Открытый береговой водосброс

Выбор трассы водосброса

 

Для пропуска паводковых расходов в составе водохранилищного узла устраивают водосбросные сооружения. Чаще всего при земляных плотинах устраивают открытые береговые водосбросы (см. рис. 3.1), в состав которых входят:

а) подводящий канал;

б) сбросной шлюз-регулятор;

в) сбросной или соединительный канал;

г) сопрягающее сооружение;

д) отводящий канал.

 

Рис. 3.1. Открытый береговой водосброс

 

Трассу открытого берегового водосброса намечают в обход плотины на более пологом берегу с целью уменьшения объемов выемок. При назначении оси (трассы) сооружений берегового водосброса учитываются топографические, геологические и строительно-экономические условия.

Входная часть канала должна быть удалена от плотины не менее чем на 20 – 40 м, чтобы избежать возможных вдольбереговых течений. Ось сбросного шлюза должна располагаться не ближе 15 – 20 м от места сопряжения плотины с берегами. Выход в нижний берег должен быть удален от плотины на 50 – 100 м, чтобы при пропуске паводка не возникало опасности подмыва низового откоса.

По оси намеченной трассы вычерчивается продольный профиль. Учитывая большую протяженность трассы водосброса, продольный профиль рекомендуется вычерчивать в разных масштабах (горизонтальный 1:2000, вертикальный 1:200).

 

 

Рис. 3.2. Продольный профиль по трассе берегового водосброса

 

Расположение геологических скважин следует принять следующим образом. По оси плотины располагается 1-я или 5-я скважина в зависимости от того, на каком берегу принято расположение водосбросного тракта. 3-я скважина располагается на пересечении оси трассы и русла реки, 2 или 4 скважины – посередине между 3-ей и 1-ой или 5-ой скважинами.

Толщины (мощности) геологических слоев следует принять соответствующими номерам скважин.

На продольный профиль необходимо нанести линии НПУ и уровня воды в нижнем бьефе при максимальном расчетном расходе воды.

 

Предварительное определение параметров водосбросных

Сооружений

 

Одним из важнейших этапов проектирования открытого берегового водосброса является предварительное определение основных размеров сооружений, входящих в его состав. В число определяемых предварительными расчетами параметров сооружений открытого берегового водосброса входят:

1. Ширина быстротока В_б.

2. Число n_отв и размеры отверстий сбросного шлюза-регулятора (ширина b_отв.ш. и высота h_отв.ш.).

3. Отметка порога сбросного шлюза-регулятора Z ₁, равная отметке дна подводящего канала.

4. Отметка порога быстротока Z ₂, равная отметке дна сбросного (соединительного) канала.

5. Глубины воды в подводящем h_{к.п .}, сбросном (соединительном) h_к.с., и отводящем h_к.о. каналах.

6. Отметка дна отводящего канала Z_к.о..

При проектировании сооружений, входящих в состав открытого берегового водосброса необходимо соблюдать следующие рекомендации.

1. В соответствии с требованиями норм проектирования размеры водосбросных отверстий бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений должны приниматься стандартными. Ниже в таблицах 3.1 и 3.2 приведены стандартные размеры водосбросных отверстий бетонных и железобетонных гидротехнических сооружений.

2. Отметки сооружений следует принимать с точностью 0.1 м.

3. Ширину каналов следует принимать с точностью 0.5 м.

 

Стандартные размеры пролета (ширины) отверстий гидротехнических

Сооружений, м

Таблица 3.1

0.4	0.6	0.8	1.0	1.25	1.5	1.75	2.0	2.25	2.5
3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	6.0	7.0	8.0	10.0	12.0
14.0	16.0	18.0	20.0	22.0	24.0	27.0	30.0

 

Примечание. За пролет отверстия принимается размер в свету между ограничивающими отверстие боковыми вертикальными гранями сооружения.

 

Стандартные размеры высоты отверстий гидротехнических сооружений, м

Таблица 3.2

0.6	0.8	1.0	1.25	1.5	1.75	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0
4.5	5.0	5.5	6.0	6.5	7.0	7.5	8.0	8.5	9.0

Примечание. За высоту отверстия принимается: для поверхностных отверстий – размер от порога до нормального подпорного уровня воды; для глубинных отверстий – размер от порога до верхней грани отверстия.

 

Для выполнения расчетов по предварительному определению основных размеров сооружений, входящих в состав открытого берегового водосброса, используются следующие исходные данные.

1. Расчетный максимальный расход Q.

2. Отметка нормального подпорного уровня воды в водохранилище (НПУ) Z_НПУ.

3. Отметка форсированного подпорного уровня воды в водохранилище (ФПУ) Z_ФПУ.

Ширина быстротока В_б предварительно определяется из следующих соображений. Значение В_б должно быть принято из условия обеспечения пропускной способности входа в быстроток в соответствии с формулой пропускной способности неподтопленного водослива с широким порогом

, (3.1)

где Q - расчетный максимальный расход; В_б - искомое значение ширины быстротока; Н ₀ - напор на пороге входа в быстроток с учетом скорости подхода; т_б - коэффициент расхода неподтопленного водослива с широким порогом, значение которого на предварительных этапах проектирования принимается равным т_б = 0.35.

На основании опыта проектирования ширина быстротока В_б обычно принимается равной В_б = 6 · Н, где Н – напор на входе в быстроток. Тогда, пренебрегая скоростью подхода, может быть записано выражение для определения ширины быстротока В_б в виде

. (3.2)

Окончательно значение В_б принимается как ближайшее стандартное значение ширины отверстия (см. табл. 3.1).

Соответствующее значение напора на входе в быстроток Н (и, следовательно, глубины воды в сбросном (соединительно) канале h_к.с.) может быть найдено по формуле

. (3.3)

Размеры отверстий сбросного шлюза определяются из следующих соображений. Сбросной шлюз проектируется таким образом, чтобы его пропускная способность была максимально возможной. Поэтому вход в сбросной шлюз проектируется как неподтопленный водослив с широким порогом. Обычно напор на пороге сбросного шлюза при пропуске максимального расхода воды Q при ФПУ в водохранилище принимается близким к напору на входе в быстроток и, следовательно, близким к глубине воды в сбросном (соединительном) канале h_к.с.. Высота отверстий сбросного шлюза принимается как размер от порога до нормального подпорного уровня воды. Тогда в первом приближении высота отверстий сбросного шлюза может быть найдена по формуле

h_{отв. ш.} = h_к.с – (Z_ФПУ – Z_НПУ). (3.4)

Окончательно значение h_{отв. ш.} принимается как ближайшее стандартное значение высоты отверстия (см. табл. 3.2).

Соответствующий напор на пороге сбросного шлюза при пропуске максимального расхода воды Q при ФПУ в водохранилище Н_ш равен

Н_ш = h_{отв. ш.} + (Z_ФПУ – Z_НПУ). (3.5)

Число отверстий сбросного шлюза n_отв. обычно принимается нечетным, что позволяет избежать сбойности течения и значительных размывов при пропуске расходов воды, меньших, чем максимальный сбросной расход. В курсовом проекте целесообразно принять n_отв. = 3. Ширина отверстий сбросного шлюза b_{отв. ш.} может быть найдена из формулы пропускной способности неподтопленного водослива с широким порогом, пренебрегая в запас скоростью подхода

, (3.6)

где т_ш – коэффициент расхода неподтопленного водослива с широким порогом, значение которого на предварительных этапах проектирования принимается равным т_ш = 0.35.

Окончательно значение b_{отв. ш.} принимается как ближайшее большее стандартное значение ширины отверстия (см. табл. 3.1).

Отметка порога сбросного шлюза Z ₁, равная отметке дна подводящего канала, очевидно, может быть определена по формуле

Z ₁ = Z_ФПУ – Н_ш. (3.7)

Отметка дна сбросного (соединительного) канала Z ₂ принимается из условия обеспечения неподтопленного истечения через сбросной шлюз. С некоторым запасом значение Z ₂ может быть принято по формуле

Z ₂ = Z ₁ + 0.5 · Н_ш – h_к.с. (3.8)

Полученное значение Z ₂ округляется в меньшую сторону с точностью до 0.1 м.

Глубина воды в отводящем канале принимается равной глубине воды в реке при прохождении максимального расчетного расхода воды, т.е. h_к.о. = h_н.б., а отметка дна отводящего канала принимается равной отметке дна реки Z_дна.

Ниже приведен пример расчетов по предварительному определению основных размеров сооружений, входящих в состав открытого берегового водосброса.

Пример 3.1. Предварительное определение параметров водосбросных сооружений открытого берегового водосброса.

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с.

2. Отметка нормального подпорного уровня Z_НПУ = 166.1 м.

3. Отметка форсированного подпорного уровня Z_ФПУ = 166.6 м.

Расчет

1. Определяется ширина быстротока В_б, м, принимая для входа в быстроток значение коэффициента расхода водослива с широким порогом т_б = 0.35

м.

Принимается ширина быстротока как ближайшее стандартное значение ширины отверстия В_б = 16.0 м.

2. Находятся значение глубины воды в сбросном (соединительном) канале h_к.с., м

м.

3. Вычисляется требуемая высота отверстий сбросного шлюза h_{отв. ш.}, м

м.

Принимается высота отверстий сбросного шлюза как ближайшее стандартное значение высоты отверстия h_{отв. ш.} = 2.0 м.

4. Определяется напор на пороге сбросного шлюза Н_ш, м, при пропуске расчетного максимального расхода воды Q

м.

5. Принимая число отверстий сбросного шлюза n_отв. = 3 и значение коэффициента расхода т_ш = 0.35, находится требуемая ширина отверстий сбросного шлюза b_{отв. ш.}, м

Принимается ширина отверстий сбросного шлюза как ближайшее большее стандартное значение ширины отверстия b_{отв. ш.} = 6.0 м.

6. Вычисляется отметка порога сбросного шлюза Z ₁, м

м.

7. Вычисляется отметка дна сбросного (соединительного) канала Z ₂, м

м.

Полученная отметка округляется в меньшую сторону с точностью до 0.1 м

Z ₂ = 162.7 м.

Результаты расчетов по определению расчетных отметок представлены на рис. 3. 3.

 

Рис. 3.3. Схема расчетных отметок сооружений берегового водосброса

 

Проектирование каналов

 

В состав открытого берегового водосброса входят подводящий, сбросной (соединительный) и отводящий каналы, поперечное сечение которых обычно принимается трапецеидальным.

Проектирование этих каналов выполняется на основе гидравлических расчетов. Такими расчетами устанавливаются размеры поперечного сечения каждого из каналов (глубина наполнения h_к, коэффициенты заложения откосов т_к, ширина канала по дну В_к).

Глубины воды в подводящем h_к.п., сбросном (соединительном) h_к.с. и отводящем h_к.о. каналах были определены предварительными расчетами параметров водосбросных сооружений.

Коэффициенты заложения откосов каналов т_к выбирается по условиям устойчивости в зависимости от физико-механических характеристик грунта, в котором устроен канал, а также в зависимости от принятого типа крепления откосов. На предварительных этапах проектирования значения коэффициентов заложения т_к неукрепленных откосов каналов рекомендуется принимать в зависимости от высоты откоса Н_к: при Н_к ≤ 3 м принимается т_к = 1.5; при Н_к > 3 м принимается т_к = 2.0. В случае крепления откосов канала бетонными или железобетонными плитами: при Н_к ≤ 3 м принимается т_к = 1.25; при Н_к > 3 м принимается т_к = 1.75. При высоте откосов Н_к > 5 м их устойчивость должна быть проверена расчетами.

Ширина канала по дну В_к принимается из условия, чтобы скорость течения воды в канале V_к не превышала предельной по условию размыва ложа V_п.

Предельная скорость по условию размыва ложа канала определяется по методике Ц.Е. Мирцхулавы [12] в зависимости от глубины воды в канале h_к и типа грунтов, в которых проходит канал.

В случае, если канал проходит в несвязных грунтах (песок, гравий, галька и др.) значение предельной неразмывающей скорости течения воды в канале может быть найдено по формуле

, (3.9)

где d - расчетный диаметр частиц несвязного грунта (в курсовом проекте следует принять d = 2 мм); r_s - плотность частиц грунта; r_w – плотность воды; k_c - коэффициент безопасности, значение которого на предварительных этапах проектирования может быть принято равным k_c = 2; т_М – коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии (в курсовом проекте в запас принимается т_М = 1); п_М – коэффициент, учитывающий влияние пульсации скорости в придонной области потока и определяемый по формуле

; (3.10)

n - кинематическая вязкость воды, значение которой принимается в зависимости от температуры (в курсовом проекте значение n следует принять при температуре воды 10⁰ С равным n = 1.31 · 10^-6 м²/с); с_уп - нормативное значение усталостной прочности несвязного грунта, равное

. (3. 11)

В случае, если канал проходит в связных грунтах (супеси, суглинки) значение предельной неразмывающей скорости течения воды в канале может быть найдено по формуле

, (3.12)

где значения r_s, r_w, т_М, п_М, k_c определяются так же, как и в формуле (3.9); d - расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта (при отсутствии данных специальных исследований принимается d = 4 мм); с_уп - нормативное значение усталостной прочности связного грунта, равное

с_уп = 0.035 · с_п; (3. 13)

с_п – нормативное значение сцепления грунта, равное

с_п = k_c · с; (3.14)

с – расчетное значение сцепления грунта (в курсовом проекте значение с задано).

Ниже в примерах 3.2 – 3.4 приведена последовательность гидравлических расчетов подводящего, сбросного (соединительного) и отводящего каналов.

После выполнения гидравлических расчетов и определения геометрических размеров выполняется их проектирование и вписывание в местность.

При проектировании каналов необходимо учитывать следующие особенности.

Подводящий канал обычно устраивается с горизонтальным дном. Иногда для улучшения гидравлических условий подхода к сбросному дно шлюзу дно подводящего канала проектируется с обратным уклоном i = – 0.001. Канал следует проектировать расширяющимся вверх по течению, что улучшает гидравлические условия его работы.

Сбросной (соединительный) канал проектируется постоянного по длине поперечного сечения с горизонтальным дном. При этом ввиду небольшой длины канала изменением глубины воды в нем пренебрегают.

При проектировании каналов предусматриваются бермы шириной от 2 м до 3 м. Отметка бермы вдоль канала принимается выше максимальной отметки воды в канале на 0.5 – 0.6 м. При вписывании каналов в местность необходимо учитывать криволинейность осей подводящего и сбросного (соединительного) каналов. Радиус закругления оси канала принимается равным R ≥ 5 · b_y, где b_y – ширина канала по урезу воды.

На рисунках 3.4, 3.5 показаны примеры вписывания подводящего и сбросного (соединительного) каналов.

Рис. 3.4. Схема подводящего канала

Рис. 3.5. Схема сбросного (соединительного) канала

Пример 3.2. Гидравлический расчет подводящего канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с.

2. Глубина воды в канале, равная напору на пороге сбросного шлюза,
h_к.п. = 2.5 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта – супесь

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 4 мм.

3.4. Расчетное значение удельного сцепления связного грунта
с = 11.5 кПа.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

.

2. Находится нормативное значение усталостной прочности связного грунта кПа

, кПа

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала .

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя полученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в подводящем канале м/с

м/с.

 

Пример 3.3. Гидравлический расчет сбросного (соединительного) канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с

2. Глубина воды в канале h_к.с. = 2.604 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта - супесь

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 4 мм.

3.4. Расчетное значение удельного сцепления связного грунта
с = 11.5 кПа.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

2. Находится нормативное значение усталостной прочности связного грунта , кПа

кПа

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя подученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в сбросном канале , м/с

м/с.

Пример 3.4. Гидравлический расчет отводящего канала

Исходные данные

1. Расчетный максимальный расход Q = 104.2 м³/с.

2. Глубина воды в канале, равная глубине воды в реке, h_к.о. = 2.9 м.

3. Данные о грунте ложа канала

3.1 Тип грунта - песок

3.2. Плотность частиц грунта r_s = 2670 кг/м³.

3.3. Расчетный диаметр агрегатов (отрывающихся отдельностей) связного грунта d = 2 мм.

4. Данные о воде

4.1. Плотность воды r_w = 1000 кг/м³.

4.2. Кинематическая вязкость воды n = 1.31 · 10^-6 м²/с.

5. Коэффициент, учитывающий влияние наносов, содержащихся в потоке в коллоидном состоянии т_М = 1.

6. Коэффициент безопасности k_c = 2.

Расчет

1. Определяется значение коэффициента п_М, учитывающего влияние пульсации скорости в придонной области потока

2. Находится нормативное значение усталостной прочности несвязного грунта, которая учитывает наличие сил сцепления (зацепления) между частицами , кПа

Па

3. Вычисляется значение неразмывающей скорости потока воды в канале , м/с

4. Определяется требуемая площадь поперечного сечения канала , м²

м².

5. Принимается значение коэффициента заложения откоса канала .

6. Находится требуемая ширина канала по дну , м

м.

Принимается ширина канала по дну , м, округляя подученное значение в большую сторону с точностью до 0.5 м

м.

7. Уточняется площадь поперечного сечения канала , м²

м².

8. Вычисляется скорость воды в отводящем канале , м/с

м/с.

 

Конструкция сбросного шлюза

 

Головной частью открытого берегового водосброса является сбросной открытый шлюз-регулятор, днище которого – флютбет устраивается ниже нормального подпорного уровня воды в водохранилище. Благодаря такому расположению флютбета и наличию затворов, сбросной шлюз может служить как для сброса паводковых расходов, так и для частичного опорожнения водохранилища.

Подвод воды к сбросному шлюзу осуществляется подводящим каналом, а отвод – сбросным (соединительным) каналом.

Основными элементами сбросного шлюза являются береговые устои, промежуточные опоры-быки и днище – флютбет (рис.3.6).

Береговые устои предназначены для сопряжения бетонных сооружений с грунтом берега и улучшения гидравлических условий входа потока в сооружение. В поперечном сечении устои имеют форму подпорных стенок, с толщиной в верхней части не менее 0.5 м с утолщением к низу с уклоном 1:5÷1:2. Толщина фундамента устоя принимается равной (0.1÷0.2) h_у, где h_у – высота устоя.

Быки служат для уменьшения пролетов между береговыми устоями и являются несущими конструкциями для балок служебного и проезжего мостов. В быках предусматриваются пазы для опирания рабочего затвора и ремонтного шандорного заграждения. Расстояние между быками (или между быком и устоем) в свету L ₀ принимается равным ширине отверстия сбросного шлюза. Ширина пазов принимается равной (0.1÷0.2) L ₀, глубина пазов -
(0.05÷0.1) L ₀. Размеры пазов должны приниматься кратными 0.1 м. Толщина быков назначается в соответствии с нормами проектирования таким образом, чтобы толщина пазового перешейка была не менее 0.8 м. Форма входных оголовков быков должна обеспечивать плавный вход воды в отверстие и минимальное сжатие потока (рис. 3.9).

Флютбет состоит из понура, водобоя и рисбермы. Понур и водобой – непроницаемые части флютбета, рисберма – проницаемая.

Понур служит для укрепления русла перед сооружением, благодаря своей непроницаемости удлиняет путь фильтрационного потока, уменьшает расход и скорость фильтрации. Понур располагается в пределах входной части и выполняется из грунтовых материалов (суглинок, глина). Для предотвращения размыва поверхностным потоком понур закрепляется плитами толщиной (0.1÷0.15) м. Длина понура выбирается равной длине входной части в сбросной шлюз. Обычно L_пон. = (2÷3) · Н где Н – напор перед сооружением.

Вход в шлюз обычно проектируется в виде раструба или косой плоскости.

Водобой воспринимает удары падающей воды, погашает энергию поверхностного потока воды и создает безопасные условия для движения фильтрационного потока. Длина водобоя назначается условиями расположения над ним служебных и проезжих мостов, габаритов А₁ и А_{2 ,} а так же на основании гидравлического расчета (в пределах водобоя располагается водобойный колодец длиной L_к и глубиной d_к).

Габарит проезжего моста А₂ выбирается равным ширине проезжей части земного полотна В_{п.ч .} с запасом на устройство тротуаров шириной 0.9÷1.2 м. Ось проезжего моста должна совпадать с осью плотины.

На служебных мостах располагаются различные устройства для маневрирования затворами, оборудование и места нахождения служебного персонала. Ширина служебного моста должна быть в пределах от 1.5 м до 2.5 м. Ширина пазов для рабочих затворов и шандорных заграждений принимается равным (0.3÷0.5) м.

Рис. 3.6. Элементы конструкции сбросного шлюза

Рис. 3.7. Продольный разрез и план сбросного шлюза

 

Отметка верха служебного моста определяется из условия поднятия плоского затвора над ФПУ не менее чем на 0.5 м. При этом он не должен доходить до балок служебного моста на (0.5÷1.0) м.

Z_{сл.м .} = Z_ФПУ + 0.5 м + h_з. + (0.5÷1.0) м

где h_з – высота затвора.

Сумма значений размеров А ₁ и А₂ дает горизонтальную проекцию длины шлюза В₀.

Рисберма – укрепленный участок за водобоем, предназначенный для предотвращения размыва поверхностным потоком и для выхода фильтрационного потока. Устраивается из камня или плит (одинаковой или разной высоты с открытыми швами). Под рисбермой укладывается подготовка по типу обратного фильтра с толщиной каждого слоя 20÷30 см. Длина выходной части назначается в пределах (1.5÷2) В _о.

Выход устраивается аналогично входной части длиной, равной длине рисбермы.

Размеры сбросного шлюза-регулятора устанавливаются на основании гидравлических, фильтрационных расчетов, а также расчетов устойчивости и прочности всего сооружения и его элементов. В курсовом проекте можно ограничиться только гидравлическими расчетами.