4.3. Расчет и конструирование водосбросного канала с размываемой вставкой

В гидроузлах рекультивационных водохранилищ основное назначение водосброса – обеспечить трансформацию стока половодья в рекультивационный попуск при максимально возможном регулирующем объеме водохранилища. В многоводные годы с расходом воды на пике половодья Q_1% ВП требуется значительная емкость для регулирования (превышающая возможную), либо необходимо основное водосбросное сооружение рассчитывать на пропуск этого расхода с учетом частичной трансформации половодья водохранилищем. Стоимость такого сооружения значительно возрастает. Учитывая, что оно к тому же должно оставаться донным, усложняются и условия эксплуатации при формировании попуска (постоянное маневрирование затворами). Возможно построить ещё один бетонный водосброс в дополнение к донному, но на более высоких отметках порога. Мировая практика [9,16,24] показала, что использование одного – двух резервных водосбросов, которые выполняются в виде незакрепленных водопроводящих трактов с размываемой перемычкой в голове, позволяют решить задачу пропуска в нижний бьеф расходов воды редкой повторяемости (примеры гидроузлов Эппалок в Австралии и Боке Бьют в США). В любом случае, решение принимается только после технико-экономического сравнения конкурирующих вариантов.

Расчетный расход воды резервного водосброса может быть определен после того, как будет установлена пропускная способность основного донного водосброса при НПУ рекультивационного водохранилища (или при ФПУ, если допускается кратковременная форсировка уровня в пределах 0,5…0,7 м).

Q_рез = Q_1% – Q_{сб (НПУ)} . (4.59)

В качестве резервных водосбросов в составе средненапорных гидроузлов могут использоваться участки естественных понижений со стороны верхнего бьефа, имеющие возможность при незначительной форсировке уровня пропустить часть расхода половодья в нижний бьеф гидроузла, береговые водосбросы в виде обводного канала с размываемой перемычкой (рисунок 4.17).

а

б

1 – плотина, 2 – основной водосброс, 3 – резервный водосброс,

4 – размываемая перемычка

Рисунок 4.17 – Схемы компоновок речных гидроузлов с резервными водосбросами: а – с глухой грунтовой плотиной, трубчатым водосбросом и резервным береговым водосбросом с размываемой перемычкой; б – гидроузел с использованием рельефных особенностей верхнего бьефа для резервного водосброса

Расчет водосбросного канала с размываемой вставкой начинается с определения ширины входа в сбросной канал при принятом слое форсировки уровня h_ф = 0,5…0,7 м и назначения отметки порога, фиксирующего глубину размыва перемычки. Гидравлические элементы канала от входного сечения до границы перехода его в сопрягающее сооружение (рисунок 4.18) при фиксированном пороге на отметке НПУ определяются по известным зависимостям гидравлики. Площадь сечения канала вычисляется по расчетной скорости течения воды в канале ( ), которая принимается в зависимости от грунта [11, с. 30].

. (4.60)

Для створа 1 – 1 ширина канала по дну

, (4.61)

где m – заложение откосов канала.

а

б

Рисунок 4.18 – Схемы к гидравлическому расчету сбросного канала

(резервного водосброса): а – план, б – продольный профиль

Для створа 2 – 2 при определении размеров канала вычисляется относительная ширина по формуле:

, (4.62)

глубина:

, (4.63)

ширина по дну b₂ вычисляется по формуле (71) с заменой h_ф на h₂.

Гидравлический уклон в канале вычисляется по средним между двумя створами характеристикам ( ):

, (4.64)

уклон дна канала:

. (4.65)

Если топографические условия не позволяют разместить входной участок с шириной канала по верху B₁ = b₁ + 2m(h_ф +Δh_з), где Δh_з – превышение берм над уровнем воды в канале, то фиксированный порог, а, следовательно, и дно канала в створе 1 – 1 устраивают на отметке, которая располагается ниже отметки НПУ (см. рисунок 4.18,б). В этом случае b₁ (а, следовательно, и B₁) принимается не менее b₁ ≥ 2b₂ и из формулы (4.61) вычисляется новое значение h₁. Отметка фиксированного порога:

Z_фп = Z_ФПУ – h₁. (4.66)

По формуле (4.64) уточняется гидравлический уклон в канале ( ), и отметка дна в сечении 2 – 2 будет равна:

. (4.67)

Размываемая перемычка устраивается над фиксирующим размыв порогом (см. рисунок 4.18, б).

Размываемая перемычка дополнительного водосброса конструируется как песчаная дамба с отметкой гребня плотины, но имеющая в своем теле на отметке ФПУ элементы, провоцирующие её размыв, в виде перевернутых железобетонных лотков, образующих “сквозные полости” (рисунок 4.19,а), или устройств для ускорения размыва перемычки (рисунок 4.19,б). Во втором случае гребень дамбы устраивается на отметке ФПУ.

а

б

Рисунок 4.19 – Размываемые перемычки с устройствами,

провоцирующими размыв: а – использование железобетонных лотков,

б – воронка с проницаемыми стенками