Тема 5. Водоскиди і водовипускні споруди гідровузлів

Основне призначення і класифікація водоскидів

Призначення водопропускних споруд. При глухих греблях для пропуску надлишкових повеневих вод, корисних попусків води з

водосховища, а також спуску води з метою часткового або повного спорожнення водосховища, влаштовуються водопропускні споруди (рис.5.1).

 

 

Рис. 5.1. Водосховищний вузол споруд з відкритим береговим водоскидом: 1 - грунтова гребля; 2 – водовипуск; 3 – водозабір; 4 – закритий водовід; 5 – підвідний канал; 6 – регулююча споруда; 7 – міст; 8 – з'єднувальний канал; 9 – спрягаюча споруда; 10 – відвідний канал

 

Споруди, які необхідні для скидання надлишкових повеневих витрат, називаються водоскидними або водоскидами.

Для здійснення корисних попусків води з водосховища в розташований в нижньому б'єфі канал, трубопровід або русло річки застосовуються водовипуски. Водовипуски часто називають водоприймачами, а також водозабірними спорудами.

Для повного або часткового спорожнення водосховища в зв'язку з ремонтом або оглядом споруд, які розташовані у верхньому б'єфі, для змиву наносів, які відклалися у водосховищі, а також для оновлення води в рибоводних ставках, застосовують водоспуски (донні випуски). В окремих випадках деякі типи водопропускних споруд можуть бути водоскидними, водозабірними і водоспускними.

При будівництві гідровузла або окремих його споруд виникає необхідність у влаштуванні тимчасових водопропускних споруд або отворів на період будівництва.

Їх називають водопропускними спорудами будівельного періоду (будівельними водоскидами) і досить часто поєднують з експлуатаційними водоскидами або водовипусками.

Класифікація водопропускних споруд проводиться за такими ознаками:

а) за розташуванням вхідних отворів – поверхневі і глибинні. Якщо вхідні отвори споруд розташовуються близько до основи, то їх часто називають донними;

б) за розташуванням відносно русла ріки – руслові, берегові або заплавні;

в) за конструктивними особливостями поперечного перерізу – відкриті (з незамкненим поперечним перерізом), закриті (із замкненим поперечним перерізом), комбіновані, які мають транзитну частину, частково відкриту і частково закриту;

г) за умовами руху потоку в межах споруди – напірні, безнапірні, зі змішаним гідравлічним режимом, коли на довжині споруди режим потоку змінюється;

д) за умовами керування – регульовані (з затворами) і нерегульовані (автоматичні). Автоматичні водоскиди мають деякі переваги перед регульованими; при експлуатації вони не потребують спостереження за зміною рівня води верхнього б'єфа і регулюванням значення скидної витрати. Гребінь водозливного порога розташовується на відмітці нормального підпірного рівня і перелив води проходить автоматично при перевищенні рівня води у водосховищі відмітки водозливного порога.

За розрахункову витрату водоскидних споруд гідровузла береться витрата, яка визначена врахуванням класу споруди, акумулюючої спроможності водосховища і встановлюється гідрологічними розрахунками. Кількість і розміри отворів водоскидних споруд визначаються з умов пропускання максимальної витрати при повному відкритті всіх водоскидних і водоспускних отворів. При цьому необхідно враховувати можливість форсування рівня верхнього б'єфа над нормальним підпірним рівнем [9].

Тип і конструкція водоскидних споруд вибирається на основі техніко-економічного порівняння варіантів з врахуванням: топографічних та інженерно-геологічних умов в створі гідровузла; водогосподарських показників об'єкта; типу греблі і розрахункового напору; умов пропускання будівельних витрат; економічних міркувань.

 

Відкриті берегові водоскиди

Відкриті берегові водоскиди розташовуються на берегах і схилах річкової долини в обхід греблі. Особливість поверхневих водоскидів полягає в тому, що їх вхідні ділянки розташовані на високих відмітках (рис. 5.1).

Шлях руху скидної витрати, який обладнаний спорудами, називається водоскидним трактом. Вісь тракту споруд, що прокладена на місцевості з розбитим на ній пікетажем, називається трасою водоскидного тракту. Вибір траси водоскидного тракту проводиться на основі техніко-економічного порівняння варіантів зврахуванням особливостей рельєфу і геологічної будови берегів. Траса може бути як прямолінійною, так і з криволінійними вставками і проходить на деякій відстані від греблі або частково врізуючись в неї. У випадку, коли траса має поворот, то для забезпечення плавного руху потоку на водоскидному тракті, повинні бути витримані допустимі радіуси повороту осей відповідних споруд. Як правило, на криволінійних ділянках траси рекомендується розташовувати канали, а інші споруди – на прямолінійних. При цьому необхідно, щоб мінімальний радіус заокруглення осі каналу R_min був не менше 5 в_к, де в_к – ширина каналу низом. Вода з водоскидного тракту поступає в нижній б'єф гідровузла, а при відповідних топографічних умовах може бути випущена і в сусідній водотік або понижені ділянки місцевості.

Пропускання криги через водоскидний тракт не передбачається, і тому, щоб не допустити її виходу на водоскидні споруди, перед ними влаштовуються льодозатримуючі пристрої.

Берегові водоскидні канали. При будівництві невисоких гребель з ґрунтових матеріалів (3...5 м) на суходольних балках для водоскиду можна використати природну сідловину. Якщо відмітка поверхні сідловини співпадає з відміткою нормального підпірного рівня у водосховищі, то повеневі витрати будуть скидатися в обхід греблі через сідловину в суміжну балку нижче греблі. Природний дерновий покрив при широкій сідловині буде добре захищати її поверхню від розмиву скидними втратами. В інших випадках на трасі водоскиду створюється штучний канал відповідної ширини, дно якого розташовується на відмітці НПР. Укоси і дно такого каналу закріплюються місцевими матеріалами (камінням, хмизом, фашинами тощо).

Водоскид з лобовим підводом води (фронтальний). Для середніх і великих водосховищ водоскидний тракт розташовується найчастіше біля безпосереднього примикання одного з плеч греблі до берега (рис. 5.1). Для такого водоскиду найбільш підходять пологі береги і широкі тераси. Водоскид складається з п'яти частин: підвідного каналу, регулюючої споруди, з'єднувального каналу, спрягаючої споруди, відвідного каналу.

Підвідний канал має значний поперечний переріз, що дає можливість пропускати витрати навіть при незначних швидкостях руху потоку. Канал проектується, в більшості випадків, трапецієвидного поперечного перерізу, а в плані – має розширення вверх проти течії. Береги окреслюються кривими лініями, але при підході до водозливного порога регулюючої споруди необхідно передбачати прямолінійну вставку, що покращує умови надходження води на поріг водозливу. Проектується канал з горизонтальним дном або із зворотним уклоном. Для збільшення пропускної спроможності необхідно, щоб в каналі були відсутні водоворотні зони і на вхідному порозі регулюючої споруди не виникало значного стиснення потоку, а по ширині водозливу питома витрата розподілялась рівномірно.

При малих швидкостях руху потоку в каналі можна обійтися без кріплення дна і укосів, але на ділянці, яка примикає до водозливного порога, де швидкість руху потоку зростає, кріплення передбачати необхідно. Гідравлічний розрахунок зводиться до визначення параметрів каналу при встановленій його глибині.

Регулююча споруда (регулятор) розташовується нормально до осі водоскидного тракту і влаштовується на прямолінійній його ділянці. Вісь споруди повинна бути ув'язана як в плані, так і в поздовжньому розрізі з проїжджою дорогою, що проходить по гребеню, при цьому міст дороги необхідно розташовувати в межах споруди (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Регулююча споруда відкритого берегового водоскиду: а – поздовжній розріз; б – напівплан (проїжджий міст умовно не показано); 1 – підвідний канал; 2 - понур; 3 – водозливний поріг; 4 – затвор; 5 – службовий міст; 6 – проїжджий міст; 7 – береговий стоян; 8 – проміжна опора (бик); 9 – відвідний канал

 

Відмітка порога регулятора при наявності затворів встановлюється на відмітці дна підвідного каналу, при цьому верх затвора розташовується на відмітці нормального підпірного рівня, а поріг нижче цієї відмітки на 2...4 м. Завдяки такому розташуванню флютбету створюються можливості скидання не тільки повеневих витрат, але й для часткового спорожнення водосховища у випадку необхідності ремонту споруд гідровузла. Конструкція регулюючої споруди з вхідним порогом на рівні дна підвідного каналу аналогічна конструкції відкритого регулятора на каналі.

У випадку проектування водозливного порога без затворів, відмітка порога водозливу встановлюється на відмітці НПР і скидання повеневих витрат проходить автоматично при перевищенні цієї відмітки. Гідравлічні розрахунки проводяться як і для регулятора з затворами. В конструкції автоматичного регулятора відсутні затвори і службові мости.

З'єднувальний канал розраховується на пропуск витрати при середній швидкості потоку, яка дорівнює максимально допустимій для грунтів ложа каналу. Визначення гідравлічних елементів каналу проводиться за залежностями для рівномірного руху потоку. На ділянках, які примикають до регулюючої або спрягаючої споруд, канал необхідно закріпити. Якщо швидкість руху води в каналі буде перевищувати максимально допустиму, то кріплення необхідно влаштовувати по всій його довжині.

При відповідних топографічних умовах з'єднувальний канал може бути відсутнім і в такому випадку вода за регулятором буде надходити безпосередньо на спрягаючу споруду.

Спрягаючі споруди. Тип спрягаючої споруди (швидкотік, багатосхідчастий перепад, консольний перепад) на водоскидному тракті вибирається з врахуванням умов її застосування (уклон місцевості, мінімальні об'єми робіт як при будівництві, так і при підготовці котловану).

Відвідний канал прокладається від спрягаючої споруди до найнижчої відмітки русла водотоку. Відсутність такого каналу може призвести до підмиву кінцевої частини спрягаючої споруди (швидкотоку або перепаду). Якщо спрягаючою спорудою на водоскидному тракті буде консольний перепад, то відвідний канал на водоскидному тракті може бути відсутнім.

Водоскиди з боковим підводом води (траншейний). При значних скидних витратах і крутих схилах долини влаштування фронтального автоматичного водоскиду досить ускладнено, тому що це пов'язано або із значною шириною водозливного порога і водоскидного каналу, або із збільшенням напору на порозі (більше 4м), що підвищило б висоту греблі і, як результат, її вартість. В таких випадках, особливо якщо береги складені скельними або напівскельними породами, вигідно застосовувати траншейні водоскиди. У таких водоскидів водозливний поріг розташовується вздовж горизонталей берегового схилу нормально (або близько до нього) до поздовжньої осі греблі (рис. 5.3) і на ділянці водозливу потік рухається із збільшенням витрати вздовж шляху. З траншеї водний потік надходить в скидний, канал, по якому рухається до спрягаючої споруди і скидається через відвідний канал в тальвег. Головна частина траншейних водоскидів може бути як регульованою, так і нерегульованою (автоматичною).

Вода, яка переливається в скидну траншею, змінює напрямок руху (майже на 90°), створюючи досить складний гвинтовий рух в самій траншеї, паралельний фронту водозливного порога. В зв'язку зі складністю руху води в траншеї, для таких умов рекомендуються тільки наближені методи її гідравлічного розрахунку.

Є. О. Замарін запропонував досить простий спосіб розрахунку траншеї, при якому її розміри попередньо задаються, а потім вони уточнюються. З економічних і експлуатаційних умов вибирається значення перевищення Н повеневого рівня води (ФПР) над нормальним підпірним рівнем (НПР) водосховища.

Довжина водозливного порога визначається з умов руху води через незатоплений або затоплений водозлив

або , (5.1)

де Q – максимальна розрахункова витрата; т – коефіцієнт витрати водозливу; Н – напір на порозі водозливу; φ – коефіцієнт швидкості; h – глибина на порозі водозливу в кінці вхідної ділянки; z – різниця рівнів води у водосховищі і траншеї.

 

Рис. 5.3. Траншейний водоскид: 1 – траншея; 2 – зливний поріг; 3 – скидний канал; 4 – спрягаюча споруда; 5 – відвідний канал; 6 – гребля; 7 – міст

 

Розміри траншеї визначаються за значенням допустимої швидкості. Швидкість руху води в траншеї близька до значення, яке можна знайти за залежністю V = , де z – різниця рівнів води у водосховищі і у відповідному перерізі траншеї. Для розрахунку водозлив бажано розділити на ділянки однакової довжини l (рис. 5.4).

Попередньо задавшись шириною дна траншеї, яка поступово розширюється, можна визначити витрату, яка проходить через відповідний переріз, за залежністю

, (5.2)

де т — коефіцієнт витрати водозливу; х – відстань від торця траншеї до відповідного перерізу.

Глибина води в кожному перерізі визначається за залежністю h = Q_x / в_трV,де в_тр – ширина траншеї низом; V – швидкість руху потоку в даному перерізі.

Гідравлічний уклон визначається за залежністю

, (5.3)

п – коефіцієнт шорсткості, який для попередніх розрахунків становить 0,02; R – гідравлічний радіус.

Знаючи уклон вільної поверхні потоку в кожному перерізі, знаходяться їх середні значення між перерізами і_ср = 0,5(і_п + і_{п+ 1}) і визначаються втрати напору на довжині між ними h_W = i_cpl, де l – відстань між перерізами (довжина ділянки).

Відклавши від площини порівняння, яка проходить через відмітку вільної поверхні потоку на початку траншеї (ох), втрати напору в розрахункових перерізах, отримуємо вільну поверхню потоку по довжині траншеї (рис.5.4). Далі, відклавши від вільної поверхні глибини води в перерізах, отримуємо відповідні точки дна траншеї. З'єднавши плавною кривою ці точки будується обрис дна траншеї. Наведений метод розрахунку є наближеним і тому при проектуванні відповідальних споруд параметри траншейного водоскиду, що отримані в результаті розрахунку, уточнюються на основі результатів їх гідравлічних досліджень в лабораторних умовах.

Рис. 5.4. Схема до гідравлічного розрахунку траншеї

 

Закриті водоскиди

Ковшові і баштові водоскиди. Водоскиди із заглибленими водоскидними трактами застосовуються при греблях, створ яких розташовується в глибоких вузьких ущелинах (міжгір'ях), в скельних або напівскельних грунтах, але окремі їх конструкції рекомендуються для застосування при нескельних грунтах. Їх застосування дозволяє мати широкий фронт земляних робіт, тому що повеневі витрати пропускаються в будівельний період підземними водоводами, які потім стають складовими частинами водоскиду, а також дає можливість зменшувати вартість будівництва у випадках, коли будівництво відкритого водоскиду пов'язане з великими труднощами, які обумовлюються виробничими чи топографічними умовами. Такі водоскиди можуть бути як регульованими, так і автоматичної дії.

В складі закритого водоскиду виділяються такі елементи: вхідна частина у вигляді водозливу; транзитна частина – водовід замкненого поперечного перерізу, заглиблений у грунт нижче денної поверхні; кінцева частина – в її межах розташовано різні пристрої для гасіння надлишкової енергії потоку.

З гідравлічної точки зору вхідна частина може працювати як затоплений або незатоплеиий водозлив (бажано мати непідтоплене витікання, бо тоді довжина водозливного фронту буде меншою). Транзитна частина – трубчастий водовід, який може працювати як в напірному, так і в безнапірному режимах.

До водоскидів із заглибленим водоскидним трактом відносяться ковшові, баштові, сифонні, тунельні, шахтні.

Ковшові водоскиди влаштовуються при невеликих водосховищах, коли значення скидних витрат не перевищують 30...40 м³/с (рис. 5.5). Вхідна частина водоскиду виконується у вигляді водозливу за принципом тонкої стінки або практичного профілю з підходом води з торцевої частини і з боків. Для збільшення довжини водозливного фронту його вхідна частина може мати в плані зигзагоподібну форму. Напір на порозі водозливу Н при водоскидах автоматичної дії вибирається в межах 0,5...0,9 м. Щоб запобігти попаданню льоду у водоскид перед водозливом забирається ряд паль або влаштовується плавуча запань. За водозливним порогом влаштовується ківш, в нижньому кінці якого розміщені вхідні отвори труб, верхні кромки яких заглиблені під рівень води в ковші на 30...50 см, щоб забезпечити напірний режим у водоводі. Водовід виконується з бетонних або залізобетонних труб, які укладаються на підготовку з пісного бетону товщиною 0,3...0,4 м.

Для попередження виникнення контактної фільтрації простір по периметру труб заповнюється глиною, яка ущільнюється, або глинобетоном.

При гідравлічному розрахунку ковшового водоскиду визначається загальна довжина водозливу за залежністю

, (5.4)

де Q – розрахункова витрата; т – коефіцієнт витрати, який встановлюється в залежності від типу водозливу; Н – напір на порозі водозливу.

 

 

Рис. 5.5. Ковшовий водоскид: а – план вхідної частини; б – план гідровузла; 1 - земляна гребля; 2 – скидні труби; 3 – ківш; 4 – направляюча стінка; 5 – водозлив; 6 – кріплення дна; 7 – плавний перехід

 

Для забезпечення спокійного руху води в ковші при пропусканні максимальної скидної витрати, можна застосовувати підтоплене витікання, тоді довжина водозливного фронту визначається із залежності

, (5.5)

де σ_з – коефіцієнт підтоплення.

Визначивши загальну ширину водозливного фронту, знаходиться ширина торцевої і бокових частин водозливу, враховуючи, що ширина торцевої частини повинна бути більшою, ніж ширина вхідного фронту труб. При гідравлічних розрахунках водовідвідних труб площа їх поперечного перерізу визначається за залежністю

, (5.6)

де S – загальна площа поперечного перерізу труб; μ – коефіцієнт витрати; z – різниця рівнів води в ковші і водобійному колодязі в кінці труб.

Ковшові водоскиди знайшли широке застосування при будівництві невеликих водосховищ.

Баштові водоскиди широко застосовуються при спорудженні невеликих і середніх водосховищ в умовах, коли досить слабкі грунти берегових схилів не дають можливість будувати відкриті берегові водоскиди. Крім того, такі водоскиди мають можливість поєднувати функції як водоскидів, так і водоспусків, що робить ці конструкції значно економічнішими в порівнянні з іншими типами водоскидних споруд [6].

В конструктивному відношенні такі водоскиди – це башта круглої, прямокутної або еліптичної форми з горизонтальними відвідними трубами круглого або прямокутного поперечного перерізу. В кінці відвідної труби влаштовується конструкція для гасіння енергії потоку (водобійний колодязь, водобійна стінка тощо) (рис.5.6).

Водозливний поріг башти розташовується на відмітці НПР і скидання витрати відбувається при перевищенні цієї відмітки. Зверху по периметру башти вище НПР може бути встановлена решітка, яка попереджує попадання в башту різного роду плаваючих предметів. Башта може бути бетонною, залізобетонною і розташовуватись в межах верхового укосу грунтової греблі.

В передній частині башти влаштовується камера для затворів, в якій монтуються робочий і ремонтний затвори. При необхідності забирання води для водогосподарських потреб в башті на різних висотах можуть бути влаштовані отвори з випуском води в затворну камеру. В період будівництва водоскид з недобудованою баштою використовується для пропуску будівельних витрат, для чого в передній частині башти розташовується донний отвір або забезпечується підвід води до башти за допомогою труби з підвідного каналу. В подальшому наявність донного отвору або підвідної труби дає можливість повністю або частково спорожнювати водосховище. В спорудах подібного типу необхідно забезпечити надійне ущільнення в деформаційних швах між секціями труб, між баштою і трубами. Для попередження фільтрації на контакті бетонних труб з материковим або насипним грунтом необхідне влаштування вертикальних елементів – виступів в місцях стиків труб, а також спеціальних діафрагм.

Гідравлічний розрахунок баштового водоскиду зводиться до визначення довжини водозливної частини башти, яка забезпечує пропускання заданої витрати при вибраній висоті форсування рівня води у верхньому б'єфі. Розрахунок ведеться за залежністю (5.4).

При визначенні пропускної спроможності відвідної труби необхідно задатись рівнем води в башті дещо нижчим НПР (на 0,2...0,3 м). Після визначення різниці рівнів води в башті і в нижньому б'єфі при пропусканні розрахункової витрати визначається площа поперечного перерізу труби за формулою (5.6).

Рис. 5.6. Баштовий водоскид: 1 – башта; 2 – відвідна труба; 3 – підіймачі затворів; 4 – сміттєзатримуюча решітка; 5 – камера затворів; 6 – труба донного водовипуску; 7 – температурно-осадочні шви; 8 – діафрагми

 

При розрахунках кінцевої частини низьконапірних водоскидів параметри гідравлічного стрибка і розміри водобійних пристроїв визначаються за відомими залежностями.

Сифонні водоскиди мають значну питому пропускну спроможність в порівнянні з іншими закритими водоскидами. В конструктивному відношенні сифонний водоскид має вигляд трубчастого водоводу, вісь якого у вертикальній площині має криволінійний обрис (рис. 5.7). Найвища частина, водоводу, через яку проходить переливання води, називається гребенем (водозливом) сифона. Водозлив сифона розташовується на відмітці нормального підпірного рівня, верхня вхідна кромка сифона (козирок) опущена нижче відмітки НПР на 0,7...1,0 м, щоб попередити захоплювання у водовід повітря і сміття. Вхідна частина сифона повинна бути розширена. В козирку на рівні водозливу розташовуються повітряні отвори, а на внутрішній зливній стінці сифона – носок-відбивач.

Рис. 5.7. Сифонний водоскид при земляній греблі: 1 – гребінь водозливу сифона; 2 – повітряні отвори; 3 – козирок; 4 – вхідний отвір; 5 – носок-відбивач; 6 – відвідна труба

Коли рівень води у верхньому б'єфі піднімається вище рівня водозливу, затоплюються повітряні отвори і, таким чином, порожнина сифона відмежовується від зовнішнього середовища зверху; струмина, яка стікає по водозливу, відкидається носком-відбивачем на протилежну стінку і водяна запона, яка при цьому утворюється, відмежовує порожнину сифона від зовнішнього повітря знизу. Струмина води, яка проходить по водозливу, поступово всмоктує повітря з порожнини і, коли вакуум досягне висоти водяного стовпа, який дорівнює висоті труби над водозливом, відбудеться раптове включення (зарядка) сифона в роботу повним перерізом. Включення сифона відбувається при незначному піднятті рівня верхнього б'єфа над рівнем водозливу в межах 0,15...0,25 м. Тому такі водоскиди рекомендуються на водотоках, на яких швидко наростають повені, при незначній місткості водосховища. Щоб не створювати значної хвилі пуску за сифоном, його утворюють з декількох труб (батарея сифонів), у яких відмітки водозливів, як і повітряних отворів, розташовані з різницею в 5...10 см по висоті. Сифони включаються в роботу послідовно, по мірі зростання рівнів, і також поступово виключаються. Значення вакууму в сифоні при умові відсутності кавітації в трубі повинно бути не більше 8,0...8,5 м водяного стовпа. Після того, як частина води з водосховища буде скинута і рівні верхнього б'єфа знизяться, повітряні отвори в козирку відкриються, в сифон потрапить повітря і він перестане працювати (відбудеться розрядка).

Витрата сифонного водоскиду визначається за залежністю

, (5.7)

де μ – коефіцієнт витрати, який дорівнює 0,65-0,85; S – площа вихідного отвору труби; z₀ – різниця рівнів води верхнього і нижнього б'єфів з врахуванням швидкості підходу.

Типові проекти трубчастих сифонних водоскидів, виконаних у вигляді трубопроводів, що укладені в тіло земляної греблі, застосовуються у випадках, коли перепад між верхнім і нижнім б'єфами складає не більше 6 м (рис.5.8).

Рис. 5.8. Трубчастий сифонний водоскид при земляних греблях (типовий проект): 1 – козирок; 2 – повітряні отвори

 

До переваг сифонних водоскидів необхідно віднести: автоматичні роботи, пропуск значних витрат при малих значеннях форсування рівнів верхнього б'єфа (менша площа підтоплення). До недоліків, які обмежують їх застосування, відносяться: складність експлуатації в періоди низьких температур (можливість замерзання води в повітряних отворах), відносна складність конструкції.