины можно неограниченно наращивать по высоте, причем без выключения из работы водоема при старом контуре плотины.

Наряду с достоинствами грунтовые плотины имеют и недос­татки:

• невозможность сброса максимальных расходов через гре­бень плотины;

• наличие в теле плотины фильтрационного потока, потенци­ально создающего условия для фильтрационных деформаций;

• возможность больших потерь воды на фильтрацию, если тело плотины выполнено из грунтов повышенной водопроницае­мости;

•

• трудность укладки насыпи при значительных и продолжи­тельных минусовых температурах;

• неравномерность осадок по поперечному профилю плотины;

• ограничения в использовании некоторых видов грунтов для тела плотины и оснований.

По высоте различают грунтовые плотины: высокие — с мак­симальным напором более 50,0 м; средние — 15. ..50 м; низкие — с напором менее 15 м.

По способу производства работ различают насыпные и на­мывные грунтовые плотины. Поскольку в гидромелиоративном строительстве возводят преимущественно насыпные плотины, то в дальнейшем мы будем вести речь только о них. Насыпные пло­тины бывают с искусственным уплотнением и без него. Их вы­полняют отсыпкой в воду, отсыпкой при помощи взрыва на вы­брос и др.

Необходимо отметить, что грунтовые плотины классифициру­ют также по использованным материалам и конструкциям про-тивофильтрационных устройств в теле и основании плотины .

При проектировании и возведении грунтовых плотин необхо­димо учитывать следующие основные требования:

• заложения откосов плотин должны обеспечивать устойчи­вость сооружения и его основания при всех возможных условиях строительства и эксплуатации;

• откосы и гребень плотины должны иметь покрытия, защи­щающие их от волновых, ледовых и атмосферных воздействий;

• дренажные устройства должны обеспечивать сбор и органи­зованный отвод фильтрующейся воды, предотвращать фильтра­ционные деформации

в теле и основании сооружений;

• строительные и эксплуатационные деформации плотины, ее отдельных элементов и основания не должны вызывать нару­шения нормальной работы сооружения.

2.9 ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

2.9.1 Назначение и классификация водопропускных сооружений

Гидротехнические сооружения любого назначения, пропус­кающие через себя воду, принято называть водопропускными. Эти сооружения различны по своему назначению, местоположе­нию в плане, по высоте и имеют конструктивные особенности (рис. 1).

В состав гидроузла может входить одно или несколько водо­пропускных сооружений, которые классифицируют по ряду при­знаков.

По водохозяйственному назначению водопропускные соору­жения делят на водосбросы, водоспуски, водозаборы, сооружения комплексного назначения (водосбросы-водоспуски, водосбросы-водозаборы и т.п.), водосливные плотины, водовыпуски.

По гидравлическому режиму работы водопропускные соору­жения могут быть напорными, безнапорными и напорно-безна-порными (полунапорными).

По режиму эксплуатации водопропускные сооружения быва­ют автоматического действия и управляемые (с затворами). В от­дельных случаях применяют водосбросы полуавтоматического действия, которые обеспечивают пропуск части сбросного расхо­да в автоматическом режиме, а часть расхода пропускают через отверстия, перекрываемые затворами.

По конструктивному признаку различают водопропускные сооружения закрытые (трубчатые), открытые (лотковые), сбор­ные, монолитные и комбинированные.

По месту расположения в составе гидроузла водопропускные сооружения делят на береговые, русловые и пойменные.

По расположению водоприемного отверстия относительно уровня верхнего бьефа водопропускные сооружения классифици­руют на поверхностные, глубинные и донные.

Рис 1Сооружения при плотине из местных материалов: а -план плотины; б -продольный разрез по оси плотины; в- план водо­носноготракта; 1- плотина; 2- водосбросной тракт; 3- водозаборное сооружение (водозабор); 4 -магистральный канал; 5-подводящий канал; 7 - шлюз-регулятор; 8- сбросной канал, 9 -- сопря гающее сооружение; 10- отводящий канал; 11 -русло водотока

2.9.2 Водосбросные сооружения (водосбросы)

Понятие о водосбросных сооружениях. В водохранилищных гидроузлах объем водохранилища в большинстве случаев не вме­щает поверхностный сток, поступающий с водосборной площади. После наполнения водохранилища до отметки НПУ излишек воды пропускается или, как говорят, сбрасывается в нижний бьеф плотины, а возможно, и в гидрографическую сеть, если для этого есть благоприятные условия. Сброс воды чаще осуществля­ется при форсированном уровне воды в водохранилище, но в не­которых случаях он может происходить и при НПУ.

Под водосбросами при плотинах из местных материалов по­нимают комплекс сооружений, задача которых — обеспечить беспрепятственный пропуск расчетных максимальных расхо­дов воды из верхнего бьефа в нижний. Путь, по которому проис­ходит сброс излишков воды из водохранилища в нижний бьеф плотины, называют водосбросным трактом.

Взаимное расположение сооружений на водосбросном трак­те может быть самое различное, но при этом ставится усло­вие — не допускать подмыва водой плотины и других сооруже­ний гидроузла.

В зависимости от высотного расположения сооружений на водо­сбросном тракте и их водных устройств относительно НПУ разли­чают водосбросы поверхностные и глубинные. К поверхностным относятся водосбросы, уровень воды во входной части которых со­прикасается атмосферой, а отводящая часть может быть как от­крытой, так и заглубленной в грунт (ниже поверхности земли). В глубинных водосбросах входная часть расположена под уровнем воды, а отводящая — в толще грунта. Кроме того, водосбросы под­разделяются на управляемые, когда

расходы и уровни воды регу­лируются затворами, и неуправляемые, в которых сброс воды про­исходит всякий раз, как только уровень воды в водохранилище поднимается выше НПУ.

Каждой группе водосбросных сооружений дают название в за­висимости от конструкции головной (водосливной) части соору­жения. Так, например, водосбросы автоматического действия подразделяют на ковшовые (головная часть выполнена в виде ковша), шахтные (головная часть — шахта) и траншейные (слив­ная часть выполнена в виде траншеи).

В управляемых водосбросах головными сооружениями чаще всего являются шлюзы-регулятор и, редко, водосливные плоти­ны, водосливные отверстия которых перекрываются затворами.

Считается рациональным совмещать водосбросы с другими со­оружениями гидроузла. Это дает экономию в затратах и облегча­ет их эксплуатацию. Так, целесообразно совмещать водосбросы с водовыпускными сооружениями, а также с сооружениями для пропуска строительных расходов.

В водосбросном сооружении можно выделить четыре основные составные части: подводящую, водоприемную (водосливную), сопрягающую и устройство нижнего бьеф.

Каждая часть суще­ственно отличается своим назначением, гидравлическим режи­мом и конструктивным решением.

Подводящая часть обеспечивает плавный подход воды к слив­ной (головной) части водосброса, создает благоприятные условия для нормальной эксплуатации всего сооружения.

Водосливная часть осуществляет прием паводковых вод из во­доема и отвод их в сопрягающую часть сооружения. Водосливная часть является головной частью водосброса. На управляемых во­досбросах через головную часть прокладывают служебный и про­езжий мост, на ней устанавливают затворы, другое механическое оборудование и т.д.

Сопрягающая часть соединяет водослив с устройством нижне­го бьефа. По ней вода скатывается из верхнего бьефа в нижний.

Особенности работы сооружений на водосбросном тракте. В расчетном режиме, т.е. с пропуском максимальных расходов принятой обеспеченности, сооружения водосбросного тракта ра­ботают редко. Они редко включаются в работу и в течение года. Сброс воды из водохранилища во время весеннего половодья длится несколько дней, а при дождевых паводках ливневого ха­рактера — несколько часов. Водосбросные тракты должны вклю­чаться в работу и обеспечивать пропуск любых расходов, не пре­вышающих максимальные расчетные, в любое время года, когда запасы воды в водохранилище полезно не используются, а уро­вень воды превышает расчетный.

Для водохранилищ на местном стоке возможны случаи, когда объем поверхностного стока будет недостаточным для наполне­ния водохранилища до расчетного уровня, и тогда водосброс ра­ботать не будет. Это возможно в маловодные годы, когда к нача­лу половодья водохранилище полностью сработано.

Сооружения для пропуска строительных расходов. В период возведения плотины расходы водотока пропускают через специ­альные временные сооружения, выполняемые в виде труб или тоннелей. Располагают их на низких отметках, близких к отмет­кам дна водотока, и прокладывают в основании плотины или в обход нее.

В тех случаях, когда это возможно, эксплуатацион­ные водопропускные сооружения следует использовать для про­пуска строительных расходов.

При благоприятных топографических условиях строительные расходы пропускают по обводному каналу.

Низкое расположение сооружений для пропуска строительных расходов позволяет иметь перемычки небольшой высоты, ограж­дающие котлован плотины от затопления. Такие перемычки воз­водят в некотором удалении от подошвы плотины со стороны верх­него и нижнего бьефов или включают в состав тела плотины.

• через эксплуатационные водосбросбросные устройства при полом их открытии;

• все гидротурбины ГЭС;

• все другие водопропускные соо