Проект водохранилищного гидроузла

    Автоматические  водосбросы  применяют  при малых  сбросных расходах (менее 30...40 м³ /с) и подразделяют на  открытые береговые (при расходах 20...40 м³/с) и трубчатые (ковшовые, сифонные, шахтные и др.),  которые предпочтительны при необходимости устройства проезда в пределах сооружения.

    Регулируемые  водосбросы устраивают в случаях:

    - когда по каким-либо условиям  ограничен или  нежелателен  подъем уровня водохранилища  выше НПУ;

    - при необходимости быстрой сработки водохранилища;

    - при больших расчетных расходах.

    Конструкция водосброса - сложное инженерное сооружение, состоящее 
из нескольких простейших сооружений, конструктивных узлов и деталей.

    В водосбросном сооружении можно выделить четыре основные составные части: подводящая, водоприемная или водосливная,  сопрягающая  и устройство нижнего бьефа. 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 с верхнего в нижний бьеф.

    Устройство  нижнего бьефа обеспечивает гидравлическое сопряжение 
сбросного потока с нижним бьефом, гашение избыточной кинетической водной энергии, защиту сооружения от подмыва и разрушения.

    Каждая  основная часть водосброса, в свою очередь, состоит из ряда более простых  устройств и деталей. Например, подводящая часть может включать: подводящий канал или выемку, струенаправляющие  дамбы или системы, ледозащитные устройства, сопрягающие открылки и  т. п.

    Водосливная часть может иметь различное  конструктивное решение. 
Наиболее типичными решениями являются: прямолинейная сливная стенка 
(сливная плотина, сливной порог шлюза), сливной оголовок с замкнутым 
сливным контуром, сливная траншея. В свою очередь, а состав сливной части может входить: сопрягающая вставка, стенки-устои, разделительные стенки- 
быки, затворы и другие устройства.

    Сопрягающую часть делают открытий или лотковой (быстроток, перепад), закрытой или трубчатой.

    В устройство нижнего бьефа входят: устройство для сопряжения 
сбросного потока с нижним бьефом (уступ, консоль, сопрягающая вставка, 
водобой), устройство для гашения энергии, крепление русла от размыва, 
струенаправляющие устройства.

    Водоспускными сооружениями (водоспусками) называют гидротехнические сооружения, предназначенные  для полного или частичного опорожнения  водохранилища, пропуска  в нижний бьеф бытовых или санитарных  расходов воды.

    Водоспуски  размещают как в теле плотины, так и в берегах. Их выполняют  в виде отдельно стоящих сооружений или совмещенных с водосбросами. Отдельно расположенные водоспуски могут быть открытыми (безнапорными) и закрытыми (напорными). Открытые, в основном береговые водоспуски, применяют на небольших водохранилищах глубиной до 4...6 м. При 
больших глубинах предпочтительнее закрытые водоспуски, размещаемые в 
теле плотины.

    Наибольшее  распространение имеют трубчатые  водоспуски, устраиваемые в теле низконапорных  грунтовых плотин. Трубчатый водоспуск  состоит из трубопровода, входного и выходного оголовков, колодцев для задвижек.

    Водоспуск и водовыпуск в этом проекте рекомендуется объединить в одно  сооружение,  которое можно использовать также и для пропуска строительного расхода, частичной промывки верхнего бьефа от наносов, для пропуска части паводкового расхода редкой повторяемости.

7.2. Проектирование водосбросного сооружения

    Для пропуска паводковых вод в составе  водохранилищного гидроузла устраивают водосбросное сооружение. Исходя из особенностей рельефа наиболее выгодно конструировать открытый береговой водосброс.

    В расчёт берегового водосброса входит определение размеров сооружений водопропускного  тракта и устройств нижнего бьефа.

     7.2.1. Выбор трассы и построение

     продольного профиля по оси  водосбросного сооружения

При назначении трассы водосбросного сооружения учитывают  топографические, геологические, гидрогеологические и строительно-экономические условия.

    Трассу  водосбросного сооружения намечают в обход плотины, по более пологому берегу, если сопрягающим сооружением служит быстроток, и на более крутом – в случае многоступенчатого перепада. Под трассой понимают осевую линию сооружений, проложенную на местности с разбивкой на ней пикетажа. Она может быть как прямолинейной (рис. 5.1, а), так и с углами поворота (рис. 5.1, б). Для обеспечения плавного движения потока воды на водосбросном тракте, когда трасса имеет углы поворота, в них вписывают кривые с радиусом не менее пятикратной ширины канала по урезу воды, т.е. .

    При разбивке кривых, когда задан угол поворота , вычисляют тангенс по формуле:   

           

                           

    

    Рис. 7.1. Трасса поверхностного водосбросного тракта: 
а) прямолинейная; б) с углами поворота; в) разбивка кривой на трассе

       Следует иметь в виду, что здесь  тангенс () не является тригонометрической функцией, а определяется как длина отрезка прямой от угла поворота до начала или конца кривой. Длину кривой определяют по формуле

           
 

    Биссектриса угла определяется как

              

                   

    Зная  тангенс и длину кривой, определяют пикеты начала и 
конца кривой. Пример разбивки кривой на водосбросном тракте 
приведен на рис. 7.1. На криволинейных участках трассы рекомендуется размешать каналы, а другие сооружения водосбросного тракта относить на прямолинейные участки. Размещение сооружений на криволинейных участках трассы приведет к выполнению криволинейных конструкций в плане.

    Входная часть канала должна быть удалена  от плотины не менее чем на 20…40 м. Поэтому хорошим решением будет  расположение входа за поворотом  берега, протоке, отвершке.

    Канал должен проходить не ближе 10…15 м от места сопряжения плотины с берегами. Выход в нижнем бьефе должен быть удален от плотины не менее чем на 50…100 м, чтобы при пропуске паводка не возникло опасности подмыва откоса плотины. Желательно располагать выходную часть сооружения в протоке, отвершке, рукаве той же балки, реки.

    Дно водосбросного канала в начальной  его части закладывают на отметке  НПУ в водохранилище и, следовательно, сброс воды будет проходить лишь при повышении уровня воды над нормальным.

    Дно отводящего канала размещают на отметке  тальвега либо на 1÷2 м ниже для того, чтобы канал проходил в выемке или полувыемке – полунасыпи.

    По  оси намеченной трассы вычерчивают продольный профиль. Продольные профили принято вычерчивать в разных масштабах - большем по вертикальной оси и меньшем по горизонтальной (горизонтальный – масштаб плана, вертикальный 1:200). На профиле наряду с отметками поверхности земли (черными отметками), расстояниями между фиксированными точками (соседние точки с фиксированными отметками поверхности земли на продольном профиле соединяют прямыми линиями) и пикетами наносят также проектные отметки сооружений (красные отметки), план трассы с указанием местоположения начала и конца кривых. На продольном профиле приводят также грунты и их физико-механические характеристики. Продольный профиль строят по оси трассы водосбросного тракта по материалам геодезических съемок. При предварительном проектировании его можно выполнить камерально, используя для этого план с горизонталями.

    Высотное  размещение всех сооружений на водосбросном тракте определяется таким образом, чтобы выемки были минимальными, причем допускается на отдельных участках частично выполнять насыпь. Исходя из этого условия и выбирается трасса. Грунты из выемок водосбросных трактов рекомендуется укладывать в тело плотины, если по физико-химическому составу они пригодны для насыпи. Перемещение грунта из выемок в тело плотины позволяет сократить затраты по гидроузлу, но при этом следует учитывать, что глубокие выемки осложняют эксплуатацию сооружения, особенно при пропуске расходов половодья.

    Определение отметок дна водосбросного сооружения. На профиль трассы водосбросного  сооружения со стороны водохранилища наносят линию НПУ. Точка пересечения этой линии с линией откоса долины (со стороны верхнего бьефа) будет началом входной части подводящего канала (сечение I-I). Длину подводящего канала определяют следующим образом: из точки сечения I-I проводят пунктирную горизонтальную линию до пересечения с линией откоса долины, балки (со стороны нижнего бьефа). От этой линии откладывают вниз разницу глубин подводящего канала на откос долины

             

    где - глубина воды в конце подводящего канала, м;

         

     - глубина воды в начале подводящего  канала, м.

    Полученную  точку пунктиром соединяют с  точкой пересечения отметки дна  в сечении I-I . Эта линия и будет дном канала.

    Со  стороны нижнего бьефа вписывают  строительную высоту канала в сечении  II-II:

                                                    (5.5)

    где – возвышение дамбы в земляных каналах над уровнем воды, м, которое приведено в таблице 7.1 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 7.1. – Возвышение дамбы в земляных плотинах над уровнем воды, м.

Расход  воды в канале, м3/сек	Земляные  каналы	Каналы с  одеждой из бетона, ж/бетона, асфальтобетона
до 1	0,20	0,10 ÷ 0,15
1 – 10	0,30	0,20
10 – 30	0,40	0,30
30 – 50	0,50	0,35
50 – 100	0,60	0,40

 

    Из  точки пересечения сечения II-II с линией откоса долины опускают вертикаль до пересечения с линией приближенного дна канала. Эта вертикаль будет концом подводящего канала (сеч. II-II) и началом входной части сопрягающего сооружения. Затем от точки пересечения заданного уровня воды в нижнем бьефе и склона речной долины по горизонтали откладывают принятую длину отводящего канала L_{отв. кан.}  (в пределах 20-30 м) и проводят вертикаль III-III. Расстояние между вертикалями II-II и III-III есть горизонтальное проложение сопрягающего сооружения, равное L (по масштабу плана). Имея разницу отметок Z и горизонтальное проложение L находим уклон местности под сооружением

                          
 

    При этом нужно стремиться к тому, чтобы  уклон местности под сооружением  был примерно параллелен склону речной долины (условие минимума земляных работ).  
 
 
 

     7.2.2. Выбор типа сопрягающего сооружения.

    Водосбросное  сооружение может быть запроектировано  в виде быстротока, многоступенчатого  перепада, консольного сброса, шахтного сброса, ковшевого и др.

    Выбор типа сбросного сооружения производится обычно по экономическим соображениям, условиям эксплуатации, исходя из топографических, геологических, гидрогеологических условий.

    Перепады  и консольные сбросы чаще устраивают на крутых коротких склонах. При некоторых  уклонах местности может быть принят как перепад, так и быстроток.

    Ориентируясь  на уклон местности под сопрягающим  сооружением (, принимают тип сопрягающего сооружения:

      i_м ≤ 0,25 – быстроток

    При прочих равных условиях быстротоки являются наиболее экономичными типами сопрягающих  сооружений.

8. Гидравлический  расчет подводящего  канала

    Для  сброса паводковых вод из водохранилища  подводящий канал должен иметь широкий  фронт забора. У сопрягающего сооружения целесообразно иметь более глубокий и узкий канал для удобства сопряжения его с небольшим по ширине сооружением.

    Поэтому (при изменении глубины и ширины по дну в канале), приходится иметь  дело с непризматическим руслом, в  котором движение потока будет установившимся, неравномерным, медленно изменяющимся.