Гидроузлы на равнинных водотоках

7.5. На малых водотоках рекомендуется строительство плотин островного типа, обеспечивающих расчетные расходы и уровни как в меженный период, так и в остальное время года. Расходы реки, превышающие расчетные, в том числе и паводковые, пропускают одновременно через плотину и пойму.

7.6. Выбор компоновки гидроузла обусловливается неразмывающей способностью грунтов, слагающих пойму. Если при пропуске паводка скорости потока на пойме не превышают неразмывающие, то компоновку гидроузла следует осуществлять по схеме, представленной на рис. 126. Участок поймы, примыкающий к плотине, необходимо закрепить для предотвращения местных деформаций ложа поймы в опасной близости от плотины.

Рис. 126. Компоновка плотинного гидроузла островного типа

1 - водоприемник (или головная часть отстойника отводящего канала); 2 - струенаправляющая затопляемая дамба; 3 - крепление берегов, русла и поймы; 4 - перегораживающая дамба

7.7. При проектировании плотины островного типа выполняют следующее.

1. Плотина рассчитывается как водослив с широким порогом, причем отметку порога водослива желательно назначать равной отметке дна реки.

2 Водоприемник, входящий в состав гидроузла, располагается у берега на вогнутой части подводящего русла.

3. Конструируются размеры плотины, для чего:

определяется необходимый расчетный удельный расход q _р из условия промыва наносов перед водоприемником и прохождения в створе плотины руслоформирующего расхода Q _p, который находится по кривой обеспеченности максимальных расходов и соответствует обычно расходам (5-10 %) обеспеченности

;                                                         (225)

определяется перепад D z на водопропускной плотине по традиционным формулам гидравлики для водослива с широким порогом;

проверяется работа поймы в паводок, для чего определяется кратчайшее расстояние по пойме между бьефами и вычерчивается профиль по этому направлению, а затем определяется i = D z / l и для отдельных участков профиля подсчитывается q по рис. 127;

Рис. 127. Графики для определения погонных расходов потока на пойме; I ₁ = 0,0001; I ₂ = 0,0002; I ₃ =0,0006; I ₄ = 0,0012; I ₅ = 0,002

определяется глубина h на пойме по формуле (225). Если h < H, размыв на пойме не произойдет, т. е. возможно сокращение ширины водосливного фронта. Если h > H, возможен размыв поймы. Для предотвращения размывов необходимо удлинение ограждающей, примыкающей к пойме дамбы. Участок поймы и русла у низового оголовка ограждающей дамбы необходимо крепить камнем или каким-либо гибким креплением во избежание местных деформаций в этой зоне. Диаметр камня определяется по рис. 128.

Рис. 128. График для определения диаметров камня при укреплении поймы; 1 - q = 0,5; 2 - q = 1,0; 3 - q = 2,0; 4 - q = 3,0; 5 - q = 4,0; 6 - q = 5,0; 7 - q = 7,0; 8 - q = 10,0
(цену деления по ординате уменьшить в 4 раза)

7.8. При проектировании низконапорной плотины на равнинном участке реки может возникнуть необходимость полного перекрытия поймы дамбой в случае, если грунты поймы малопрочны или ширина поймы мала. Причиной полного перекрытия русла может служить и необходимость создания достаточных для обеспечения водозабора глубины или емкости водохранилища.

7.9. При необходимости перекрытия поймы следует применять наиболее экономичную схему компоновки, приведенную на рис. 129. Водосливная плотина устраивается без бычков и затворов, т.е. работает в автоматическом режиме. Гидравлический расчет плотины, выполняемой по этой схеме компоновки, заключается в следующем.

Рис. 129. Пойменная компоновка низконапорного гидроузла с полным перекрытием русла

1 - водоприемник; 2 - берег; 3 - крепление берега; 4 - водосбросная плотина; 5 - перегораживающая дамба; 6 - промывное сооружение

1. Для выбранного расхода Q _p применительно к исходному варианту компоновки гидроузла в нескольких створах (II, III, IV) верхнего бьефа подсчитывают удельные расходы

q _cp = Q _p/ B_i,                                                                                  (226)

где В _i - ширина рассматриваемого створа, м.

2. Напор над гребнем плотины H, м, определяется подбором для q _ср по формуле

,                                          (227)

где р - высота плотины, м; К _н - коэффициент несвободного истечения, определяемый по рис. 130. Величина К _н устанавливается методом последовательного приближения. В качестве исходного принимается К _н = 1, и для него по рис. 127 определяется Н, затем по графику рис. 130 с учетом Р/Н и Н _нб /Р определяется К _н и т. д.

Рис. 130. Вспомогательный график Б. И. Студеничникова для определения пропускной способности и режимов истечения для водосливов

3. По рис. 131 определяется среднее содержание наносов в начальном створе I при пропуске Q _p для конечного периода эксплуатации, когда вследствие заиления верхнего бьефа через гидроузел проходит поток, влекущий наносы в количестве, соответствующем бытовому (до устройства гидроузла) режиму реки.

Рис. 131. График для определения мутности воды в реке в паводок до устройства плотины

u_б - бытовая скорость в реке; u₀ - средняя скорость потока

1 - u_б = 0,8 м/с; 2 - u_б = 1,0 м/с; 3 - u_б= 1,2 м/с; 4 - u_б = l,4 м/с; 5 - u_б = l,6 м/с

4. По заданным q, r, d подсчитывают образуемые потоком глубины h, используя формулу (225), вводя в нее сомножитель (1 + 3r^2/3), и затем находят отметки русла Ñ_p в верхнем бьефе

Ñ_p = Ñ_{гребня плотины} + H – h.                                                                      (228)

Полученные глубины потока в верхнем бьефе сопоставляют с необходимыми глубинами на пороге водозабора. Обеспечение необходимых глубин достигается варьированием ширины водосбросного фронта и подводящего русла.

5. Подсчет местных деформаций русла в районе гидроузла следует проводить для начального периода эксплуатации, когда в зону гидроузла будут поступать расходы с наименьшим содержанием наносов при паводочном расходе Q > Q _p. Глубина воды в воронке размыва h определяется по формуле

h = K_F b^0,8 h _pp,                                                                               (229)

где K_F = (a/1,1)^2,5 = h/h _pp - коэффициент увеличения кинетической энергии потока (h - глубина воды в воронке размыва; h _pp - глубина, сформированная в русле при спокойном равномерном потоке, определяется по формуле (225); a - коэффициент Кориолиса, для воронки местного.размыва a > 1,1); b - коэффициент неравномерности распределения удельных расходов в плане, b = q / q _в(q - удельный расход в воронке местного размыва; q _в - удельный расход на водобое в сжатом сечении потока).

Коэффициент k_f определяется по рис. 132. Учет действия гасителей осуществляется по формуле

,                                                                     (230)

где z = 1,4 - для водобойных стенок; z = 1,7 - для гасителей в виде пирсов, шашек, зубьев Реббока.

Рис. 132. Зависимость K_F от высоты плотины и длины крепления

Расчет местных деформаций в этом случае ведется подстановкой в формулу (229) значения K ^¢ _F.