Открытый береговой водосброс с прямым отводом воды от входного водослива
На рис. 10.7 показан пример водослива в плане. Отвод воды, прошедшей через этот водослив, может осуществляться: а) в прямом направлении (рис. 10.7, стрелка а); б) в боковом направлении (рис. 10.7, стрелка б). Рассмотрим водосброс, имеющий водослив с прямым отводом воды. Обычно этот водосброс располагают на берегу вблизи плотины. Однако встречаются случаи, когда его устраивают вдали от плотины; такое расположение водосброса выгодно в том отношении, что размывы грунта, возникшие в районе водосброса, не будут опасны для самой плотины. Иногда устраивают два открытых водосброса — на правом и левом бере Рис. 10.7. План водослива с прямым и боковым отводом общем случае при наличии неводом воды. скального грунта водосброс с прямым отводом воды (рис. 10.8) состоит из четырех частей: 1) подходного канала или подходной выемки; 2) водослива в виде входного порога D с соответствующими устройствами за ним для гашения энергии (см. на рис.); 3) отводящего промежуточного канала III, ось которого является продолжением оси подводящего канала (поскольку здесь имеется прямой, а не боковой отвод воды от водослива; 4) сбросного устройства IV, с помощью которого поток отводится в нижний бьеф.
Ось АВ водослива (в плане) следует намечать, сообразуясь с рельефом и геологическим строением местности. Она должна быть увязана в плане и продольном разрезе с проезжей дорогой, про лагаемой обычно по гребню плотины; при этом мост проезжей дороги, как правило, следует намечать в пределах водослива. Длину L0 желательно иметь достаточно большой, чтобы удалить зону возможного размыва, получающегося за водосбросом (см. зону С), от плотины. Только в очень редких случаях трассу водосброса удается запроектировать прямолинейной в плане.
При благоприятных топографических условиях промежуточный отводящий канал (часть III) может и отсутствовать. В этом случае вода, пройдя водослив, будет поступать непосредственно на сбросное устройство и водослив будет являться головной частью сбросного устройства.
Грунт и камень, добытый из выемок водосброса, стремятся использовать для образования тела плотины.
Рассмотрим каждую из указанных выше четырех частей водосброса в отдельности.
1. Подходной канал делают с горизонтальным дном или дном, имеющим обратный уклон. Высотное положение дна канала иногда намечают с расчетом получить при входе в водосливное отверстие уступ высотой с (см. рис. 10.8 и 10.9). Канал в плане проектируют постепенно расширяющимся вверх по течению, причем берега канала очерчивают (в плане) кривыми линиями; при подходе к водосливу в некоторых случаях предусматривают прямолинейную вставку, улучшающую поступление воды на порог водослива.
При проектировании геометрической формы подходного канала (движение воды в котором всегда спокойное), желая получить большую пропускную способность водосброса, стремятся к тому, чтобы: 1) в канале отсутствовали водоворотные области; 2) при поступлении воды на входной порог водослива имело бы место равномерное распределение удельных расходов воды q по ширине водослива, возможно меньшее боковое сжатие потока, нормальное (в плане) направление линий тока к гребню водослива.
Часто в подходном канале скорости оказываются столь малыми, что потерями напора в нем можно пренебречь и считать, что свободная поверхность потока в канале представляет собой гори зонтальную плоскость, расположенную при пропуске расчетного расхода на уровне ФПУ. При этом, как правило, берега и дно канала не покрывают креплением, даже если они образованы легко размываемым грунтом; ограничиваются только креплением дна и берегов в непосредственной близости к водосливу.
При наличии достаточно больших скоростей в канале потери напора hf по длине его устанавливают, руководствуясь обычными зависимостями гидравлики. Если задаться некоторым значением hf, то наивыгоднейшая геометрическая форма канала для hf будет такая, при которой стоимость сооружения окажется наименьшей.
2. Водослив (входной порог) представляет собой водосливную плотину (с затворами или без них) — бетонную или железобетонную. Эту плотину располагают на прямолинейном участке канала; местоположение ее определяется также проезжим мостом. Отметку гребня водослива и ширину его устанавливают, как было пояснено в § 10.4. Эту плотину (водослив) проектируют с учетом следующих основных положений: 1) при пропуске Орасч она должна работать как неподтопленный водослив; причем за ней не должен возникнуть отогнанный гидравлический прыжок; 2) длина ее подземного контура должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить фильтрационную прочность основания плотины.
Дополнительно при проектировании такой плотины (водослива) руководствуются правилами, относящимися к водосливным плотинам. Ограничимся приведением только простейшей схемы бетонного водослива с плоским затвором на гребне (см. рис. 10.9).
3. Отводящий промежуточный канал (случай нескального грунта) проектируют на пропуск (см. § 10.2). Расчет канала ведут по формулам равномерного движения воды. Чтобы в канале не образовалась кривая спада, обусловливающая увеличение скорости v, в конце канала устраивают порог Е (см. рис.
Если промежуточный отво а) дящий канал достаточно короткий, то дно его можно проектировать горизонтальным.
В этом случае канал приходится рассчитывать по формулам неравномерного движения воды. Если длина канала / удовлетворяет, например, условию (30...40)#, то, пренебрегая потерями напора, свободную поверхность воды в нем можно считать горизонтальной.
Высотное положение дна канала назначают с расчетом: а) не подтопить входной порог D (см. рис. 10.8) и б) получить по возможности лучшие условия сопряжения бьефов за входным порогом (а, следовательно, иметь возможно более высокий уровень воды в канале). Учитывая эти условия, пе скала репад Z на входном пороге (см. рис. 10.9) следует назначать равным: а) для входного порога, работающего как водослив с широким порогом б) для входного порога, имеющего вид водосливной стенки практического профиля (см. § 10.4).
Промежуточный канал часто приходится пролагать по косогору. В этом случае ширину канала стремятся задать возможно меньшей: из рис. 10.10 видно, что дополнительная площадь выемки А получающаяся в случае широкого канала (имеющего ширину bi), всегда будет больше, чем дополнительная площадь А2, получающаяся в случае узкого канала (шириной Ь2). В связи со сказанным за входным порогом иногда приходится предусматривать переходной участок—участок сужения русла.
4. Сбросное устройство выполняют в виде быстротока или многоступенчатого перепада; иногда его делают комбинированного типа: на одной части трассы устраивают быстроток, на другой — перепады.
Быстроток представляет собой канал большого уклона, значительно превышающего критический. Поток в пределах быстротока находится в бурном состоянии. Иногда быстроток может иметь большую длину, превышающую, например, 1 км. Быстротоки бывают бетонные, железобетонные и высеченные в скале (без какой либо облицовки). В плане быстротоки делают прямолинейными, так как иначе на повороте быстротока поток будет прижиматься к одному берегу, причем на поверхности потока возникнут нежелательные косые волны, в связи с чем придется повышать борта быстротока. Ширина быстротока по его длине может быть постоянной и переменной. Часто в начале быстротока предусматривают сужение русла до некоторой минимальной ширины.
Различают следующие части быстротока: а) входную, которая образуется порогом Е (см. рис. 10.8), работающим как неподтоп ленный водослив; б) транзитную; в) концевую.
На рис. 10.11, а, б для примера показаны два варианта поперечного сечения транзитной части бетонного быстротока, устроенного в нескальном грунте. Бетонные плиты и стены, образующие такой быстроток, через каждые, например, 10... 15 м должны разрезаться температурноосадочными швами. Иногда для перехвата просочившейся фильтрационной воды под быстротоком или сбоку его устраивают дренаж. Если быстроток располагают в грунте, склонном к зимнему пучению, то этот грунт на глубину промерзания заменяют гравелистым грунтом.
На рис. 10.11,s также для примера показано поперечное сечение железобетонного быстротока на скальном основании.
Концевую часть быстротока можно проектировать: а) без отброса струи от быстротока (рис. 10.12,а, б); здесь в конце быстротока приходится предусматривать устройство соответствующих гасителей энергии (водобойных колодцев, пирсов и т.п.); схема на рис. 10.12, а имеет тот недостаток, что плита, образующая дно быстротока, подвержена значительному противодавлению со стороны грунтовых вод (на рисунке стрелками показан дефицит давления; б) с отбросом струи от быстротока (рис. 10.12, в, г); в этом случае в достаточном удалении от конца быстротока получается воронка (яма) размыва.
Наиболее часто концевую часть быстротока проектируют по схеме на рис. 10.12, в, г. Воронка размыва здесь получается тем мельче, чем меньше удельный расход q воды, сбрасываемой с конца быстротока в нижний бьеф.
Чтобы заставить бурный по ток соответствующим образом расшириться (на othoj сительно короткой длине), прибегают к устройству так называемых рассеивающих трамплинов. Таким трамплинам придают криволинейную форму не только в продольном профиле, но и в поперечном разрезе (рис. 10.13); в результате центробежные силы, возникающие в вертикальной плоскости, совместно с силами тяжести способствуют расширению потока в плане и достижению условия L = const (по длине линии ab). Иногда на трамплинах устраивают особые растекатели, зубья и т. п. Различные выступы, обтекаемые высокоскоростным потоком, могут подвергаться кавитационной эрозии и быстро разрушаться.
Гидравлический расчет быстротоков выполняют по обычным формулам гидравлики. Дополнительно в случае отброса струи приходится рассчитывать глубину воронки размыва. Если быстроток имеет в плане сужения, расширения или повороты боковых стен, то приходится анализировать вопросы возникновения косых волн на свободной поверхности. При достаточно большой длине быстротока приходится интересоваться также вопросом аэрации потока; надо учитывать, что при больших скоростях вода в быстротоке быстро насыщается пузырьками воздуха и в результате в нем движется не вода, а воздуховодяная смесь, причем глубины потока соответственно возрастают. Все эти обстоятельства приходится учитывать при назначении высоты бортов быстротока.
При наличии берега, сложенного достаточно прочной скальной породой, иногда можно отказаться от устройства искусственного быстротока и сбрасывать воду непосредственно по естественному скальному склону берега.
Рис. 10.14. Ступень многоступенчато нала) при этом ось водосбросного перепада. тракта приходится в общем случае намечать (начиная от водослива) криволинейной в плане.
Многоступенчатый перепад, как правило, строят колодезный. Здесь в отличие от быстротока энергия потока по длине сбросного устройства гасится относительно равномерно. Размеры ступеней перепада определяют гидравлическим расчетом. Обычно длина каждой ступени получается по крайней мере в два раза больше высоты стены падения данной ступени.
В случае бетонного перепада конструкцию какойлибо промежуточной ступени его проектируют (рис. 10.14) так, что перепад образуется рядом подпорных стен и плит, причем плиты от стен отделяются соответствующими деформационными швами. Подпорные стены рассчитывают на давление земли; плиты днищ колодцев — на выпор их фильтрационным потоком; для снижения противодавления иногда вдоль перепада делают дренаж.
Отдельные водосливы конструируют так, что с боков под струи, сходящие с них, обеспечивается подвод воздуха (при этом получаем так называемое свободное истечение через водослив). Число ступеней перепада может быть различным; это число устанавливают методом сравнения соответствующих вариантов перепада.
Многоступенчатый перепад можно устраивать при определенных уклонах местности и в случае нескального грунта. Эти перепады применяют только для плотин небольшой и средней высоты. Как правило, более экономичным сооружением является быстроток.