Водовипуски, їх типи, конструкція і гідравлічний розрахунок.

При глухих греблях водовипускні споруди будуються двох видів: 1) водовипуски (водозабірні споруди) для забору води на зрошення, водопостачання та інших цілей і 2) водоспуски, які призначені для часткового або повного спорожнення водосховища.

Розрахункові витрати водовипусків (водоприймачів, водозаборів) визначаються в результаті водогосподарських розрахунків, виконаних з врахуванням графіків водоподачі. При цьому необхідно враховувати, що параметри і відмітки вхідних отворів повинні забезпечувати подачу води споживачам (меліоративна система, система водопостачання тощо) з високою надійністю.

Розрахункова витрата водоспусків вибирається в залежності від заданого періоду експлуатаційного (аварійного, ремонтного) спорожнення відповідної ємкості водосховища. В зв'язку з тим, що водоспускні споруди розташовуються в найбільш понижених ділянках гідровузла, то ці споруди застосовуються для пропуску витрат будівельного періоду, а також для корисних пропусків води з водосховища, промиву верхнього б'єфа від наносів і сміття.

Однією з найбільш поширених конструкцій водовипусків в складі гідровузлів з глухими греблями є трубчасті водоспуски.

В низьконапірних гідровузлах водовипуск можна влаштувати, якщо покласти під греблю, в місці її спряження з схилом балки, металеву трубу. Вкладається вона на щільний природний грунт, а для попередження фільтрації вздовж труби влаштовуються діафрагми з глинистого грунту або бетону. Засувка ставиться, як правило, в кінці труби. Кінцева частина має завжди гасителі в переважній більшості – водобійні колодязі.

В гідровузлах низького і середнього напорів завжди влаштовується баштовий водовипуск. Така конструкція найбільш надійна в експлуатації. Башти трубчастих водовипусків можуть служити не тільки для керування затворами, але досить часто використовуються для забирання води з різних рівнів через щитові отвори, які розташовуються на різній висоті башти і відкриваються в залежності від розташування рівнів води у водосховищі. За місцем розташування башти керування розрізняються водовипуски: з висунутою баштою, яка знаходиться біля підніжжя верхового укосу греблі; з баштою, яка розташована в середній частині верхового укосу; з баштою яка розташована біля гребеня греблі, або в зоні низового укосу. Галереї трубчастого водовипуску є безпосередньо водопропускним трактом або мають всередині трубопроводи для пропускання експлуатаційних витрат.

Вхідна частина трубчастого водовипуску (від вхідного оголовка до камери затворів) в більшості експлуатаційнихвипадків працює в напірному режимі, транзитна і кінцева частини можуть працювати в напірному (у варіанті з трубопроводами – завжди) або в безнапірному. Багаторічний досвід експлуатації показав, що: 1) найбільш раціональним режимом роботи є безнапірний; надійне його забезпечення дозволяє уникати небажаних перехідних режимів, а також полегшує умови роботи стінок галерей і їх ущільнень; 2) напірний режим раціональний при наявності в галереях стальних трубопроводів; галереї в такому випадку використовуються в період експлуатації для ревізії і спостереження за станом роботи трубопроводів; 3) найбільш вигідним є висунуте або частково висунуте розташування башти керування для того, щоб максимально скоротити довжину складної для огляду напірної вхідної частини водовипуску.

У високонапірних гідровузлах влаштування залізобетонної башти пов'язано із значними технічними труднощами, тому можливий перехід до безбаштової схеми.В останньому випадку кожну нитку трубопроводу (або кожну галерею) необхідно обладнати, крім робочого затвора, ще й аварійним та ремонтним. У водосховищах багаторічного регулювання бажано влаштування наскрізної естакади (башти), верх якої розташовується на такій висоті, яка не може підтоплюватися. За допомогою такої естакади можна перекрити шандорами вхідний отвір для огляду і ремонту напірної ділянки водоводу.

Кількість галерей трубчастого водовипуску встановлюється на основі техніко-економічних і гідравлічних розрахунків, але будувати менше двох галерей не рекомендується. При цьому необхідно враховувати всі експлуатаційні вимоги, а також умови пропускання будівельних витрат.

Для попередження попадання у водовипуск льоду, плаваючих предметів, сміття його головну частину оснащують решітками, а також засобами для їх очищення.

Товщина бетонних конструкцій трубчастих водовипусків (стінок, склепіння, днища галерей і башти) визначається на основі статичних розрахунків. При виборі конструктивних розмірів водовипуску також враховується ряд додаткових вимог, які продиктовані експлуатаційними і будівельними міркуваннями: протягом всього періоду служби споруди повинен бути забезпечений прохід по галереї, а також зручні умови для монтажу і демонтажу гідромеханічного обладнання і трубопроводів. Дно галереї повинно мати уклон, який забезпечує пропуск будівельних витрат при безнапірному режимі роботи, а також спорожнення від води у випадках закриття затворів, фільтрації через ущільнення деформаційних швів, розриву трубопроводів або виходу з ладу їх ущільнень.

Водоспуски при земляних греблях, як правило, влаштовуються в тілі греблі і можуть бути відкритими і закритими (трубчастими).

Відкриті водоспуски розташовуються найчастіше в найбільш пониженій частині тальвегу або річки. Для невеликих напорів (в межах 3...4 м) це можуть бути водозливні отвори, що перекриваються затворами, за допомогою яких регулюються витрати, а також повністю спорожнюється водосховище. Такі водоспуски досить поширені в рибоводних господарствах і, в конструктивному відношенні, аналогічні відкритим регулюючим спорудам (регуляторам) на водоскидах з лобовим підводом води.

При водосховищах більших об'ємів і греблях висотою більше 5 м влаштовуються закриті (трубчасті) водоспуски з затворами. В конструктивному відношенні вони аналогічні трубчастим водовипускам або баштовим, тільки поріг розташовано в найнижчій частині тальвегу, а розміри труб підбираються розрахунком з умови забезпечення спорожнення водосховища за заданий (нормативний) термін, який залежить від об’єму водосховища та допустимої швидкості опускання рівня води у верхньому б’єфі. Досить вдале поєднання водоскиду і водоспускної споруди в конструкції баштового водоскиду, запропонованого "Укрдіпроводгоспом". Типові проекти цих конструкцій використовуються при водосховищах з напором 3...15 м.

Гідравлічний розрахунок водоспусків на пропуск будівельної або експлуатаційної витрати, а також на випадок спорожнення водосховища проводиться у відповідності з режимом їх роботи – безнапірним або напірним.

Якщо водовипуск буде працювати в напірному режимі, то для визначення часу спорожнення; водосховища необхідно мати залежності припливу води у водосховище Q = f ₁ (t) (гідрограф) і площі дзеркала від глибини Ω = f (Н). В такому випадку період зниження рівня вільної поверхні віл глибини Н ₁до глибини Н ₂ може бути визначений із залежності

, (5.8)

де Q – приплив у водосховище (величина змінна в часі - Q = f ₁ (t)); S – площа поперечного перерізу відвідної труби; μ – коефіцієнт витрати труби.

Але в зв'язку з тим, що крива Q = f ₁ (t) не описується простою аналітичною залежністю (як і крива Ω = f (Н)), то період спорожнення водосховища визначається методом наближеного інтегрування. Для цього, використовуючи криву залежності Ω = f (Н), весь об'єм спорожнення W, який називається зливною призмою, розбивається на певну кількість частин з висотою ∆Н, значення якої вибирається 0,5 або 1,0 м. При цьому час спорожнення окремої частини зливної призми визначається за залежністю

, (5.9)

де

. (5.10)

Індекси і та і- 1 відповідають номерам кінцевих і початкових напорів Н і площ Ω дзеркала водосховища для даного періоду t_i.

Повний час спорожнення визначається як сума періодів спорожнення окремих частин зливної призми, на протязі яких рівні води у водосховищі падають відповідно від Н ₁, до Н _I; від Н _Iдо Н _II; від Н _IIдо Н _IIIі так далі,

. (5.11)

У випадку, коли приплив води у водосховище відсутній (Q = 0), час спорожнення

. (5.12)

Якщо відомий графік зміни площі дзеркала водосховища в залежності від рівня, то в межах від А до В можна прийняти наближено Ω = f (Н) = сН^п. Тоді час зниження вільної поверхні від рівня Н ₁до рівня Н ₂буде дорівнювати

. (5.13)

Показник степені п і коефіцієнт с в рівнянні Ω = сН^п визначається за залежностями

, (5.14)

; (5.15)

значення Ω ₁ і Ω ₂ знаходяться безпосередньо з графіка для напорів Н ₁ і Н ₂.

Якщо для цього розрахунку скористатися методом наближеного інтегрування, то час спорожнення визначається за формулою (5.11), а кожний окремий період має значення

, (5.16)

де

.