Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Туннельные водосбросы

Туннельные водосбросы широко используют в составе компоновок гидроузлов, располагающихся в узких скальных створах. Целесообразность устройства такого водосброса в каждом конкретном случае зависит от целого комплекса факторов. В общем случае задачу решают на основании технико-экономического сравнения вариантов.

На особо крутых склонах применяют туннельные водосбросы с головной частью, предусматривающей боковой отвод воды, — траншейного типа (рис. 6.14,а). На уположенных участках склона строят водосбросы с лобовым подводом воды к входному сечению туннеля (рис. 6.14,6). При наличии на склоне участков, удобных для размещения кольцевой воронки, устраивают шахтные водосбросы с входной частью в виде вертикальной или наклонной шахты (рис. 6.14, в). Одно из условий применения шахтного водосброса — наличие возможности подключения его к строительному туннелю. Устройство наклонной шахты обычно бывает вызвано отнесением поверхностной воронки от строительного туннеля по топографическим или геологическим условиям. В отдельных случаях всю шахту или часть ее заменяют башней (башенные туннельные водосбросы). Перечисленные туннельные водосбросы относятся к водосбросам с поверхностным водозабором.


Помимо них, существуют водосбросы с глубинным водозабором (рис. 6.15). Такие водосбросы можно устраивать в несколько ярусов; это позволяет осуществлять значительную трансформацию расходов строительных и расчетных паводков, а также одновременное использование их в качестве водовыпусков и водоспусков. При одном и том же повышении уровня воды в водохранилище приращение расхода воды у водосброса с глубинным водозабором меньше, чем с поверхностным, то есть ошибка в прогнозировании расчетного расхода паводка для первого более опасна. Для гидроузлов с глухими грунтовыми плотинами этот факт имеет особое значение, так как перелив через их гребень недопустим. При заглубленном положении входных оголовков затворы водосброса испытывают большое давление, увеличивается сила трения в их опорах, возрастает грузоподъемность механизмов маневрирования затворами. Все это приводит к ограничению глубины местоположения входного оголовка водосброса.


Туннельные водосбросы могут быть напорными или безнапорными. Водосбросы с поверхностным водозабором (с лобовым подводом, с боковым отводом) обычно проектируют безнапорными на всей длине водопропускного тракта. Шахтные и башенные водосбросы, как правило, имеют безнапорный режим на значительной части водосбросного тракта, но бывают и напорными. В водосбросах с глубинным водозабором нередко применяют схему с расположением регулирующих затворов в начальной части туннеля— на некотором удалении от входа (чтобы не устраивать дорогой башни управления). Такое расположение затворов вызывает необходимость предусматривать мероприятия для защиты от кавитации на участке ниже затвора, где имеют место высокие скорости течения. С гидравлической точки зрения затворы эффективнее размещать на концевом участке водосброса, располагая последний выше уровня нижнего бьефа (чтобы не затапливать выходное отверстие). Такая схема позволяет улучшить кавитационную обстановку у затворов, стабилизировать гидравлический режим, допустить наличие поворотов трассы в плане. Однако в статическом отношении эта схема уступает схеме с расположением затворов на начальном участке, так как существенно удорожается обделка, увеличиваются нагрузки на затвор, растет масса затворного узла, ухудшается сопряжение с нижним бьефом, затрудняются условия маневрирования затвором в зимнее время.

Туннельные водосбросы целесообразно проектировать прямолинейными в плане (см. рис. 6.14). Если все же поворот трассы необходим, то его допускается принимать не более 60°, а радиус закругления оси туннеля на повороте — не менее пяти пролетов туннеля в свету (при скоростях потока в туннеле до 10 м/с). При больших скоростях течения в туннеле (более 10 м/с) углы поворотов и радиусы закруглений принимают на основании результатов модельных гидравлических исследований. Начальный и концевой участки криволинейной трассы туннелей проектируют прямолинейными на длину, равную пролету выработки, то есть не менее 6 м. Размеры поперечного сечения туннельного водосброса принимают: в интервале 2... 6 м — через 0,5 м; 6...15 м — через 1 м. Минимальные размеры поперечных сечений в свету: без обделки — ширина 2 м, высота 2,5 м; с обделкой —ширина и высота — 2 м; минимальная площадь поперечного сечения —4 м2. Размеры назначают с учетом возможностей размещения строительного оборудования и правил техники безопасности при строительстве подземных гидротехнических сооружений. Форму И размеры поперечного сечения туннеля следует устанавливать на основе технико-экономического сравнения вариантов. При проектировании водосбросов с траншейной поверхностной головной частью (см. рис. 6.14, а) сохраняются все требования, отмеченные при рассмотрении водосбросов с открытой транзитной частью, и усиливается требование выравнивания поверхности потока при входе на транзитную туннельную часть во избежание возникновения в туннеле частично напорного режима или же необходимости в чрезмерно большом увеличении высоты поперечного сечения туннеля.

При проектировании и расчетах транзитных частей туннельных водосбросов руководствуются следующими рекомендациями:

при нормальных условиях эксплуатации водосброса следует обеспечить устойчивый и гидравлически ясный режим потока — напорный или безнапорный;

допустимость переходного, частично напорного режима должна быть обоснована специальными расчетами и гидравлическими модельными исследованиями;

для водосбросов, работающих в широком диапазоне колебаний расходов и уровней в бьефах, следует выбрать такую схему, при которой на участке до затворов обеспечивается устойчивый напорный режим, а на отводящем участке — устойчивый безнапорный;

устойчивый безнапорный режим обеспечивается одним или несколькими мероприятиями: увеличением вы

соты сечения отводящего участка туннеля или уменьшением высоты отверстий камеры затворов, повышением высоты выходного сечения туннеля по отношению к уровню нижнего бьефа, увеличением уклона дна отводящего участка, подводом воздуха в начало безнапорного участка, односторонним обжатием ствола (в шахтных и башенных водосбросах — см. ниже) перед коленом или относительно резким подъемом свода отводящего туннеля с подачей воздуха в начало безнапорного участка;

возникновение неустойчивого частично напорного режима течения в туннельном водосбросе сопровождается перемещением по туннелю полостей (пробок) воздуха. При этом могут иметь место существенные пульсации давления на туннельные обделки. Плавная «зарядка» и «разрядка» водоподводящего тракта позволяет избежать возникновения частично напорного режима. Для этой цели предусматривается устройство специального входного оголовка (конструкции Н. П. Розанова и Ш. А. Бабукова), обеспечивающего необходимый режим «зарядки» и «разрядки» туннельного водосброса при смене режима расходов (рис. 6.15, б);



длинные безнапорные отводящие участки, характеризуемые отношением длины к высоте туннеля, более 10, и числом Фруда более 10, следует всегда оборудовать устройствами для подачи воздуха в начало безнапорного участка (см. гл. 4.1);

для борьбы с вибрацией и кавитацией затворов и прилегающих к ним участков следует использовать аэрацию пространства за затворами;

облегчить кавитационную обстановку в туннеле и на участках за затворами можно использованием закрутки потока, создаваемой: тангенциальным подводом воды к туннелю; использованием специальных вихревых затворов; использованием закручивающих устройств с плоскими затворами и др. (рис. 6.16,6); эффект от закрутки можно усилить при одновременной закрутке в двух и более туннелях, с последующим сведением этих туннелей к специальным участкам гашения энергии;

облегчить условия гашения потока на концевом участке туннеля можно использованием схемы гашения энергии внутри туннеля с помощью специальных гасительных расширительных камер между двумя бетонными пробками со встроенными в них затворами. Шахтные туннельные водосбросы состоят (рис. 6.17) из подходного участка, воронки, переходного участка, шахты, колена, отводящего туннеля и концевой части. Для создания благоприятных гидравлических условий работы шахты необходимо иметь такую конструкцию подходного участка и входной части водосброса, которая обеспечит поступление потока в шахту без закручивания в плане, вызывающего уменьшение пропускной способности сооружения. Для этого головную часть водосброса оборудуют специальными противоводоворотными устройствами (рис. 6.18) в виде быков и стенок, придавая надлежащее очертание и бортам скальной выемки. Существуют, однако, и водосбросы, у которых специально создается устойчивое закручивание потока при входе его в шахту. Их делают с входной воронкой в виде спиральной камеры, иногда называемой вихревой (см. рис. 6.17, е). Достоинство этих водосбросов заключается в образовании в вертикальной шахте закрученного потока, создающего избыточное положительное давление на ее обделку (отсутствие вакуума). Следует учитывать, что эти водосбросы имеют габаритные размеры большие, чем у обычных шахтных водосбросов, а режим работы колена и отводящего туннеля сложнее в гидравлическом отношении.

Шахтные водосбросы могут быть регулируемыми (с затворами на гребне) (см. рис. 6.17, б, г, 6.19, г) и нерегулируемыми (см. рис. 6.17, а, в, д, е, 6.19,а—в). Большинство существующих шахтных водосбросов построено нерегулируемыми, что в значительной степени связано с трудностью размещения наиболее распространенных типов затворов на криволинейном гребне. При обжатых габаритах входной воронки на ней можно разместить вертикальный цилиндрический затвор. Такой затвор положительно зарекомендовал себя в эксплуатации на водосбросе гидроузла Хамиз (Алжир) (см. рис. 6.19, г) в отличие от более дорогого и сложного опускного цилиндрического затвора гидравлического действия, примененного на гидроузле Оуахи (США) (см. рис. 6. 17,6).

По форме гребня в плане водосливные воронки разделяют на кольцевые— полные (см. рис. 6.17 и 6.19), неполные (см. рис. 6.17, г) и лепестковые («маргаритки») (см. рис. 6.17,6).

Различают также воронки практического обжатого профиля, которые применяют при R:HP<5, где Нр—расчетный напор (см. рис. 6.17, а), и воронки с плоским гребнем (конической вставкой), для которых обычно (см. рис. 6.17, в). Первые могут иметь различные очертания (как безвакуумные, так и вакуумные): параболические, эллиптические и др.; коэффициент расхода для них обычно составляет 0,46...0,49, он зависит от условий подхода и уменьшается с увеличением. Для вторых значение коэффициента расхода существенно ниже — 0,36...0,38. Выбор типа воронки в значительной степени зависит от топографических условий.

Схема шахтного водосброса с вертикальной цилиндрической шахтой (его гидравлический расчет разработан А. Н. Ахутиным и А. И. Севко) представлена да рисунке 6.17, а. Расчет водосброса ведут на напорную работу вертикальней шахты и отводяшего туннеля при расчетном расходе. Такую схему шахтного водосброса не рекомендуется использовать, так как она обладает рядом существенных недостатков: при расходах, меньших расчетного, в зоне А—А сопряжения переходного участка с шахтой возникает значительный вакуум, а в отводящем туннеле возможны неблагоприятные переходные режимы;


Шахты в этом случае остаются практически безвакуумными. Коническая шахта по указанным соображениям рациональна и в случае напорной работы отводящего туннеля при Qp.

Главный недостаток сужающихся книзу шахт — усложнение условий производства работ. Из-за этого в ряде случаев шахту проектируют цилиндрической, но ее выходное отверстие сжимают носком — отклонителем струй (см. рис. 6.19, в), обеспечивая безнапорный режим потока в колене и туннеле. В этом случае работа шахты при Q

В последние годы разработан новый тип шахтных водосбросов с глубоким шахтным колодцем (колодцем-стаканом) (см. рис. 6.17, ж).

Рассмотренные решения по созданию безнапорного режима в туннеле (специальное обжатие сечения водосбросного тракта перед коленом или устройство носка-отклонителя) нашли применение и в современных конструкциях башенных туннельных водосбросов (рис. 6.20, а). Если головная часть туннельного водосброса выполнена в виде башни, переходящей в шахту (рис. 6.20,6), его иногда называют башенно-шахтным.

Концевую часть безнапорных туннельных водосбросов часто устраивают в виде носка-трамплина. В напорных туннельных водосбросах концевую часть оборудуют рабочим затвором (нередко конусным, игольчатым или игольчатым конусно-струйным), располагаемым в конце туннеля.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики