Водобойные устройства

В плотинах на нескальном основании часто назначаются донные режимы сопряжения бьефов. Напомним, что наиболее совершенное гашение энергии потока, про­пускаемого через плотину, при донном режиме получается при на­гоне и затоплении образующегося прыжка. На протяжении длины прыжка требуется мощное крепление русла в виде плиты водобоя. За пределами водобоя крепление русла может быть значительно облегчено.

Из условий затопления прыжка плиту водобоя приходится за­глублять в грунт основания, образуя водобойный колодец.

Отметка поверхности водобоя определяется условия­ми затопления прыжка, когда глубина воды в колодце , где - вторая сопряженная глубина.

При больших удельных расходах, пропускаемых через плотину, получаются и большие заглубления водобоя. Глубину их можно уменьшить постановкой гасителей энергии потока, устройством ком­бинированных колодцев с водобойной стенкой, использовать гаше­ние энергии за счет соударения струй, постановкой растекателей потока. Поэтому выбор отметки водобоя является тех­нико-экономической задачей сравнения вариантов. Из условий по­лучения затопленного прыжка в многопролетных плотинах назначается последовательность открытия водопропускных отверстий плотины и других сооружений узла, называемая схемой маневри­рования затворами.

Схемы маневрирования затворами могут быть различными, в зависимости от типов затворов, типов подъемников. В гидроузлах среднего напора с многопро­летными водосливными плотинами для поднятия затворов используются подвиж­ные козловые краны. Наиболее распространена при этом следующая схема манев­рирования.

Если кран на плотине один, то начиная от середины частично поднимается сначала средний затвор, затем поочередно открываются затворы слева, справа от него симметрично с каждой стороны на ту же величину.

Когда во всех отвер­стиях затворы частично подняты, кран в таком же порядке от середины подни­мает ступенями затворы еще больше. Ступени поочередного поднятия затвора могут быть различными, обычно 0,2-0,3 до 0,5 м. По условиям недопущения подныривания льда под затвор величина его предельного частичного поднятия обычно допускается не более 0,25 высоты затвора, а из условий вибрации в за­висимости от конструкции на 0,5-0,6 высоты. После этого в такой же после­довательности открываются все затворы полностью.

Случаями, требующими наибольшего заглубления водобоя, обычно являются два: первый - когда одно отверстие открыто на первую ступень, остальные за­крыты. Уровень воды в нижнем бьефе, или минимальный, соответствует расходу через ГЭС и другие отверстия гидроузла; второй - все затворы, кроме одного, предельно частично подняты, а один - центральный, открыт полностью. Уровень воды в нижнем бьефе соответствует сумме расходов через ГЭС и через все предельно частично открытые отверстия.

Для каждого последующего этапа маневрирования затворами уровень воды в нижнем бьефе принимается по расходу воды для предыдущего этапа маневри­рования.

Иногда решается обратная задача - какое должно быть открытие затвора, чтобы при заданной глубине колодца гидравлический прыжок был затоплен.

При наличии в плотине кроме водосливных еще и водосбросных глубинных отверстий они открываются после открытия   всех поверхностных   отверстий, так как глубинные водосбросы целесообразнее эксплуатировать при полностью открытых отверстиях. Однако не исключается и частичное открытие, что должно быть предусмотрено конструкцией затвора.

Значительно лучшие условия гашения энергии потока в водобое и растекания потока создаются при использовании для затворов стационарных подъемников, которые применяются обычно при малом (до 5-6) количестве водопропускных отверстий. Они дают возможность равномерно поднимать затворы по всему фронту.

Применение на водосливе опускных затворов также создает лучшие условия для гашения энергии и растекания потока за счет того, что по всему фронту сразу можно равномерно опускать затворы. При необходимости сбрасывать лед все затворы опускаются обычно на глубину 1,5-2,0 м, необходимую для без­опасного прохода льдин, а далее опускаются равномерно по мере необходимости.

Устройство наклонных типов водобоя позволяет при глубоких колодцах не заглублять подошву плотины, что может улучшить эко­номичность решения. Использование гасителей, расположенных на водобойной плите, позволяет уменьшить вторую сопряженную глубину на 7-25% и тем уменьшить глубину колодца.

Расчетами обычно не удается учесть все факторы, влияющие на гашение энергии потока, режим растекания воды за водобоем. Поэтому для крупных плотин этот вопрос обязательно исследуется в гидравлических лабораториях на пространственных моделях с рассмотрением всех возможных случаев маневриро­вания затворами.

Толщина водобоя. Как уже отмечалось, в водобое гасится большая часть энергии водного потока, поэтому его конст­рукции подвержены большим нагрузкам.

Водобой выполняется обычно в виде массивной бетонной плиты. Против истирания поверхности бетона наносами, плавающими те­лами, разрушения вследствие кавитации применяются особо проч­ные бетоны или сталебетон, пластбетон (в обычный бетон добавле­ны синтетические смолы). Толщина высокопрочного материала не менее 0,5 м, а толщина защитного слоя арматуры не менее 20 см. В шве между плотиной и водобойной плитой устраивается гидроизоляционная шпонка (см. рис. 9.1), предохраняющая от вы­носа грунта из основания. Водобойная плита располагается немно­го ниже концевой части плотины - носка; что исключает образо­вание обратного уступа при осадке плотины большей осадки водобойной плиты. В конце водобоя устраивают неглубокий зуб на случай оседания начального участка рисбермы.

Для снятия фильтрационного давления на плиты водобоя под ними практически всегда устраивают плоский дренаж с обратным фильтром. Профильтровавшаяся вода отводится от дренажа колод­цами, с помощью их частично снимается и дефицит давления. Од­нако часто оказывается целесообразным не делать дренажные колодцы на всей площади водобоя или во всяком случае на участке перед гасителями, в начале водобоя, так как через них могут пере­даваться пульсационные воздействия на низ водобойной плиты и дренаж, вызываемые донной струей переливающегося через пло­тину потока.

По водобойным плитам проводятся обычно следующие расчеты: определяют толщину из условий недопущения всплывания, исходя из схем разрезки плиты швами и действующих на них сил армиро­вания, устойчивость на опрокидывание; устойчивость на сдвиг.

Толщину водобоя и его армирование определяют расчетом, она зависит от действующих на него сил, часть из которых теоретиче­ским путем точно не определяется.    Для    крупных сооружений силовые воздействия на водобой следует определять лабора­торным путем для всех возможных случаев от­крытия затворов.

Обычно   за расчетный случай   принимают такой, когда пропускается макси­мальный      паводок,    при нем возникает максималь­ная    величина    дефицита давления.     На    осущест­вленных плотинах при на­порах 20-25 м и удельных расходах 40-45 м³/с тол­щина  водобоя  4-4,5 м. В    качестве     примера рассмотрим случай, когда водобой имеет схему (рис. 9.12). В

 Рис. 9.12   Схема к расчету   толщины водобоя

зависимости от схемы подземного контура на водобой может действо­вать фильтрационное противодавление .

Ордината  отражает сопротивления на выходе фильтрацион­ного потока в нижний бьеф.

Снизу на плиту водобоя будет действовать давление, представ­ленное эпюрой 1-2-3-4, равное , сверху - давле­ние воды на водобойную плиту , представленное эпюрой 5-6-7-3-8-5, и вес плиты G. Разность сил

где - сила взвешивания бетона водобоя и   дефицит давления; - вес 1 м³ воды.

Линия 5-8 ориентировочно обозначает поверхность воды валь­ца. Приближенно , где , - сопряжен­ные глубины прыжка; l - расстояние от начала водобоя до дре­нажных колодцев. При отсутствии дренажных колодцев l- lц. При наличии  гасителей,  водобойной  стенки    коэффициент  затопления прыжка увеличивается, дефицит давления уменьшается. При от­сутствии дренажных колодцев дефицит давления резко увеличи­вается (см. пунктир а-b).

Условие против всплывания водобоя

          (9.6)

где - вес 1 м водобойной плиты;  - вес 1 м³ бетона;.  - пульсационная вертикальная гидродинамическая нагрузка. В точках она весьма значительна, но фазы и значения их не совпадают, поэтому среднее пульсационное давление на пло­щадь водобоя составляет 5-7% от скоростного напора в сжатом сечении.

В ряде случаев необходимо учитывать пульсации волн, перека­тывающихся через гребень, и изменение значения за счет об­разования собственных волн на водобое.

Расчет устойчивости против опрокидывания производят сравне­нием опрокидывающих и удерживающих моментов всех сил отно­сительно низового   ребра водобоя В в целом    или отдельных его плит.

Армирование водобойной плиты в значительной мере конструк­тивно. Имея эпюру действующих сил и реакций, можно определить моменты в вертикальных сечениях плиты и по ним подбирать ар­матуру.
Сдвигу сопротивляется сила трения водобойной плиты по осно­ванию.

Плиты водобоя могут быть цельными или разрезными. Шаг раз­резки по длине (поперек потока) равен обычно длине секции пло­тины. При наличии водобойных устройств ширина водобоя (вдоль потока) сокращается до 0,8 от длины прыжка, при отсутствии гаси­телей она равна 1-1,25 длины прыжка.