Оптимальная компоновка конструкций ковшовых водосбросов малых водохранилищ в условиях Приморского края

Обоснование целесообразности применения ковшовых водосбросов в.

Приморском крае.

В нашей стране существует и постоянно строится большое количество малых водохранилищ. Они служат для водоснабжения небольших населенных пунктов, обводнения и украшения городов и поселков, рекреации, Раз' ведения рыбы, а также — для противопожарных целей.

Малые гидроузлы этих водохранилищ состоят из грунтовых плотив водоспусков, водозаборов и водосбросов [18, 22, 25, 26, 73 и др.].

Существующая учебная и другая гидротехническая литература в следние десятилетия имела, в основном, энергетическую или мелиорат#в ную направленность. Самое большое место в ней занимали плотины вь1С кого напора и почти не рассматривались малые гидротехнические соорУ5* ния.

Это стало причиной появления недостаточно обоснованных конст-, сброрукций и, соответственно, большого числа аварий, чаще всего — вод сов. Малые глухие плотины из грунтовых материалов были более ус вы, чем водосбросные сооружения.

Представляется целесообразным рассмотрение причин этих, а также — разработка более надежной конструкции.

Конструкции сооружений на Дальнем Востоке должны У особенности региона, главные из которых:

1) климатические особенности — частые продолжительные варий, а читывать ясдливые периоды;

2) особенности гидрологического режима рек: чрезвыча^ зимняя межень и внезапные (иногда катастрофические) паводки;

3) неопределенность и пока еще недостаточную обо сейсмического районирования. низкая сНОванность.

Для условий Дальнего Востока больше всего подходят каменно — земляные плотины с грунтовым экраном (рис. В — 1, е) и каменно — набросные с экраном из негрунтовых материалов (рис. В — 1, д). При строительстве этих плотин как во время дождей, так и зимой, можно занять механизмы и строителей возведением низовой каменной призмы, а экран возводить в благоприятные периоды года.

В этом отношении наиболее удобными представляются каменно-набросные плотины с асфальтовым экраном, то есть плотины с наибольшим объемом низовой каменно-набросной призмы и наименьшим объемом работ по возведению экрана [53]. Однако, эти плотины до сих пор на Дальнем Востоке не строились и опыт их строительства и эксплуатации в условиях климата Приморского края пока отсутствует.

Конструкция применяемой глухой плотины частично определяет схему водосброса. Как известно, бетонные стены водосбросов плохо сопрягаются с каменной наброской. В случае сооружения водосбросов в пределах тела указанных плотин пришлось бы, во избежании опасной фильтрации, на некотором участке изменять поперечное сечение глухой плотины, переходя от каменной наброски к глине и суглинку.

Поэтому закрытые или открытые водосбросы, пересекающие тело глухой плотины, не подходят для условий Дальнего Востока. Наиболее желателен береговой водосбросной тракт (рис. В — 2), состоящий из подводящего канала, открытого водосброса и отводящего канала [73]. Из этих же соображений нежелательны на Дальнем Востоке (к сожалению, распространенные) водозаборные сооружения, пересекающие тело глухой плотины.

Сейсмические условия приводят к тем же выводам. Сейсмическое районирование на Дальнем Востоке, как уже указывалось, спорно и недостаточно обосновано. Нельзя с уверенностью сказать, в каких районах сейсмичность составляет 7 баллов и выше, а в каких — 6 баллов и ниже.

Между тем, практика эксплуатации гидроузлов в других сейсмических районах показала следующее.

1. Наиболее устойчивы в сейсмическом отношении каменно-земляные и каменно-набросные плотины.

2. Нежелательно устройство в сейсмических районах водосбросных сооружений, пересекающих тело плотины, из-за возможности отслоения грунта от бетона при сейсме и возникновения опасных путей фильтрации.

3. Желательно устройство открытых водосбросов, которые легче поддаются временному восстановлению непосредственно после сейсма для пропуска воды.

В итоге условия Дальнего Востока определяют большую целесообразность схемы гидроузла рисунка В — 2 (открытый береговой водосброс и береговой водозабор) вместо распространенной схемы В — 3 (водопропускное сооружение, пересекающее тело глухой плотины).

Правда, вторая схема удобна в отношении пропуска строительных расходов воды, которые могут пропускаться через галерею недостроенного водозабора [49]. Однако, в условиях крайне низкой зимней межени на реках Дальнего Востока плотины из каменной наброски можно строить с оставлением прорана, чтобы заделать его поздней осенью или в начале зимы при пропуске меженных расходов воды через временный трубчатый водосброс (с последующей его засыпкой).

Также следует отметить, что водосбросы и водозаборы, пересекающие тело плотины, иногда быстро разрушаются в результате фильтрации воды через бетон (при недостаточном качестве изоляции). На одном таком водозаборе во Владивостоке в результате выщелачивания в течение 25 лет бетон потерял уже 50% прочности. Между тем, капитальный ремонт в данном случае чрезвычайно затруднителен.

Гидрологический режим рек Приморского края определяет целесообразность строительства «автоматических» водосбросов, то есть без затворов. Во время паводка вода свободно переливается через автоматические водосбросы. При этом уровень воды в водохранилище поднимается и затопляются дополнительные площади земель по периметру водохранилищ.

Данная схема удобна при эксплуатации малых водохранилищ: применение затворов, позволяющих регулировать уровень воды и поддерживать его почти постоянным, связано с необходимостью постоянного дежурства обученного персонала и периодической проверкой исправности механизмов подъема. Все это нереально для малых водохранилищ на Дальнем Востоке и потому небезопасно. Дождевые паводки возникают иногда почти внезапно, неисправность затворов и несвоевременный их подъем уже были на Дальнем Востоке причинами аварий. Автоматические водосбросы в последнее время строят даже на сравнительно крупных объектах.

Однако подъем уровней при паводке на автоматическом водосбросе является его существенным недостатком.

Ясно, какое неудобство представляет временный подъем уровней и затопление в пределах городской территории. В сельскохозяйственных населенных пунктах такой подъем приводит к гибели урожая на береговой полосе. Кроме того, подъем и последующее понижение воды нежелательно для нерестилищ рыбы. Поэтому в последнее время получили некоторое распространение водоприемные ковши перед водосбросами (рис. В — 4 и В — 5, В-5а), которые за счет удлинения фронта водослива перед водосбросом позволяют существенно снизить высоту перелива (иногда вдвое и больше) и, следовательно, высоту глухой плотины и площадь временного затопления земель. Были составлены типовые проекты автоматических водосбросов (ТП 820−188, вып. 1, ТП 820−208, ТП 820−210 и ТП 820−222 — водосбросы закрытого типа и ТП 820−4-1, ТП 820−188 вып. 6,7 и ТП 820−221 водосбросы открытого типа) [84, 85].

Однако в литературе вопросы проектирования этих сооружений не освещены, расчеты открытых ковшовых водосбросов с целью определения их основных размеров отсутствуют и типовые проекты составлены на основе лабораторных опытов.

Построенные в Приморском крае по этим типовым проектам ковшовые водосбросы через короткое время полностью разрушились.

Типовые проекты [84, 85] были составлены для разных расходов и напоров. Два общих вида из числа этих проектов показаны на рис. В-6. Оба сооружения запроектированы из сборного железобетона. Один водосбросоткрытый, другой — трубчатый, пересекающий тело глухой плотины. Сборные элементы открытого водосброса имеют небольшую толщинутак, днище ковша запроектировано толщиной 15 см. Для защиты ковша от морозного пучения и предохранения от всплывания под ним предусмотрена укладка песка слоем 1,5 м по полиэтиленовой пленке. На остальном протяжении сооружения для защиты от морозного пучения также предусмотрена укладка песка, таким образом, что общая толщина бетона и песка составляет 1,5 м, то есть в данном случае равна полной глубине промерзания.

Трубчатый водосброс по проекту состоит из раструбных железобетонных труб и ковша из монолитного железобетона.

В результате рассмотрения проектов, а также построенных и разрушившихся сооружений, могут быть сделаны следующие выводы.

1. Применение сборного железобетона на малых водосбросных сооружениях крайне нежелательно. Почти невозможно обеспечить водонепроницаемость большого количества швов сборных элементов, поскольку малые плотины почти всегда сооружаются строительными организациями, не имеющими опыта в гидротехническом строительстве, для которых плотина является лишь случайным объектом. Между тем, плотина — в отличие от других сооружений — может разрушиться в результате недоброкачественного выполнения даже одного ответственного стыка. На построенных водосбросах недоброкачественные стыки были одной из причин аварий.

Поскольку в данное время не производится массовое строительство малых водосбросов в одном каком-либо районе, а эти сооружения рассредоточены по всей территории страны — применение сборного железобетона на водосбросах теряет всякий смысл: нерентабильно проектировать и изготавливать железобетонные элементы только для одного водосброса.

2. Тонкие железобетонные конструкции с небольшим защитным слоем над арматурой не подходят для гидротехнического строительства. На участках быстрого движения воды в результате воздействия взвешенных наносов слой бетона скорее разрушается и сооружение с торчащей обнаженной арматурой делается ненадежным и приобретает крайне неприглядный вид.

3. Включение в водосброс полиэтиленовой пленки в качестве ответственного элемента подземного контура — нецелесообразно. Так, даже незначительный, незамеченный в процессе строительства прорыв пленки может привести к выходу из строя верховой части подземного контура, в результате чего длина подземного контура станет недостаточной для обеспечения фильтрационной прочности грунта в основании водосброса. Прорыв пленки может вызвать подъем ковша и поломку тонкой — 15 см — железобетонной плиты его днища. В Приморском крае на одной из плотин, водосброс которой был построен по указанному типовому проекту, произошла подобная авария (Берестовецкий гидроузел).

4. Неэффективна рекомендуемая типовым проектом шпунтовая стенка малой глубины (2,0 м), которая не обеспечивает достаточного сопротивления фильтрационному потоку.

5. На многих построенных закрытых трубчатых ковшовых водосбросах (рис. В — 6,6, фото 2) наблюдался перелом звеньев железобетонных труб, непосредственно примыкающих к ковшу. Как показали расчеты, это связано с тем, что передающийся на трубы изгибающий момент при осадке ковша, а также момент противоположного направления от действующих на ковш сил морозного пучения существенно превышает значение момента внутренних сил сопротивления в бетоне и арматуре труб. Перелом труб сопровождался сильной фильтрацией и выносом грунта из пазух в трубы фото 4).

Рис. В — 6. Автоматические ковшевые водосбросы по типовым проектам: а — открытыйб — трубчатый. 1 — песок- 2 — монолитный железобетон- 3 — пленка- 4 -сборный железобетонк — ковшш — шпунтв — водобойм — мостоб — открытый быстротоктб — трубчатый быстротокс — сбросгп — глухая плотина.

Фото 1. Прифермская ДОС. Закрытый трубчатый водосброс.

Фото 2. Прифермская ДОС. Примыкание трубы к ковшу. Закрытый водосброс.

4. Практически на всех трубчатых водосбросах в результате неравномерной осадки насыпи глухой плотины нарушены стыки труб. Через эти стыки наблюдалось течение воды как из труб в пазухи, так и обратно (фото 3, 11). Вместе с водой в нижний бьеф через трубы, а также вдоль их наружной стороны выносился грунт засыпки пазух, что иногда приводило к провалу земляной плотины (фото 5, 6, 8, 9, 10,).

5. Под круглыми трубами уплотнить грунт при строительстве очень трудно, а при неопытных в возведении плотин строительных организациях рассчитывать на аккуратность выполнения этой работы не приходится. Поэтому после поднятия напора и намокания грунта под трубами водосброса обеспечено образование продольных фильтрационных ходов вдоль труб ниже их в результате осадки грунтовой засыпки.

Вообще говоря, пересечение круглыми трубами напорной насыпи всегда является рискованным, поскольку трубы делают невозможным равномерную осадку грунта по всей длине, что приводит к нежелательным последствиям.

Все нежелательные явления на водосбросах (кроме провалов земли, фото 6), развиваясь постепенно, длительное время остаются незамеченными. В результате создается впечатление внезапного разрушения водосброса при небольшом паводке и даже при его отсутствии. При авариях вдоль водосбросного тракта возникал проран (фото 5, 6, 9), трубы иногда разбрасывались потоком воды (фото 1, 3, 4), водохранилище опоражнивалось. Если бы нарушение стыков труб и было замечено в начале процесса, приостановить постепенное разрушение при дальнейшей эксплуатации невозможно: ремонт стыков труб осуществим только после раскопки плотины и сброса водохранилища.

При таком качестве проектов было бы очень странно, если построенные ковшовые водосбросы могли бы эксплуатироваться длительное время. И они действительно разрушались, некоторые даже не во время паводков, а в периоды межени.

Фото 3. Стыки труб закрытого водосброса Прифермской ДОС.

Фото 4. Кипарисовский гидроузел. Закрытый трубчатый водосброс. После паводка. 1985 год.

Фото 5. Закрытый трубчатый водосброс после прохождения паводка.

Фото 6. Закрытый трубчатый водосброс. Паводок прошел.

Фото 7. Оголовок Прифермского водосброса. Процесс разрушения начался.

Фото 8. Прифермская ДОС. Оголовок трубчатого закрытого водосброса после паводка.

Фото 9. Железнодорожная ДОС. Закрытый трубчатый водосброс.

Фото 10. Оголовок закрытого трубчатого водосброса После тайфуна.

Фото 11. Фонтанирование воды через трещины внутрь закрытого трубчатого водосброса.

Фото 12. Открытый водосброс. Кононенковскии гидроузел.

Значительный ущерб народному хозяйству от их разрушения был, главным образом, в результате попыток чрезмерного удешевления конструкции (путем применения тонкого железобетона) и за счет неуместного использования сборных железобетонных элементов, а также других ошибок.

Не может быть подвергнута сомнению сама идея ковшового водосброса — автоматический водосброс, эксплуатируемый при наименьшей площади временного затопления земель — сооружение, вполне соответствующее условиям Приморского края.

Однако, для расчета ковша открытого водосброса отсутствует какая-либо методика, между тем, очень трудно каждый проект мелкого водосброса подвергать лабораторному исследованию.

Из сказанного выше можно сделать следующие выводы.

1. Климатические условия строительства плотин из местных материалов в Приморском крае определяют целесообразность применения открытых ковшовых водосбросов.

2. Необходимо разработать рациональную компоновку этих водосбросов надежной конструкции, а также определить основные, конструктивные размеры их частей (ковш и водобой), учитывая выявленные недостатки построенных сооружений и работу ковшей не только как водоприемников, но и как частей всего водосброса (примерная схема которого показана на рис. В-5), участвующего в удержании всего водоподпорного фронта.

Целью настоящей работы является разработка методики компоновки рациональных надежных конструктивных схем ковшовых водосбросов плотин из местных материалов для условий Приморского края.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— разработать критериальные оценки оптимальности конструктивных схем ковшевых водосбросов;

— ввести параметры технической эффективности;

— экспериментально исследовать влияние компоновки на водопропускную способность водоприемного ковша открытого водосброса;

— разработать методику для определения плановых размеров ковшей с учетом требований к верхней и нижней частям;

— показать на примерах использование предлагаемой методики.

Для решения этих задач в основном использованы следующие исход ные материалы.

1. Опыты автора в гидротехнической лаборатории ДальНИИГиМ (пропускная способность и форма ковшей).

2. Материалы обследования построенных 30 водосбросов, выполненного гидротехнической лабораторией с участием автора (установлены недостатки существующих проектов).

3. Материалы опытов и исследований P.P. Чугаева, С. Е. Эльясберга, В. К. Шутько и других авторов (фильтрационная прочность грунтов, гидротехнические расчеты и конструкции, пучение промерзающих грунтов) [30, 31,32, 34,35,36, 52, 57, 69, 72].

Отметим, что ковш, как и весь водосброс, выполняется из армированного гидротехнического бетона. Вопросы, связанные с прочностью отдельных элементов и определением количества арматуры в настоящей работе не рассматриваются.

Некоторые основные вопросы, рассмотренные в настоящей работенаиболее целесообразная схема глухих плотин и водосбросов в условиях Приморского края, наиболее приемлемая компоновка открытых ковшовых водосбросов и методика расчета основных размеров ковшей этих водосбросов — не имеют своей истории в отечественной гидротехнике, то есть практически рассматриваются впервые.

5.5. Выводы.

1. Таким образом, разработанная методика проектирования открытых ковшовых водосбросов позволяет более обоснованно назначать их основные размеры, что дает значительный экономический эффект.

2. Приведенная оценка экономического эффекта с учетом предлагаемой методики позволяет снизить объемы земляных работ и насыпи плотины, а также площади временного затопления земель в месте строительства водохранилищ. В некоторых случаях эти вопросы могут иметь решающее значение при выборе типа водосбросного сооружения.

Заключение

.

Водосброс является сложным и ответственным сооружением гидроузла, поэтому от того, как он запроектирован и построен зависит надежность работы всего гидроузла.

Применение автоматически действующих водосбросов в условиях внезапных и интенсивных дождевых паводков является для малых прудов наиболее простым способом сброса излишних вод. Устройство полигонального или прямоугольного ковша перед сопрягающим сооружением позволяет существенно увеличить водосливной фронт, уменьшить высоту форсированного уровня и, соответственно, снизить отметку гребня глухой плотины.

В выполненной работе рассмотрены вопросы, связанные с компоновкой конструкций головной части открытых ковшовых водосбросов малых водохранилищ в условиях Приморского края.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи.

1. Введен параметр «технической эффективности» — формула (1.13), позволяющий, оценить эффективность ковша и назначить соответствующие размеры.

2. Предложена формула (1.14) для установления границ технической эффективности.

3. Экспериментально исследовано влияние плановой формы водоприемного ковша открытого ковшового водосброса на его водопропускную способность. Установлено опытном путем, что расходная характеристика ковша, а, следовательно, и его размеры практически не зависят от плановой формы ковша.

4. Получена закономерность изменения коэффициента расхода в зависимости от относительной длины водосливного фронта и высоты водосливного порога ковша.

5. Рекомендованы два типа компоновки открытых ковшовых водосбросов и разработаны методики расчета основных размеров их конструкций с учетом требований к плановым и высотным размерам водоприемного ковша, а также требований к подземному контуру водосброса — глубины забивки шпунтов, расстояния между шпунтами, толщины днища ковша — с учетом климатических особенностей Приморского края.

6. Предварительными расчетами показана экономичность рассматриваемых сооружений и предложены поиски решения, когда суммарная стоимость ковша и плотины стремиться к минимуму.

7. Показано на примерах использование предлагаемой методики.