Конструкции глубинных водовыпусков
Ниже рассматриваются глубинные водовыпуски, которые подают воду в безнапорную систему и расположены вне тела плотины (в берегах, в основании и на поверхности основания — под плотиной), при этом будем иметь в виду главным образом водовыпуск земляных плотин и плотин из каменной наброски.
1. К входной части водовыпуска предъявляют следующие требования: а) при УУВБ (уровне верхнего бьефа) не ниже УМО (уровня мертвого объема), в водовыпуск не должны засасываться плавающие в воде тела (сор, лед и т.п.), а также на поверхности воды не должна образовываться воздушная воронка, которая может засасывать сор; б) сорозадерживаю щие решетки не должны забиваться шугой и на. их стержнях не должен образовываться донный лед; в) в водоприемник не должны увлекаться «топляки»; г) при подходе к водозаборному отверстию не должна происходить деформация ложа водохранилища (за счет размыва грунта или отложения наносов); д) при пропуске расчетного расхода потери напора на вход в водовыпуск должны быть по возможности меньшие.
Во избежание возникновения воздушной воронки минимально допускаемое значение заглубления (м) верха входного отверстия под уровнем воды в водохранилище (рис. 11.12):
Входная часть без затворов и без сорозадерживающих решеток (рис. 11.13) имеет подходную выемку 1 (осуществляемую открытым способом); начиная от сечения 1—1 водоприемник пролагают в виде туннеля. Необходимо подчеркнуть, что сечение 1—1 (начало туннеля) намечают в том месте, где стоимость 1 м открытой выемки оказывается равной стоимости 1 м туннеля; кроме того, ставят дополнительное условие: размер а должен быть достаточно большим, чтобы при ведении взрывных работ в туннеле не была нарушена цельность вышележащего скального грунта. Входной оголовок 2 в данном случае может устраиваться только с целью снижения потерь напора на вход в туннель. Если подходную выемку осуществляют в нескальном грунте, то при больших подходных скоростях ее поверхность покрывают соответствующим креплением.
Входная часть с сорозадерживающими неочищаемыми решетками (рис. 11.14): заглушка 1 закрывает отверстие, через которое пропускался строительный расход (когда стальные трубы 6 еще не были установлены и бетонная пробка 7 не была сделана).
Входную часть с сорозадерживающей очищаемой решеткой в глубинных входных отверстиях водоспусков водохранилищ устраивают не часто, так как плавающие тела, сор, а также топляки попадают в них редко. Очистку таких решеток осуществляют периодически со значительными интервалами времени.
Среднюю скорость v в плоскости решетки назначают такой, чтобы не получить слишком больших потерь напора (на решетке) и не иметь вибрации решетки. Иногда значение указанной скорости устанавливают на основании экономических соображений, сопоставляя (при разных скоростях v) стоимость решетки с денежными расходами, обусловленными потерями напора.
При сравнительно небольших напорах на сооружение средняя скорость и (отнесенная к полной площади решетки) не должна превышать 0,9...1,2 м/с (при небольшом количестве сора). При очистке решетки вручную граблями (при глубине очистки до 5...7 м) скорости и снижают до 0,6...0,7 м/с, имея в виду, что при снижении и очистка облегчается. Задавшись скоростью v и зная расход воды Q, можно найти необходимую площадь решетки, а следовательно, и площадь входного отверстия водоспуска.
Потери напора на решетке (чистой или загрязненной) определяют по соответствующим эмпирическим формулам гидравлики. Часто пользуются формулой Киршмера; эта формула дает, как правило, заниженные значения потерь напора; поэтому некоторые авторы рекомендуют в формулу Киршмера вводить поправочный коэффициент, равный 1,75...2,0. Исходя из значения падения пьезометрической линии, все элементы решетки подвергают соответствующему статическому расчету (учитывая иногда динамичность нагрузок и т.п.).
Очищаемая плоская решетка может располагаться или вертикально, или с небольшим наклоном к вертикали (12...15°). При глубинном входном отверстии в береге плоскую решетку располагают наклонно — под углом, например, 45°, с расчетом установить под этим углом рельсы, по которым должен перемещаться решеткоочистной механизм (рис. 11.15).
Входная часть с затворами. При наличии в самом начале водопропускного тракта затворов их размещают обычно в фундаментной части специальной башни, построенной в водохранилище (см. рис. 11.4). Подъемноопускные механизмы затворов устанавливают в верхней части башни (в ее шатре); при этом длина тяг затворов (при использовании механического привода) равна высоте башни. Сама башня сообщается мостиком с плотиной или берегом.
Башни делают бетонные или железобетонные, прямоугольные или круглые в плане; внутренний диаметр круглой башни 2,5... ...3,0 м. Размеры и форма фундаментной части башни определяются размещаемым в ней механическим оборудованием — затворами (иногда с воздухоподводящими трубамишахтами) и решетками. Башня должна располагаться на материковом грунте. Перед башней устраивают подходную выемку. Достаточно часто от башни пролагают две параллельные нитки стальных напорных труб. При этом в пределах фундаментной части башни приходится устанавливать: 4 затвора — по два затвора на каждую трубу (один ремонтноаварийный и другой основной) или 2 затвора — по одному на трубу. Кроме того, перед двумя входными (в башню) отверстиями могут быть установлены сорозадерживающие решетки.
Если от башни отходит однопролетная труба (или туннель) без стальных напорных труб, то соответственно число затворов уменьшается. В некоторых случаях через фундаментную часть башни пропускают стальные трубы, на которых установлены герметичные затворы (рис. 11.16). При таком водозаборе башня получается «сухой» (не заполненной водой). В большинстве случаев башню делают «мокрой» (т. е. заполненной водой) в процессе эксплуатации (при определенном положении затворов). Если башня без воды, то всегда проверяют ее устойчивость на всплывание, учитывая силу W противодавления, действующую на подошву фундамента.
В случае использования водохранилища для водоснабжения, когда заинтересованы в получении возможно более чистой (без взвеси) воды, делают дополнительные отверстия в стенах самой башни на различной ее высоте (с решетками и особыми затворами). Через эти отверстия воду забирают в башню из верхних слоев водохранилища; открытие и закрытие затворов желательно осуществлять при не слишком больших заглублениях этих затворов под уровнем воды в водохранилище. В связи с этим в случае высоких плотин также иногда делают ряд водозаборных отверстий, расположенных на разных высотах. Иногда ремонтные заграждения устанавливают с плавающего судна; при этом вопрос о стационарных подъемных механизмах для ремонтных затворов отпадает.
На рис. 11.17 и 11.18 показаны примеры устройства башни и затворной камеры.
2. Транзитная часть. Транзитную часть водоспуска можно выполнять в виде туннеля или трубы, причем иногда в туннеле (или трубе) прокладывают стальные напорные трубопроводы; при наличии таких трубопроводов сам туннель остается «сухим». Обычно в таком туннеле трубопроводы прокладывают не менее чем в две нитки, работающие параллельно.
Туннель может быть напорным, безнапорным или «сухим»; часто его делают комбинированного типа, имея в виду следующее: если рабочие затворы устанавливают в средней или концевой части водопропускного тракта, то перед ними этот тракт должен быть напорным; за рабочими затворами, установленными в начале и в средней части водоспуска, водопропускной тракт должен быть безнапорным. Поперечные размеры в свету туннеля, а также стальных трубопроводов (если таковые имеются) устанавливают на основании гидравлического расчета. Эти размеры должны удовлетворять следующим условиям: а) во время строительства и эксплуатации водоспуска обеспечивают достаточно удобный проход по туннелю, а также достаточно удобные условия монтажа и ремонта элементов механического оборудования, трубопроводов и т. п.; б) в период строительства через водоспуск (иногда несколько недостроенный) должен проходить строительный расход; часто уклон дна туннеля определяют из условия пропуска именно строительного расхода воды.
Устройство туннеля. Трассу туннеля стремятся выполнить прямолинейной (во всяком случае на участках безнапорного туннеля). Если это не удается, то радиус закругления непрямолинейной трассы туннеля принимают 5В, где В — ширина туннеля. Углы поворота трассы не должны быть более 60°. Начальный и конечный участки непрямолинейного туннеля должны быть прямолинейными в плане на длине не менее 6 м. Форма поперечного сечения напорного туннеля, как правило, круглая.
Что касается безнапорного туннеля, то здесь (в зависимости от горного давления (рис. 11.19,в); когда имеется давление грунта лей в плотных скальных породах (рис. 11.19, а); для туннеля с небольшим горным давлением (рис. 11.19,6); для случая большого горного давления (рис. 11.19,в), когда имеется давление грунта вниз (рис. 11.19,г). При щитовом способе проходки и применении сборной опалубки для безнапорного туннеля рекомендуют также круглую форму. Высота воздушной прослойки над уровнем воды в безнапорном туннеле должна бытьне менее 0,15 высоты туннеля в свету и не менее 0,4 м. Минимально допустимые размеры поперечного сечения в свету: высота — 2,0...2,5 м; ширина—2,0 м; диаметр круглого сечения — 2,0...2,5 м. Максимальный диаметр круглого туннеля—10...15 м. В зависимости от крепости горной породы толщину d свода туннеля (в «замковом» сечении) можно назначать равной d= (l/6...l/i5)В, где В—ширина туннеля. Минимально допустимая толщина бетонной или железобетонной обделки 0,2...0,25 м; сборной 0,12 м; из набрызгбетона 0,05...0,10 м. При больших скоростях течения воды, несущей истирающие наносы, внутреннюю поверхность туннеля облицовывают материалами с повышенной сопротивляемостью истиранию.
Трубу делают в открытой выемке под плотиной (см. рис. 11.3,6) у одного из берегов (на материковом грунте); основание трубы желательно иметь скальное. На насыпном грунте трубу не располагают. Траншея, в которой устроена труба, должна быть заполнена грунтом, тщательно уплотненным во избежание контактной фильтрации воды вдоль наружной поверхности трубы.
Что касается поперечного сечения трубы, то здесь следует иметь ввиду все то, что было сказано выше о туннеле. На рис. 11.20 показано поперечное сечение «сухой» трубы. Для борьбы с контактной фильтрацией вдоль стен трубы снаружи их устраивают особые ребра 1 в виде реборд, манжет (рис. 11.21). Эти ребра делают в пределах верхового клина плотины; в области низового клина плотины ребра заменяют кольцами дренажа (с обратным фильтром), который должен перехватывать просочившуюся воду.
Так как основание земляной плотины загружено ее массой неравномерно, то осадки его по длине трубы также будут неравномерными. Учитывая температурные напряжения в бетоне, трубу разрезают вертикальными поперечными температурноосадочными швами с расстоянием 5... 15 м. Указанные швы трубы во избежание проникания через них воды уплотняют с помощью особых шпонок; иногда эти швы после завершения осадки плотины законопачивают. В некоторых случаях трубы делают двухпролетными (см. рис. 11.24, в) или многопролетными.
Трубопроводы прокладывают обычно в две нитки. Применяют, как правило, стальные трубы, иногда (при диаметре трубы до 1,0 м) чугунные и реже железобетонные. Трубопроводы (см. рис. II. 20) прокладывают так, чтобы их можно было осматривать и ремонтировать.
Шахты, устраиваемые в пределах транзитной части. При размещении затворной камеры в средней части водоспуска для управления затворами приходится устраивать специальные шахты (см. рис. 11.2).