Водосбросы с лобовым подводом воды (фронтальные)
Транзитную часть таких водосбросов можно выполнить в виде быстротока или многоступенчатого перепада.
Транзитная часть в виде быстротока. При ограниченных возможностях формирования уровня в водохранилище, а также в тех случаях, когда топографические условия створа не позволяют развить прямолинейный фронт водосливного порога на достаточную длину, входной части берегового водосброса придают криволинейную, полигональную или лабиринтную (зигзагообразную) в плане форму (рис. 6.4). К этому случаю относится и мексиканский (веерный) тип головной части (рис. 6.5). При использовании регулируемых головных частей, которые, как правило, оказываются на 10...15 % дешевле нерегулируемых, следует учитывать, что: наличие затворов позволяет отказаться от устройства развитой головной части; маневрирование затворами в этих случаях следует осуществлять так, чтобы избежать нежелательных быстрых повышений уровня в нижнем бьефе; в районах с повышенной сейсмичностью следует учитывать возможность заклинивания затворов при сейсмическом толчке, что может привести к переливу через гребень глухой плотины.
Для борьбы с образованием катящихся волн (см. гл. 4.1) применяют различные мероприятия, из которых можно выделить два основных направления: 1) предупреждение волнообразования; 2) ликвидация уже возникших волн специальными устройствами на транзитной или концевой части водосброса. Первое направление применяют при проектировании водосбросов; второе — как на проектируемых, так и на действующих водосбросах. Волнообразование можно предупредить: использованием сужающихся в плане быстротоков (рис. 6.6,о); применением искусственной шероховатости; проектированием струйных быстротоков и быстротоков с безволновыми поперечными сечениями (рис. 6.7, а) и т. д. Ликвидация уже возникающих на транзитной части берегового водосброса катящихся волн достигается применением, например, решетчатых трамплинов и специальных гасителей в кснцевой части или сотовых гасителей на транзитном участке (рис. 6.6,6—г).
Искусственную шероховатость используют для борьбы как с катящимися, так и со стоячими волнами (косые прыжки, прыжки — волны). Усиленная шероховатость (см. рис. 6.4,6) является крайней мерой для управления режимом потока. При достаточно обоснованном назначении плановых очертаний транзитной части (см. гл. 4.2) водосброса и рациональном подборе гидравлического режима его работы в большинстве случаев можно отказаться от применения искусственной шероховатости. К ее недостаткам следует отнести: трудоемкость выполнения отдельных элементов шероховатости; быстрое разрушение этих элементов из-за естественного выветривания, абразивного истирания наносами и механических повреждений; необходимость увеличения высоты боковых стенок из-за уменьшения скоростей и увеличения глубин течения; ухудшение кавитационной обстановки на быстротоке (особенно при значительных скоростях набегания потока на ребра шероховатости) (см. гл. 4.3). Достоинствами искусственной шероховатости считают некоторое облегчение (в случае ее устройства на транзитном участке) условий гашения энергии потока в нижнем бьефе, а также ликвидацию мелких стоячих волн на переходных участках.
При проектировании транзитной части открытого берегового водосброса необходимо учитывать следующее: поворот потока на быстротоке можно выполнить на участках как с бурным, так и со спокойным режимом течения. Поворот бурного потока рассчитывают специальными методами теории управления бурными потоками. Если дно быстротока на повороте имеет поперечный уклон, то поворот называется виражом. Дно виража в поперечном сечении может быть плоским или иметь кривизну. Виражи со значительной двоякой кривизной рассчитывают специальными методами теории управления двухмерными бурными потоками (см. гл. 4.2). Если ось поворота является дугой окружности радиуса, то угол наклона дна виража. Для предотвращения обнажения дна у внутреннего борта обычно угол наклона дна а принимают несколько меньшим, чем для воды Р (см. рис. 4.7,6), то есть (3>а. В широких быстротоках может оказаться целесообразным разделить поток на повороте на несколько частей раздельными стенками;
все переходные участки на трассе быстротока следует выполнять с плавными очертаниями, избегая изломов боковых стенок, приводящих к образованию косых волн;
по условиям устойчивости свободной поверхности и отсутствия стоячих волн, а также поперечной раскачки потока целесообразно проектировать быстротоки либо с прямоугольным поперечным сечением, либо с трапецеидальным, но имеющим крутые откосы бортов (1 :0,5). Сечения с более пологими откосами (т>0,5...2) —рациональные по условиям производства работ и экономии строительных материалов при нескальных грунтах, но они имеют существенные недостатки с точки зрения обеспечения благоприятного гидравлического режима работы транзитной части водосброса;
при существовании вероятности проскока волн из верхнего бьефа (из водохранилища) на транзитный участок водосброса необходимо соответствующим образом вести расчет плит быстротока и крепления концевой части;
бетонные плиты дна и подпорные стенки, образующие быстроток, разрезают деформационными швами (рис.6.8). Перехват поверхностного стока и грунтовых вод, которые при полном или частичном опорожнении быстротока будут вызывать дополнительное боковое и вертикальное давление соответственно на подпорные стенки и плиты дна, осуществляется дренажами, размещаемыми под дном быстротока и в грунте обратных засыпок. При расположении быстротока на набухающих грунтах или на основаниях, склонных к морозному пучению в зимний период, предусматриваются специальные меры (дополнительные дренажи, теплоизоляционные слои, свайные фундаменты, развитые вертикальные элементы подземного контура), обеспечивающие устойчивость и прочность его частей.
Транзитная часть в виде многоступенчатого перепада. При значительных уклонах транзитной части водосброса целесообразно устраивать ее в виде многоступенчатого перепада (рис. 6.9), представляющего ряд горизонтальных участков (ступеней), сопрягаемых вертикальными или наклонными стенками. Длину каждой ступени назначают такой, чтобы падающая на нее с вышележащей ступени струя погасила часть своей энергии в толще потока или донным прыжком и переформировалась в спокойный поток, движущийся к следующей ступени. Скорости потока на ступенях в отличие от быстротока относительно невелики— 2...3 м/с. Число ступеней перепада и соответственно высоту каждой из них (3...5 м) устанавливают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Боковые и сопрягающие ступени стенки перепадов из монолитного бетона отделяют от горизонтальных плит ступеней деформационными швами с устройством в них уплотнений. Для уменьшения давления на боковые стенки грунт вдоль них на ширину призмы обрушения укладывают несколько ниже верха стенок, то есть засыпку не доводят до верха стенок, придавая им форму парапета. При конструировании перепадов необходимо обеспечивать подвод воздуха под свободнопадающую струю. В водосливных водобойных стенках на ступенях следует предусматривать устройство серии отверстий размером 0,1X0,1 м...0,2X0,2 м для опорожнения колодцев во время выключения перепада из работы.
Гидравлический расчет ступеней ведут известными методами, широко освещенными в технической литературе. Для усиления гашения энергии падающих струй на ступенях их дно иногда выполняют с обратным уклоном или устраивают на нем и на вышележащей стенке системы гасителей и расщепителей. Аналогичного эффекта можно достигнуть применением полу- напорных перепадов и перепадов с расщепительными балками (рис. 6.9, б, в).
К достоинствам перепадов следует отнести возможность планового поворота ступеней относительно друг друга, что особенно важно при преодоле- лении трассой водосброса крутых склонов. Недостатки перепадов: их сооружение связано с существенно большими объемами земляных и бетонных работ, чем при устройстве быстротоков; при возведении ступеней отсутствует возможность их расположения выше или несколько ниже уровня грунтовых вод; фильтрационное давление обусловливает значительную толщину плит и подпорных стенок ступеней. Все это удорожает перепад по сравнению с заменяющим его быстротоком. В ряде случаев оказывается целесообразным на одном участке водосброса делать быстроток, а на другом —с большим уклоном — перепад.