Пример арочной плотины - плотина в США на р. Колорадо, возведена в 1964 г., высота 214 м (рис. 76).
Рис. 76. Принципиальная схема арочной плотины «Глен Каньон»: 1 - смотро вые, служебные галереи; 2 - тоннель в основании и берегу; 3 - выход из галереи; 4 - штольня к гидростанции; 5 - помещение для затворов водоспуска; 6 - рабо чие швы бетонирования; 7 - шахта; 8 - насосная станция; 9 - зумпф (приямок) для сбора профильтрованной воды; 10 - лестница; I I - I - XXV номера блоков плотины
Вопрос выбора типа высотной глухой плотины должен решать ся вместе с вопросом о выборе водосбросных и других сооруже ний, входящих в комплекс гидротехнического гидроузла (гидро станции, шлюзы и т.д.).
3.3.1.4. Водопропускные сооружения глухих плотин
Водопропускные сооружения глухих плотин являются постоянны ми (эксплуатационными) и имеют следующие конструктивные эле менты: входное отверстие сооружения и транзитная его часть.
Входное отверстие может быть поверхностным, установлен ным на уровне поверхности воды в водоеме, работающими как водослив, безнапорным; глубинным (его верхняя кромка распо ложена ниже уровня воды в водоеме); глубоким поверхностным (его верхняя кромка расположена у поверхности воды, а нижняя у дна водоема); донным глубинным (нижняя кромка расположена у дна водоема) (рис. 77).
Водопропускные сооружения глухой плотины предназначены для водосброса - удаления воды из водохранилища при его перепол
нении во избежание перелива воды через гребень глухой плотины; хозяйственного водоспуска - обеспечивает подачу воды потре бителям; аварийного водоспуска —служит для аварийного опо рожнения чаши водохранилища, располагается на дне водоема, у подошвы глухой плотины.
При пропуске катастрофического паводка все водопропускные отверстия могут работать в штатном режиме.
1 |
2 |
3 |
4 |
Рис. 77. Принципиальная схе ма расположения входных отвер стий: 1 —поверхностного; 2 —глу бинного; 3 — глубоко поверхнос тного, 4 —донного глубинного
Водосбросы следует разделить на два основных вида: а) во досбросы, имеющие поверхностное входное отверстие; б) водо сбросы, имеющие входное отверстие, расположенное на глубине водохранилища.
Водосбросы имеют открытую или закрытую транзитную часть в зависимости от рельефа местности и конструктивных особен ностей плотины, пропускная способность водосбросов рассчиты вается из расчета пропуска фиксированного объема воды в оп ределенный период времени (рис. 78).
Рис. 78. Принципиальная схема водосбросов: I —водосбросы открытого и
комбинированного типа; II —водосбросы глубинного типа
Водосбросы с поверхностным входным отверстием мо гут быть следующих типов (рис. 7 8 ,1):
1. Открытые водосбросы, с отводным безнапорным водо током устраиваемые вне тела плотины (береговой) или совме щаемые с телом плотины (1-1). Могут быть два варианта раз мещения водослива - (1-1 а) и (1-16).
2. С закрытым водосбросным водотоком (в тоннеле или трубе) с вертикальной шахтой или просто шахтный водо сброс с отводящим тоннелем; закрытый башенный водо сброс с отводящим туннелем или отводящей трубой - воз можно, уложенный под телом плотины; закрытый тоннель ный водосброс (1-2).
Существует пять вариантов размещения водослива (1-2а,1),
(1-2,а2), (1-26,1), (1-26,2), (1-2в).
3. Комбинированного типа, когда на одной части водосбро са имеется закрытый участок водотока, а на другой - откры тый безнапорный водоток (1-3).
Водосбросы с глубинным входным отверстием имеют типы (рис. 78, II):
1.Обычный водосброс в теле бетонной плотины (II-1).
2.Сифонный водосброс в теле бетонной плотины (И-2а).
3.Сифонный водосброс башенного типа (П-26).
4.Водосброс, по конструкции совпадающий с глубинным во
доспуском (И-З).
Открытые водосбросы с безнапорным трактом движе ния потока. На низконапорных глухих плотинах применяют открытые береговые водосбросы с прямым отводом воды, которые состоят из походного канала - водослива, проме жуточного (транзитного) канала, сбросного устройства - быстротока (рис. 79).
Рис. 79. Схема открытого берегового водосброса с прямым отводом воды: а —план гидроузла; б —разрез по оси водосброса; в —разрез по оси автодоро ги; I —подходной канал; II —водослив; III —промежуточный канал; IV —
сбросное устройство; I —урез воды водохранилища; 2 —автодорога
Дно подходного канала выполняют с обратным уклоном, а при входе в водосливное отверстие делают уступ расчетной вы соты. Вверх по течению, в сторону водохранилища план канала имеет расширяющуюся зону, берега очерчивают кривыми линия ми, в некоторых случаях подходной канал может иметь прямоли нейную форму.
Скорости потока воды в подходном канале бывают минималь ные, потери напора в нем отсутствуют, поэтому берега и дно ка нала укрепляют только на подходе потока к водосливу.
Водослив представляет собой водосливную плотину с затво рами или без них, он обеспечивает пропуск расчетного расхода потока воды. При движении воды через водослив не должно быть затопленного порога и отогнанного гидравлического прыжка, дли на водослива должна обеспечивать фильтрационную прочность основания водослива (рис. 80).
Рис. 80. Схема водослива: 1 - ось плотины; 2 - мостовой переход; 3 - противофилътрационный шпунт; 4 - понур
Отводящий промежуточный (транзитный) канал в случае нескального основания выполняют с уклоном, не допускающим воз никновения размывающих или заиливающих скоростей потока. При этом поток должен не подтоплять входной порог сбросного устрой ства - быстротока, создавать условия получения лучших гидравлических условий со пряжения бьефов за входным каналом. При устройстве ка нала на косогоре ширина ка нала принимается минималь
ной (рис. 81).
Рис. 81. Схема варианта отводящего канала на косогоре:
1 - нагорная канава; 2 - косогор
Сбросное устройство выполняется в виде быстротока или многоступенчатого перепада, иногда делают комбинированно го типа: быстроток - перепад.
Быстроток - дно и борта (берега) в нескальных грунтах, как правило, выполняется из гидротехнического бетона (в ска лах без крепления откосов), канал большого уклона, превыша ющий критический. Поток на быстротоке находится в бурном состоянии. В случае если быстроток прокладывается в грун тах, склонных к пучению, их следует заменить в зоне промер зания на грунт, не поддающийся пучению. Для перехвата и от вода фильтрующихся вдоль быстротока грунтовых вод устраи вают, параллельно быстротоку, дренажную систему (рис. 82).
Рис. 82. Схема попереч ных сечений быстротоков: 1 —запас бортов быстро тока над уровнем воды; 2 — трубы дренирующей системы; 3 — скальный грунт
Концевая часть быстротока должна иметь устройства для га шения энергии потока при входе его в воду нижнего бьефа. Конст руктивно это могут быть гасители энергии разных типов: без от броса струи потока (водобойные колодцы и т.д.) или с отбросом струи и созданием зоны или воронки размыва для гашения энер гии потока (рис. 83).
Рис. 83. Схемы концевой части быстротока: а и б - без отброса струи; в и г - с отбросом струи; 1 - дефицит давления; 2 - пьезометрическая линия; 3 - дрена; 4 - воронка размыва; 5 - скала; h - глубина размыва
Для уменьшения воронки размыва, возникающей после паде ния струи водотока в зону размыва нижнего бьефа, устраивают рассеивающий трамплин, который на короткой длине превращает бурный поток в рассеянный водопад с уменьшенной энергией, вли яющей на образование зоны размыва дна реки.
Криволинейная и расширяющаяся форма трамплина создает цен тробежные силы, возникающие в вертикальной плоскости потока, которые совместно с силами тяжести способствуют расширению потока и уменьшению его удельного расхода на линии кромки сбро са потока в нижний бьеф (рис. 84).
ного типа, в котором энергия потока гасится равномерно на всей его дайне в водобойных камерах. Размер ступеней перепада и глу бина камер определяются гидравлическим расчетом.
Многоступенчатые перепады устраивают при определенных уклонах местности и для нескального грунта основания, они ме нее экономичны, чем быстротоки, и больше внимания требуют при эксплуатации на обслуживание и содержание температурных швов и противофильтрационных систем. Применяются при строи тельстве плотин небольшой и средней высоты (рис. 85).
Рис. 85. Схема ступени многоступенчатого перепада
Закрытые водосбросы с вертикальной шахтой возводятся при высотных плотинах в скальном основании и больших расхо дах потока (до 6 тыс. м3/с).
Шахтные водосбросы имеют следующие основные части: вход ная часть водосброса; вертикальная шахта; водоотводящий тон нель; концевая часть водосброса (рис. 86).
Рис. 86. Схема шахтного водосбро са: 1 - воронка; 2 - шахта; 3 - стро ительный тоннель; 4 - бетонная пробка; 5 - водоотводящий тоннель; 6 - концевой
участок водосброса
Входная часть шахтного водосброса выполняется из бето на и имеет входную воронку минимального радиуса с кольцевым затвором или уширенную воронку без затвора на гребне.
Уширенная входная воронка без затвора имеет гребень коль цевого типа на уровне ШИ, радиально водоподводящий участок, работающий как неподтопленный водослив, переходной участок, сопряженный с вертикальной шахтой, и подходной канал, обеспе-
чивающий равномерный подвод воды к гребню кольцевого водо слива, а также разделительный бык, в функции которого входит предотвращение закручивания потока поступающей воды и сни жение пропускной способности воронки (рис. 87).
Рис. 87. Схемауширенной входной воронки шахтного водосброса без затво ра: 1 —гребень кольцевого водослива; 2 —разделительный бык; 3 —подходной канал; 4 —радиально-подводящий участок; 5 —переходный участок; 6 —верти кальная шахта
Входная воронка минимального радиуса с затворами на гребне имеет следующие конструктивные элементы: кольцевой зат вор, работающий в автоматическом режиме в зависимости от рас положения уровня воды водохранилища; камеры давления (затвор ная камера); трубчатая система, обеспечивающая подачу воды в камеру давления для маневрирования кольцевым затвором.
Остальные элементы соответствуют элементам уширенной воронки, кроме радиально подводящего уч
Рис. 88. Схема входной ворон ки предельно минимального радиу са с затворами водосброса с вер тикальной шахтой: 1 — цилиндр затвора; 2 —козырек затвора; 3 — кольцевой затвор; 4 — раздели тельный бык; 5 — подходной ка нал; 6 —затворная камера (каме ра давления);7 — труба выпуска
воды из камеры; 8 —воронка
Вертикальная шахта круглого поперечного сечения рас считана на пропуск воды в свободном падении из водохрани лища. Если произойдет заполнение поперечного сечения шахты водой, то возможныслучаи возникновения вакуума, что приводит к явлению кавитации и эрозии тела шахты (появлению гидравли ческих ударов).
Принято вертикальную шахту проектировать с уменьшением радиуса шахты с понижением уровня входной воронки, по-друго му - вертикальная шахта имеет конусное строение с уменьшени ем сечения в нижней части.
Отводящий тоннель имеет сопрягающий участок между вер тикальной шахтой и тоннелем, который изменяет движение пада ющего потока воды водохранилища на движение потока по гори зонтальному тоннелю.
Сопрягающий участок имеет бетонную пробку, которая отсе кает часть тоннеля, выполнявшего функции строительного тоннеля и водосбросного на период строительства глухой плотины (рис. 89).
Рис. 89. Принципиальная схема сопрягающего участка тоннельного водоотвода сустановленной бетонной пробкой: а - с сифоном; б - без сифона; 1 - бетонная пробка; 2 - подающий участок тоннельного водовода; 3 - началь ное сечение и угол поворота отводного тоннеля; 4 - отводной тоннель; 5 - участок водоотводного тоннеля, выполняемый при строцтельСтве и заглушен
ный при эксплуатации водосброса
Поперечное сечение отводящего тоннеля Может быть круглое или овальное с устройством днища и покрытием внутренней поверхности бетонной или железобетонной обделкой, в настоящ ее время применяется обделка из полимерных материалов (рис. 90).
Рис. 90. Принципиаль ная схема поперечного се чения водоотводящего тоннеля; а - круглого се чения; б - овального сече
ния
а |
б |
Поперечное сечение тоннеля принимается из расчета его не полного заполнения водой при пропуске строительного и эксплуа тационного расходов. Максимальный диаметр гидротехническо го тоннеля принято считать равным 15 м. Если этот диаметр не пропускает расчетный расход, то устраивают два шахтных водо сброса.
Высотное расположение отводного тоннеля должно быть та ким, чтобы не получалось подтопления его конца водой нижне го бьефа, а его уклон был достаточен для пропуска строитель ного расхода (рис. 91).
Рис. 91. Принципиальная схема шахтного и строительного водоотводов
тоннельного типа
Концевая часть отводящего тоннеля выполняется аналогично концевой части быстротока, имеющей устройство по отбросу струи в нижнем бьефе. В концевой части тоннеля устраивают носок для отброса струи потока. Существует три типа носка: эллиптичес кий, цилиндрический и комбинированный (рис. 92).
1-1
Рис. 92. Принципиальная схема вариантов концевой части водоотводя щего тоннеля: а - эллиптический носок; б - цилиндрический носок; в - комбинированный носок
Выбор применяемого типа носка зависит от топографических условий размещения концевой части тоннеля в нижнем бьефе; при этом наблюдаются значительные удельные расходы - до 300 м3/с и очень большие скорости истечения воды - до 60 м/с.
Применение шахтных водосбросов регламентировано радиу сом приемной воронки, диаметром отводящего тоннеля, если эти условия не соответствуют условиям реального исполнения, то водосбросы считаются неприемлемыми.
Практика гидростроительства имеет ряд типов водосбросов, кото рые сооружаются при глухихплотинах в зависимостиусловийрельефов местности, объема сбрасываемой воды и факторов эксплуатации.
К таким типам относятся водосбросы: закрытые с наклонной сбросной шахтой; водослив с неполной кольцевой воронкой и пря мым отводом воды; закрытые башенные водосбросы; закрытые тоннельные водосбросы; водосбросы специального типа «марга ритка», «лабиринт»; обычные водосбросы в теле бетонной глухой плотины; сифонные водосбросы.
Хозяйственные и аварийные водоспуски глухих плотин могут быть устроены непосредственноу уреза воды водохранилища в виде обычно го шлюза с затвором, если водохранилище имеет малые колебания уров ня воды (рис. 93).
Рис. 93. Принципиальная схема аварийного водоспуска через ишюзрегулятор с затвором, устраивает ся на водохранилищах с малой амп литудой колебания горизонта воды:
1 - берег; 2 - отводной канал
Если колебания уровня воды в водохранилище имеют значи тельную амплитуду, то целесообразно возводить хозяйственный водоспуск (водозабор) закрытого типа с глубинным входным от верстием, при котором верхняя кромка водозаборного отверстия должна всегда находиться под водой (рис. 94).
Рис. 94. Принципиальная схема во доспуска в случае, если водохранилище имеет значительную амплитуду коле банияуровня воды: 1 - шахта; 2 - зат ворная камера (условно не показана); 3 - камера гашения энергии; 4 - канал
Для регулирования подачи воды потребителям возводят водо спуски башенного типа с установкой затворов для регулирования расхода количества подаваемой потребителю воды (рис. 95).
Рис. 95. Принципиальная схема водоспуска башенного типа: 1 - башня;
2 - ходовой мостик; 3 - воздухоподводящие каналы; 4 - затворы водоспуска
Аварийные водоспуски отличаются от хозяйственных своим назначением и тем, что располагаются на уровне дна водохрани лища. По конструктивным и расчетным характеристикам аварий ные водоспуски не отличаются от хозяйственных.
Конструкции глубинных водовыпусков должны иметь входные части со следующими особенностями: располагаться в верхнем бьефе не ниже отметки уровня мертвого объема во дохранилища; иметь устройства, обеспечивающие непопада ние в выпуск плавающих в воде предметов, тел (сор, лед, топ ляки и т.д.); при работе выпуска на поверхности водохранили ща не должна образовываться воздушная воронка, в которую может засасываться плавающий на поверхности воды сор; водовыпуск должен иметь сорозадерживающую решетку с уст ройством ее очистки; сорозадерживающая решетка не должна забиваться шугой, и на ее стержнях не должен образовывать ся донный лед; при подходе к водозаборному отверстию не дол жно происходить деформации ложа водохранилища (размыв или отложение наносов); при работе водовыпуска потери напора должны быть минимальными.
Глубинные водовыпуски, подающие воду в безнапорную си стему и расположенные вне тела глухой плотины, могут распо лагаться в береговой части, в основании плотины, на поверх ности грунтового основания под плотиной (для земляных и ка менно-набросных глухих плотин).
Входные части водовыпусков могут быть без затворов и сорозадерживающих решеток (рис. 96).
Рис. 96. Типовые схемы входных частей глубинных водовыпусков: а -водовы- пуск с бетонным оголовком; б - подходная выемка в береге; 1 - входной оголо вок тоннеля
Рис. 97. Схема входной части водовыпуска с очищаемой сорозадерживающей решеткой: 1 - полосы решетки; 2 - ригели решетки; 3 - механические грабли; 4 -рельсы движения грабель; 5 - камера сброса сора; 6 - зона входной водосбросной воронки
Входные части водовыпусков оборудуются затворами для ре гулирования сброса вод водохранилища. Как правило, затворы устанавливают в камерах, устроенных в специальной башне, со общающихся с глухой плотиной специальными мостиками, в верх ней части которой монтируются подъемно-опускные механизмы затворов.
Башни могут быть круглые и квадратные. Исполняются баш ни из бетона или железобетона. Объем башни определяется габа
ритами устанавливаемых механизмов, сечением труб или тонне лей для пропуска заданных объемов воды при сбросе ее из водо хранилища (рис. 98).
Рис. 98. Схема конструк ции водопропускной башни, оборудованной затворами: 1— пазы для затворов; 2 — поме щение подъемныхмеханизмов; 3 — стальные водосбросные трубы; 4 —рабочие затворы; 5 —ремонтные затворы
В некоторых случаях для удобства эксплуатации через бетон ные башни пропускают стальные трубы, на которых смонтирова ны герметически установленные затворы, такие башни называют сухими (рис. 99).
Рис. 99. Принципиальная схема сухой башни; I - входное отверстие; 2 — герметичные зат воры; 3 — стальные трубопроводы; 4 - сухая труба иаи тоннеяъ
3.3.1. Бетонны е водосливны е плотины
Бетонные плотины, имеющие в своем теле устройства для про пуска воды из верхнего бьефа в нижний бьеф, называются водо сливными плотинами.
Водосливные плотины, имеющие отверстия на уровне верхне го бьефа, по которым вода переливается в нижний бьеф без напо ра, называют водосливными безнапорными или открытыми, а если водопропускные отверстия заглублены на расчетную ве личину от уровня воды верхнего бьефа, то такие отверстия на зывают глубинными, погруженными, напорными или зак рытыми.
В зависимости от назначения отверстий эти плотины называ ются: временными - для пропуска строительных расходов во вре мя строительства; эксплуатационными, обеспечивающими про пуск судов (шлюзы), подачу воды в отверстия гидростанций, для смыва отложений перед плотиной, излишнего сброса воды в паво док или аварийной остановки гидроагрегатов ГЭС и т.д.
По конструктивному признаку водосливные отверстия могут быть без затворов и перекрытые затворами.
Водосливные плотины разделяются устоями или быками, от верстия между которыми перекрывают затворами различных кон струкций.
Водосливные плотины могут сопрягаться с глухими частями плотины, шлюзами или от берега до берега.
Водосливной фронт должен обеспечивать сброс паводковых вод при заполнении водохранилища до уровня нормально подпертого горизонта и иметь возможность производить сброс воды при фор сированных расходах паводковых вод (рис. 100).
Рис. 100. Вид водосливной плотины со стороны нижнего бьефа: 1 - глухая часть плотины; 2 -устои водосливной плотины; 3 - затворы; 4 - быки плотины;
5 - водосливная часть плотины (водослив)
Ширину водосливного фронта плотины определяют исходя из объема воды, которую необходимо пропускать при максимальном и форсированном паводке, по формуле
В = О /д,
где Q асч/д - расчетный паводковый расход; д - удельный расход на 1 м погонный длины водосливного фронта при полностью от крытых затворах, когда в верхнем бьефе имеется форсированный подпертый уровень. Q расч принято считать 1 раз в 10 тыс. лет. Значение д определяют методом подбора: для плотин на скаль ном или полускальном основании - от 50 до 120 м2/с (при плоти нах значительной высоты), на нескальном основании - от 10 до
70м2/с.
Определенная ширина водосливного фронта должна вписываться
впредполагаемую ширинуводосливной части плотины. Если ширина водосливной части не вписывается в принятые размеры плотины, то принимается один из трет вариантов решения: а) увеличивать объем удельного расхода д; б) выполнять водосливную плотину с криволи нейным очертанием (увеличивается водосливной фронт); в) перено сить створ плотины на другое место.
При полном открытии водосбросного отверстия водосливного типа оно будет работать как водослив с широким порогом или как водослив со стенкой практического профиля, при этом такой водо слив может быть неподтопленным или подтопленным (расчеты из курса гидравлики).
На базе расчета водослива определяют отметку его гребня и размеры водосбросного отверстия или отверстий (если водослив ный фронт разделен быками).
При расчете конкретной водосливной плотины делают несколько вариантов ее построения и выбирают наиболее экономичный и оптимальный по возведению.
Выбор конструкций водосливного фронта, пропускной способ ности его водосливных отверстий должен быть сделан после окон чательной проверки не только количества быков, но и их очерта ний, а также поперечного профиля водосливной плотины, от кото рых зависит коэффициент расхода т. Коэффициент расхода т за висит от формы поперечного сечения водосливной стенки.
При размещении водосливной плотины на скальном основании, при котором не происходит размыва скалы, находящейся в ниж нем бьефе, затворы можно выполнять простейшего типа и дер жать их, как правило, закрытыми.
При размещении водосливной плотины на нескальном основа нии требуется устройство специальных затворов и выполнение мероприятий, обеспечивающих сохранность русла от размыва.
Ширину отдельных отверстий необходимо определять из уче та выполнения деформационных швов плотины, которое должно быть увязано с расположением быков.
Окончательные параметры водосливного фронта водосливной плотины устанавливают после разработки ряда вариантов водо сливного фронта на пропускную способность (пользуясь формула ми гидравлики).
При расчетах водосливной плотины особое значение придают пропуску через нее льда и конструкции применяемых затворов, при этом возникают следующие опасности в период ледохода:
а) при неполном открытии поднимающихся затворов отдель ные крупные льдины могут нырять под затвор и повреждать его; б) льдины, падая в нижний бьеф вместе, потоком, могут по вреждать крепления нижнего бьефа, льдины на значительной ско рости потока могут ударяться о быки, повреждая их поверхность; в) льдины, проходя над гребнем водослива (или над верхом зат вора) в один или несколько слоев, могут ударяться о гребень пло тины (или верх затвора), а также повреждать сливную поверхность
водослива; г) при малой толщине переливающейся через водослив воды
или малой ширине водопропускного отверстия может образовать ся затор льда, который приведет к поднятию горизонта воды в водохранилище выше катастрофической отметки. Ликвидировать такой вынужденный затор льда можно механическим способом.
Еще сложнее решать вопрос накопления льда перед водослив ной плотиной в случае образования перед напорным фронтом пло тины аккумуляционного затора, который может снижать водопро пускную способность подводящего русла и вызывать недопусти мое поднятие уровня воды в верхнем бьефе.
Для недопущения возникновения перед плотиной аккумулятив ного затора льда необходимо четко выполнить гидравлический
расчет сечения подводящего канала и определить его пропуск ную способность.
3.3.2.1. Поперечное сечение тела бетонной гравитацион ной водосливной плотины
Поперечное сечение бетонной гравитационной водосливной плотины назначается из условий устойчивости, прочности тела плотины и ее основания. При проектировании поперечного сече ния водосливной плотины (типа водосливной стенки) учитывается ряд особенностей - чисто гидравлических и конструктивных.
Водосливные гравитационные плотины могут быть высокими
и низкими.
Высокие плотины отличаются своими очертаниями рациональ ного теоретического профиля, определенного исходя из условий устойчивости и прочности тела плотины и ее основания.
Низкие плотины, у которых часть гидростатического давле ния воды передается на затворы, быки или гребень плотины, име ют более широкий гребень для размещения затворов, широкую подошву для устойчивости.
Однако четкую границу между этими двумя типами плотин ус тановить очень трудно.
Особенностью водосливных плотин является возникновение безвакуумной или вакуумной зоны (рис. 101).
Безвакуумная зона возникает под струей воды, перелива ющейся через водослив, когда под потоком на поверхности во досливной стенки возникает положительное давление, близкое к атмосферному.
Вакуумная зона возникает, когда под струей потока возникает вакуум, способствующий увеличению расхода потока через водо сливную плотину при гладком сопряжении плоскости водосливной плотины с дном нижнего бьефа.
В зависимости от сопряжения сливной поверхности плотины с поверхностью дна нижнего бьефа различаются плотины, имею щие низкий или высокий сопрягающий уступ.
Уступ называется низким, когда носок сливной поверхности во дослива располагается ниже уровня воды нижнего бьефа.
Высокий уступ - когда носок сливной поверхности водослива располагается выше уровня воды нижнего бьефа.
Рис. 101. Принципиальная схема сопряжения сливной поверхности плотины с дном нижнего бьефа: а - безносковое сопряжение водослива с дном нижнего бьефа; б - сопряжение с низким уступом; в - сопряжение водослива с высоким уступом; 1 - носок; 2 - низкий уступ; 3 - высокий уступ; 4 - зона размыва, воронка (яма)
Построение начального профиля безвакуумной водосливной плотины (профиль Кригера - Офицерова) заключается в том, что водосливную поверхность такой плотины (стенки) очерчивают по нижней границе струи водотока, получающейся при переливе воды через водослив с тонкой стенкой, при этом давление под струей буцет равно атмосферному.
Профиль безвакуумной водосливной плотины образовывается пятью конструктивными элементами тела плотины (рис. 102):
1)вертикальным участием с высотой от дна водохранилища а;
2)прямолинейным участком со стороны верхнего бьефа, на клоненным к горизонту под углом ав;
3)криволинейным участком, строящимся по расчетным
координатам;
4)прямолинейным участком водосливной плотины, наклонен ному к горизонту под углом ан;
5)дугой радиусом /?, сопрягающей прямолинейный участок
водосливной плотины с дном нижнего бьефа.
При выполнении расчета профиля водосливной плотины (про филь Кригера - Офицерова) отметки дна верхнего, нижнего бье фов, гребня плотины назначаются из условий рельефа местности
иуровня нормально подпертого горизонта воды водохранилища.
Впрактике проектирования водосливных плотин основным эле ментом профиля Кригера - Офицерова принято считать опреде ление кривой падения струи потока после прохода им гребня пло тины, представляющего собой нижнюю плоскость падающей струи (рис. 103).
МВБ
Рис. 102. Принципиальная схе ма безвакуумной стенки нормаль ного очертания с вертикальной верховой гранью водосливной пло тины
Рис. 103. Схема водослива с тон кой стенкой: 1 — нижнее очертание
струи; 2 —область атмосферного давления
Практические профили безвакуумной гравитационной водослив ной плотины могут быть построены только после выполнения всех проверочных гидравлических расчетов, с учетом устойчивости
более обжатой и для получения одинакового коэффициента запа са устойчивости плотины на сдвиг принимают вес стенок одинаковым, и следовательно, одинаковы площади попереч ного сечения.
Вакуумные водосливные плотины имеют ряд присущих только этому типу плотин отрицательных факторов, которые делают их нерентабельными:
1.При переливе воды через гребень вакуумной плотины на ружный воздух может прорываться в вакуумную зону плотины (в зону вакуума), при этом возникают воздушные уцары, которые создают вибрацию плотин.
2.В зоне вакуума возникают силы, которые могут вырывать камни облицовки, металлические закладные детали, вызывая ка витационную эрозию бетона.
Большое значение для практического исполнения водосливных плотин имеет выполнение отделки водосливных трактов. Часто для этих целей применяют натуральные высокопрочные камни с гладко обработанной поверхностью, скрепленные металлической арматурой.
Для окончательного принятия конструкций поперечного профи ля водосливной гравитационной плотины массивного типа выпол няют целый цикл расчетов и проверок, обеспечивающих безава рийную работу гидроузла:
1.Намечают начальный (гидравлический) безвакуумный про филь плотины и решают вопрос о необходимости создания уступа плотины.
2.Корректируют этот профиль, намечая расположение затво ров (строительных, эксплуатационных, аварийных).
3.Подвергают полученную водосливную стену расчету на сдвиг по основанию плотины, а также определяют для нее минималь ные нормальные напряжения, которые не должны быть растяги вающими.
Для окончательного определения откорректированного про филя водосливной плотины должно быть установлено значение коэффициента расхода, при котором производится проверка про пускной способности водосливного фронта плотины.
Рассмотрим примеры запроектированных и построенных во досливных плотин (размеры в метрах) (рис. 106).
Рис. 106. Примеры запроектированных водосливных гравитационных плотин: 1 - пазы для затворов; 2 - дренажи; 3 - низкий уступ; 4 - высокий
уступ; 5 - низкая водосливная стенка
3.3.2.2. Конструкции водосливных гравитационных пло тин в нижнем бьефе
При пропуске воды через водосливную плотину в нижнем бье фе получают поток с большими скоростями, который обладает повышенной кинетической энергией и имеет большую размываю щую способность.
Если плотина размещена на нескальном основании, не защи щенном каким-либо покрытием (креплением), то падающий поток образует глубокую воронку размыва.
Ранеепри строительственевысокихплотин приводяныхмельницахв нижнем бьефевозникали глубокие промоины, называвшиеся омутами.
По данным практики установлено, что глубина воронки размыва мо жет достигать 2-3 Н величины напора перед плотиной.
Такие размывы дна нижнего бьефа недопустимы, и поэтому, что бы уменьшить стоимость работ по креплению дна нижнего бьефа, применяют различного типа гасители кинетической энергии падаю щего потока и уменьшают его размывающую способность.
Для устройства гасителей потока в нижнем бьефе требуются значительные затраты, поэтому выбор типа и конструкций гасите лей производится по оптимальным размерам и формам, обеспе чивающим получение максимальных результатов при эксплуата ционных расходах (меженного, паводкового периода и форсиро ванного сброса).
Рассмотрим случаи возведения гравитационных водосливных плотин на нескальном и скальном основаниях.
А. Конструкции нижних бьефов гравитационных водослив ных плотин на нескальном основании.
При сооружении таких плагин крепление дна нижнего бьефа уст раивают на расчетную длину, обеспечивающую гашение кинетичес кой энергии потока и сохранение дна от размывания (рис. 107).
Рис. 107. Схема поперечного основания гравитационной водосливной плоти ны на нескальном основании:1 - понур; 2 - плотина; 3 - водобой; 4 - рисберма; 5 - концевое устройство рисбермы;6 - воронка размыва; 7 - послепрыжковый участок; 8 - затопленный прыжок; 9 - эпюра гидродинамического давления на водобой ирисберму; 10 - эпюра противодавления, действующая на водобойную плиту со стороны дренажа; DQдефицит давления
Как правило, эти крепления состоят из двух частей: водобоя, на бетонной плите которого размещается затопленный гидравли
ческий прыжок, образующийся после прохождения потоком водо сливной части плотины; рисбермы, располагаемой за водобоем в зоне послепрыжкового участка нижнего бьефа, в конце рисбер мы иногда сооружают особые концевые участки для окончатель ного снятия размывающих скоростей (энергии) потока.
При водосливных гравитационных плотинах, имеющих донные водопропускные отверстия, с порогом, располагающимся на уровне дна водотока, применяют фундаментную плиту, объединенную с водобойной частью, называемую флютбетом (рис. 108).
Рис. 108. Схема гравитационной плотины с донным водопропусным от верстием и флютбетом: 1 - понур; 2 - затвор плотины; 3 - бык; 4 - флют-
бет; 5 - рисберма; 6 - противофилътрационная шпунтовая завеса
В практике бывают случаи, когда гравитационные низконапор ные плотины возводят без устройства конструкций нижнего бье фа. Эти плотины рассчитывают с учетом создания в нижнем бье фе воронки размыва значительных размеров, обеспечивающей до статочное снижение энергии потока (рис. 109).
При устройстве плотин такого типа под плотинами устраивают глубокий противофильтрационный зуб, выполняемый методом кес сона.
Рис. 109. Схема плотины без конструкций крепления дна нижнего бьефа: 1 - глубокий
зуб; 2 - воронка размыва
хности дна, на котором они устанавливаются, сохраняя при этом степень затопления водобоя.
При обтекании гасителей поток образует водоворотные облас ти и резко увеличивает турбулентные касательные напряжения, что приводит к значительному повышению потерь напора и энер гии потока в нижнем бьефе.
Гасители энергии, воздействуя на поток, могут уменьшать вол нение свободной поверхности воды в нижнем бьефе, уменьшать сбойность течения, способствовать более интенсивному растека нию потока в плане, что приводит к уменьшению удельных расхо дов, поступающих в русло нижнего бьефа.
Гасители могут быть в виде пирсов, шашек, зубьев, растекателей, носков-расщепителей (рис. 112-116).
б
д
<i
е |
з |
Рис. 112. Схема гасителей типа пирсов и шашек: а, б-разрез и план; в - д - вертикалъные сечения; е - з - планы
Рис. 113. Примеры зубчатых порогов гасителей
Рис. 116. Примеры конструкций ирасположения в плане носка-раацепителя
по Д. И. Куману (ратеры в процентах от критической глубины у гасителей)
Водобойные конструкции гравитационных водосливных плотин выполняются в виде армированной или монолитной, го ризонтальной или наклонной бетонной плиты.
Плита водобоя отделяется от тела плотины деформацион ным швом во избежание появления осадочно-деформационных трещин.
Вдоль плиты водобоя устраивают температурно-осадочные швы, которые начинаются у оси быков и идут параллельно по току до окончания водобоя (рис. 117). Швы плиты водобоя ус траивают без уплотняющих элементов - они водопроницаемы. Под плитой водобоя устраивают дренаж, защищенный двой ным или одинарным обратным фильтром, в который попадает вода верхнего бьефа, поступающая от фильтрации основания плотины. Дренаж разгружает водобойную плиту от избыточ ного фильтрационного давления.
Отвод воды из дренажа в нижний бьеф осуществляется че рез фильтрационные отверстия водобойной части плотины или отводом в водопроницаемую зону рисбермы.
Толщину водобойной плиты устанавливают расчетом, она может быть постоянной или переменной.
Крепление нижнего бьефа и нескальных берегов в пре делах водобоя и рисбермы желательно выполнять так, чтобы поток имел возможность расширяться с тем, чтобы удельные расходы воды, поступающие в неукрепленное русло нижнего бьефа, были наименьшими.
Большое растекание потока возможно в случаях приме нения на водобоях, рисбермах рассекателей водобойных по рогов и т.п.
При узком водосливном фронте рассеивание потока на во добое и рисберме имеет большое значение для гашения кине тической энергии и скорости потока.
При широком водосливном фронте рассеивание потока на блюдается только на величину ширины быков и его значение ничтожно.
Общая схема компоновки крепления берегов нижнего бье фа предусматривает максимальное сохранение берегов от раз рушения.
Крепление нескальных берегов в пределах водобоев и рис берм выполняют в виде подпорных стенок или креплением от косов каменной кладкой или покрывают тем же материалом, из которого выполнено крепление рисбермы (рис. 121).
б
Рис. 121. Крепление берегов в пределах водобоя: а - с вертикальной подпор ной стенкой: б - подпорная стенка под углом к горизонту; 1 - подпорная стен ка; 2 - водобой; 3 - строительный откос
Общая схема компоновки крепления берегов нижнего бьефа предусматривает максимальное сохранение берегов от разруше ния (рис. 122).
ка. При отогнанном гидравлическом прыжке местное снижение уровня воды нижнего бьефа за плотиной может вызвать негатив ную фильтрацию воды в трещинах скалы основания (рис. 123).
Такая фильтрация вызовет определенное давление и может нарушить устойчивость отдельных участков скалы, образующей поверхностный слой скального основания.
дном нижнего бьефа при скальном основании: 1 - местное снижение воды за открытым пролетом плотины; 2 - фильтрационный поток в трещинах скалы; 3 - понижение дна нижнего бьефа; 4 - водобойная плита; 5 - анкеры крепления водобойной плиты
Сопряжение сливной поверхности водосливной плотины с дном нижнего бьефа происходит с помощью высокого уступа, при котором вода отбрасывается от плотины на безопасное расстояние без вы полнения каких-либо креплений дна в нижнем бьефе (рис. 124). Воп рос о длине отброса струи и нахождения точки, определяющей центр воронки размыва, решается на основании правил гидравлики.
Рис. 124. Схема сопряжения сливной поверхности с дном нижнего бьефа с помощью высокого уступа: 1 - воронка размыва - точка, определяющая поло жение оси воронки размыва
Подземные части гравитационных сливных плотин на не скальном основании. Подземными частями гравитационной слив ной плагины называют элементы плотины, которыерасположены снизу
от водонепроницаемой или малопроницаемойчасти и непосредственно соприкасаются с грунтовым основанием.
Под рациональным подземным контуром плотины понимают под земный контур, который обеспечивает: устойчивость и прочность гра витационной плотины; простоту производства работ и расчета сро ков; экономичность при строительстве и эксплуатации; использова ние при строительстве местных строительных материалов; удобство эксплуатации.
Особое внимание уделяется при определении подземного конту ра вопросам фильтрации потока из верхнего бьефа в нижний по не скальному основанию. Фильтрационный поток производит давление на подошву плотины, называемый противодавлением, которое необ ходимо учитывать при расчете устойчивости плотины. Как правило, из верхнего бьефа происходит утечка воды в нижний бьеф, в общем объеме воды, поступающей через створ плотины, эта утечка мини мальна, но ее объем необходимо определять.
Фильтрационный поток под подошвой плотины может нарушать фильтрационную прочность грунтов основания, а это вызывает суф фозию дна нижнего бьефа и суффозию грунта основания плотины, если в основании контактируют слои мелкозернистых и крупнозерни стых грунтов.
Выход фильтрационного потока в зонах нижнего бьефа может вызвать выпор грунта дна нижнего бьефа.
При проектировании водосливных гравитационных плотин на не скальном основании принято шесть основных схем подземного кон тура этих гидротехнических сооружений:
1. |
Сооружения, имеющиебездренажный понур, тело плотины, дре |
нажные устройство имеется в нижнем бьефе, прикрыто обратным |
|
фильтром (рис. 125). |
|
|
Рис. 125. Схема без- |
УВ5 |
дренажного понура и |
тела плотины: А -1 - |
|
|
входное сечение фильт |
|
рационного потока с |
верхнего бьефа; б-В - выходное сечение филь трационного потока в нижнем бьефе; I - по нур; II - противофильтрационный шпунт; III - обратный фильтр в нижнем бьефе
2. Плотины с горизонтальным дренажом, у которых дренажное устройство размещено только под телом плотины и защищено об ратным фильтром (рис. 126).
У8 5
Рис. 126. Схема плотины с горизонтальным дренажом: А-1 и 6-В - соот ветственно входные и выходные живые сечения фильтрационного потока вер хнего и нижнего бьефов; I - понур, II - шпунт; III - дренажная галерея; ГУ - дренажный колодец 1 или 2 м; V- обратный фильтр; VI- дренаж
3.Плотины с горизонтальным дренажом понура анкерного типа
иподземным контуром по линии контакта верховой части понура с грунтом основания (рис. 127).
ж
Рис. 127. Схема плотины с горизонтальным дренажом понура анкерно го типа: I - обратный фильтр; II - дренаж; III - железобетонный анкер ный понур; IV - шарнир; V - арматура
4. Плотины с дренажом верхней грани: если дренирование на порной грани производится на незначительную высоту, то понур принимается горизонтальным (рис. 128).
|
|
|
|
Рис. 128. Схема |
|
|
|
|
плотины с дрена |
|
|
|
|
жом верховой грани: |
|
|
|
|
I - понур; II - дре |
2 J |
- |
g |
ш |
наж; IIIобратный |
|
фильтр
5. Плотины с вертикальным дренажом и дополнительным уст ройством дренажных колодцев, расположенных в один или несколько рядов, при напоре фильтрационного потока в зоне основания пло тины, который доводится до напора нижнего бьефа (рис. 129).
УВБ
Рис. 129. Схема плотины с верти кальным дрена жом; I - ряд дре нажных колодцев; II - обратный
фильтр
6. Плотины с гп}6иннымподземнымконтуромна проницаемомосшвании, проникающемдоводонепроницаемогооснования (рис. 130).
Рис. 130. Схема плотины с глубинным подземным контуром: I - зуб; II -
водоупорный слой; III - шпунт; р - р - р - пьезометрическая линия
Устройство для выхода фильтрационного потока в ниж ний бьеф необходимо устраивать как дренаж, защищенный снизу обратным фильтром, рассчитанным по правилам гидравлики.
Горизонтальный дренаж устраивают под водобоем, плотиной, понуром из крупнозернистого материала, толщиной, назначаемой исходя из конструктивных и производственных условий возведе ния водосливной плотины (рис. 134).
^ЧЧЧЧЧЧЧЧЧ\Ч^Ч\ЧЧЧЧЧ\ЧЧ |
б |
а |
|
ж т ш ж т ж |
г |
в
Рис. 134. Схема проектирования выхода фильтрационного потока грави тационной водосливной плотины в нижний бьеф: а - нормальный выход; б -
нежелательный выход; в - допустимый выход
3.3.2.3.Быкиу устои, швы бетонных водосливных плотин
А.Быки плотин разбивают весь водосливной фронт плоти ны на отдельные отверстия и выполняют следующие роли: слу жат опорами для затворов, служебных и транзитных мостов, на них располагаются подъемные механизмы затворов.
Высоту, толщину и длину быков назначают исходя из условий размещения эксплуатации водосливной плотины и конструктив ных особенностей размещения на ней механизмов, закладных де талей пазов затворов и т.д. (рис. 135, 136).
Рис. 135. Типовая схема быка в плане: 1 - паз дляразмещения аварийного или ремонтного затвора; 2 - ремонтный или аварийный затвор; 3 - паз для рабо чего затвора; 4 -рабочий затвор
Рис. 136. Типовая схема быка - вид сбоку: 1 - паз для ремонтных затворов; 2 - служеб ный мост, 3 - затвор; 4 - верхнее колесо зат вора; 5 - транзитный мост; 6 - временный порог; 7- ригель; 8 - паз строительного ограж дения; 9 - стойки; 1 0 - заграждения на период строительства; Н - напор воды на водосли ве при поднятых затво рах; h - толщина струи воды приподнятомзат воре; а - возвышение верхнего колеса затво ра над гребнем плоти
ны; dj - превышение затвора над НПУ; d? - превышение глу>хой части плотины над НПУ; d3 - превышение верха быка над гребнем водосливной частью плотины
В связи с тем, что конструкция бетонных быков испытывает значи тельныенагрузки, всениши, углыи консоли армируютсяи подвергаются отдельномустатическомурасчетунаустойчивость и прочность(рис. 137).
Рис. 137. Принципиальная схема армирования бетонного быка
Б. Устои бетонных водосливных плотин предназначены для выполнения функции сопрягающего сооружения между отдельными конструктивными сооружениями гидроузлов и практического вы полнения функции быка и представляют собой полубыка.
Устои бывают раздельными, когда водосливная часть грави тационной плотины отделяется от глухой бетонной части или зда ния ГЭС и т.д. и сопрягающими - в случаях, когда водосливная часть сопрягается с берегом или с глухой земляной плотиной.
Раздельный устой имеет стенки с прямыми или обратными кры льями (рис. 138).
Рис. 138. Принципиальная схе
ма раздельного устоя
Сопрягающий устой водо сливной плотины с земляной глухой плотиной не только предусматривает сопряжение двух конструк
тивных элементов гидроузла, нои обеспечиваетпрогивофилырационную защиту сооружения и вход в потерну водосливной части (рис. 139).
Тип и основные размеры устоя выбирают из учета факторов, влияющих на его эксплуатацию: конфигурация грунтового масси ва, к которому примыкает водосливная бетонная плотина; тип и размеры затворов плотины, размещенных на устое; размещение механизмов затворов и транспортных, эксплуатационных мостов.
Рис. 139. Схема-план сопрягающего устоя водосливной бетонной плотины с земляной глухой плотиной: А-А - ось примыкающей земляной плотины; 1 - обрат ная стенка; 2 - ряд шпунтовых свай под плотиной; 3 - продольная стенкаустоя с горизонтальным гребнем; 4 - эксплуатационная шахта входа в потерну водослив ной плотины; 5 - откосное крыло; 6 - откосное крыло с горизонтальным греб нем; 7 - транзитный мост; 8 - бык водосливной плотины; 9 - потерна водослив ной плотины; 1 0 - понур перед плотиной; 11 - конус земляной плотины, вдвинутый в пролет водосливной плотины; Ь0 - ширина земляной плотины по верхуг Ьм - ширина транзитного моста; b - ширина отверстия водосливной плотины; Уг. пов. -угол поворота сопряжения оси земляной плотины сосью водосливной плоти ны; НК - начало оси водосливной плотины; г - радиусы; Ьнбглубина нижнего бьефа
Фильтрация потоков из верхнего бьефа при обходе устоя в ниж ний бьеф играет второстепенную роль.
При рассмотрении фильтрации потоков по внутренней поверхнос ти устоя необходимо учитывать тот факт, что грунт, примыкающий к устою, должен быть маловодопроницаемым и не изменять своего объема при намокании, замерзании и не должен размываться фильт рационным потоком, при этом давление грунтовой воды на низовую часть устоя должно быть по возможности небольшим (рис. 140).
С целью увеличения длины подземного контура устоя могут применять так называемые длинные шпоры. Такая шпора распо лагается не ниже (по течению) линии затворов водосливной пло тины и устанавливается расчетом фильтрационной прочности за сыпки пазух устоя (рис. 141).
Длинные шпоры выполняются в виде бетонной или железобетон ной стенки, ядра из глинистого грунта, шпунтового ряда (рис. 142).
Расчет безнапорной фильтрации потока в обход устоя при за данных отметках горизонта воды верхнего и нижнего бьефов вы полняется с целями: построить кривую депрессии, необходимую для статического расчета устоя; определить средний пьезомет рический уклон безнапорного фильтрационного потока, возникаю щего у берега вдоль уреза воды и контролирующий фильтрацион ную прочность грунтовой засыпки пазух устоя.
Рис. 142. Сопряжение шпунто вого ряда плотины с ее длинной шпо рой: 1 - ряд шпунта; 2 - гребень плотины; 3 - продольная стенка ус тоя; 4 - откос берега в верхнем бье
фе; 5 - берег; 6 - шпора
В. Постоянные деформационные швы бетонной водослив ной гравитационной плотины.
Бетонные плотины разделяют на отдельные блоки-секции по перечными деформационными швами, которые могут быть тем пературными и температурно-осадочными и предназначены для того, чтобы не допустить появления в теле плотины растяги вающих усилий, деформаций водосливных отверстий и нарушений напорного фронта плотины, что может привести к просачиванию воды из верхнего в нижний бьеф.
Расстояние между деформационными швами, место их располо жения, ширину и способ поперечного уплотнения для исключения фильтрации воды из верхнего бьефа определяют в соответствии кон структивными особенностями плотины и местом ее расположения, с учетом климатических, геологических и гидрогеологическихусловий.
Деформационные швы бетонных плотин, расположенных на скальном основании, более просты, чем швы плотин на нескаль ном основании (рис. 143,144).
III |
IV |
Рис. 143. Схемаразрезки деформационными швамибетонной плотинына скальном основании; 1 - затвор; 2 - деформационный шов; 3 - временный порог; 4 - арматура
Конструкции деформационных швов могут быть различных ти пов, разделяются на вертикальные и горизонтальные (рис. 144,145).
Рис. 144. Схемы разрезки деформационными швами бетонной плотины на нескальном основании (схемы а й в могут применяться для плотин на скальном основании): 1 - затвор; 2 - деформационные швы; 3 - арматура; 4 - железо бетонная фундаментная плита
J J
Рис. 145. Схема вертикального температурно-осадочного шва боль шой ширины, вертикальная асфаль товая шпонка: 1 - температурно осадочный шов; 2 - железобетонные шандоры; 3 - забивка просмоленной паклей; 4 - монтажная лестница; 5 - шпонка
6 |
2 |
3 |
6 |
Рис. 146. Схема горизонтальных асфальтовых шпонок, уплотняющих дефор мационный шов со стороны водопроницаемого основания (по подошве сооруже ния): 1 - битумный мат; 2 - заполнение вертикального uiea; 3 - металлический лист; 4 - шпонка; 5 - бетонная подготовка; 6 - анкер; 7 - дваряда просмоленных досок толщиной 20 мм
