Применение резервных водосбросов в грунтовых плотинах для пропуска паводковых расходов
Целью работы является анализ существующих конструкций водосбросных сооружений и выработка рекомендаций по применению резервных водосбросов в составе речных гидроузлов с грунтовыми плотинами. Для снижения стоимости водосбросных сооружений в ряде случаев в составе гидроузла предусматривают несколько водосбросов: один основной и один или два вспомогательных (резервных). При этом основной водосброс рассчитывают на паводочный расход более частой повторяемости, а резервные - на расход редкой повторяемости. Рассматривается применение резервных водосбросов на примере гидроузлов Эппалак в Австралии и Бокс Бьют в США.
Основной водосброс гидроузла Эппалак выполнен в виде открытого берегового быстротока, который рассчитан на расход повторяемостью 1 раз в 100 лет, а один из резервных водосбросов - на расход повторяемостью 1 раз в 1000 лет, другой - на расход повторяемостью 1 раз в 10000 лет. Дается краткое описание резервных водосбросов с размываемыми вставками, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Также дается описание быстровозводимого резервного водосброса в низконапорных гидроузлах, который представляет искусственный проран трапецеидального сечения, защищенный от размыва покрытием из геомембраны. Одним из основных требований, предъявляемых к резервным водосбросам, является простота конструкции и невысокая стоимость. Для повышения эффективности их работы в составе водосброса могут устраиваться размываемые вставки с отметкой гребня на отметке форсированного подпорного уровня или несколько ниже.
На крупных гидроузлах с грунтовыми плотинами для пропуска паводочных расходов обычно применяют водосбросы большой пропускной способности, которые рассчитывают в зависимости от класса сооружения на максимальные расходы редкой повторяемости с ежегодной вероятностью превышения 1,0-0,01 % [1]. Так, для грунтовых плотин IV класса повторяемость паводочных расходов составляет один раз в 100 лет, а для плотин I класса - один раз в 10000 лет. Стоимость таких водосбросов весьма высока, при этом за весь период эксплуатации водосброс ни разу не будет работать на полную мощность [2, 3]. Поэтому в ряде случаев в составе гидроузла предусматривают несколько водосбросов: один основной, который будет работать достаточно часто, и один или два вспомогательных (резервных), которые будут работать очень редко [2-5]. Как известно, на грунтовых плотинах, которые относятся к глухим, т. е. не допускающим перелива через гребень, для пропуска паводковых вод предусматриваются открытые или закрытые водосбросные сооружения в виде открытого обводного тракта с сопрягающим сооружением (трубчатые, туннельные, шахтные, сифонные и другие). Однако применение одного водосбросного сооружения в составе гидроузла в ряде случаев оказывается недостаточным, следовательно, целесообразно использовать дополнительные или резервные водосбросы.
Целью работы является анализ существующих конструкций водосбросных сооружений и выработка рекомендаций по применению резервных водосбросов в составе речных гидроузлов с грунтовыми плотинами.
Для снижения стоимости гидроузла основной водосброс проектируют на меньшие расчетные максимальные расходы, чем требуют действующие нормы в зависимости от класса плотины [1]. Например, для грунтовых плотин II класса вместо поверочного максимального расхода 0,1 % обеспеченности учитывают расход основного расчетного случая 1,0 % обеспеченности, а для сооружений III класса - расход 3,0 % обеспеченности, для сооружений IV класса - расход 5,0 % обеспеченности. В результате снижения величины расчетного максимального паводочного расхода существенно уменьшаются размеры основного водосброса, а следовательно уменьшается его стоимость. В то же время резервные водосбросы гидроузла проектируют на большие расходы, чем основной водосброс, которые должны соответствовать классу плотины (для II класса - 0,1 %, для III класса - 0,5 % и для IV класса - 1,0 % обеспеченности). Резервные водосбросы стремятся делать простыми и дешевыми. При их работе допускаются повреждения самого водосброса и размывы русла и берегов, что, тем не менее, не должно снизить надежность основных сооружений. Часто в дополнение к водосбросу обычной конструкции используют возможности пропуска части максимального расхода по естественному береговому склону с устройством облегченного крепления или без него. В состав резервного водосброса может быть включена размываемая вставка, которая представляет собой отсыпанную на бетонный порог часть грунтовой плотины, размываемую при подъеме уровня верхнего бьефа до некоторой критической отметки (например, отметки ФПУ или несколько ниже) [4].
Рассмотрим применение резервных водосбросов на примере гидроузлов Эппалак в Австралии и Бокс Бьют в США (рисунок 1) [3].
Основной водосброс гидроузла Эппалак выполнен в виде открытого берегового быстротока с водобойным колодцем, который рассчитан на расход повторяемостью 1 раз в 100 лет (рисунок 1, а). На этом гидроузле применены два резервных водосброса. Первый водосброс имеет отметку гребня, на 1,8 м превышающую отметку НПУ, что соответствует прохождению паводкового расхода повторяемостью 1 раз в 1000 лет (P = 0,1 %). Длина водосливного фронта водосброса составляет 198 м, что обеспечивает наибольшие удельные расходы и позволяет отказаться от крепления отводящего канала. Второй водосброс имеет водосливной фронт длиной 366 м и представляет собой каменную дамбу с гребнем на отметке, превышающей отметку НПУ на 3,7 м, что соответствует условиям прохождения паводкового расхода повторяемостью 1 раз в 10000 лет (P = 0,01 %). Применение такого технического решения позволило вдвое снизить стоимость водосбросных сооружений.
Рисунок 1. Гидроузлы и вспомогательные водосбросы: а - гидроузел Эппалок (Австралия); б - гидроузел Бокс Бьют (США); 1, 5 - резервные водосбросы (второй) с размываемой дамбой («плавкая вставка») и (первый) с выемкой в скале; 2 - основной водосброс; 3 - река; 4 - башенный водоспуск
грунтовый паводковый плотина
Компоновка основных сооружений гидроузла Бокс Бьют включает также основной и резервный водосбросы (рисунок 1, б). Основной бетонный водосброс выполнен ковшовым. Резервный водосброс представляет смываемую перемычку на наклонном бетонном флютбете. Длина перемычки - 135 м, она состоит из 9 секций шириной по 15 м. Каждая секция ограничена с двух сторон бетонными стенками, которые на 1,5 м выше размываемых перемычек.
Гребни перемычек расположены на различной высоте для последовательного их смыва по мере нарастания расхода. Отметки перемычек нарастают от центра к бортам канала с шагом 0,5 м. На низконапорных гидроузлах пропуск паводка редкой повторяемости может частично осуществляться в обход плотины по естественной пойме (рисунок 2) [4]. Особое внимание при таком техническом решении уделяется зоне сопряжения бьефов в месте слияния пойменного и руслового потоков. Для исключения больших размывов эта зона и часть поймы укрепляются каменной наброской. Для защиты плотины от подмыва может устраиваться продольная дамба.
Рисунок 2. Гидроузел с пропуском части расхода в паводок через пойму: 1 - водосброс с низким порогом; 2 - сопрягающая дамба; 3 - пойма; 4 - дорога на пойме, затопляемая в паводок; 5 - направление течения воды на пойме в паводок
Для резервных водосбросов грунтовых плотин известно несколько технических решений с размываемыми вставками, которые защищены авторскими свидетельствами на изобретения и патентами (рисунки 3-5) [6-8].
Рисунок 3. Водосбросное сооружение: 1 - плиты; 2 - бетонные устои; 3 - грунтовая вставка; 4 - бетонный флютбет
Рисунок 4. Резервный водосброс грунтового подпорного сооружения: 1 - размываемая грунтовая вставка; 2 - бетонные устои; 3 - основная плотина; 4 - водосливная стенка; 5 - плита; 6 - водобой с гасителями; 7 - ковш
Наиболее простая конструкция резервного водосброса с размываемой вставкой, которая предложена в авторском свидетельстве № 1209754, представлена на рисунке 3. Она включает размываемую грунтовую вставку в виде секции грунтовой плотины с отметкой гребня ниже, чем у плотины. Грунтовая вставка уложена на бетонный флютбет между бетонными устоями, на которые опирается железобетонная плита, уложенная на верховой откос в зоне волнового воздействия.
При большом паводке, когда пропускная способность основного водосброса становится недостаточной, уровень воды в верхнем бьефе повышается, происходит перелив через грунтовую вставку и ее разрушение до флютбета и между бетонными устоями. Часть избыточного расхода сбрасывается через верхнюю кромку плиты, а часть через отверстие под бетонной плитой после размыва грунтовой вставки. По окончании паводка грунтовая вставка восстанавливается до первоначальных размеров. Использование резервного водосброса подобного типа позволит проектировать основные водосбросы с меньшей пропускной способностью.
Рисунок 5. Резервный водосброс подпорного сооружения: 1 - размываемая вставка в виде грунтовой плотины; 2 - гребень грунтовой плотины; 3 - гребень подпорного сооружения; 4 - подпорное сооружение; 5 - одежда из бетона; 6 - водосливная зигзагообразная стенка; 7 - гребень водосливной стенки; 8 - водонепроницаемые стальные шпунты зетового профиля; 9 - водонепроницаемые стальные шпунты корытного профиля; 10 - защитный слой из бетона; 11 - защитный слой из песчано-гравийного материала
Аналогичное решение приведено на рисунке 4, где дополнительно для повышения эффективной работы за счет уменьшения глубины сработки водохранилища предлагается выполнить водосливную стенку, высота которой меньше высоты вставки. Высота водосливной стенки определяется из уравнения:
где - сбросной расход, м3/с;
- коэффициент расхода стенки, принимаемый равным 0,55;
- ширина вставки, м;
- глубина в верхнем бьефе, м;
- высота водосливной стенки, м.
В конструкции, приведенной на рисунке 5, для повышения интенсивности размыва грунтовой вставки водосливную стенку выполняют зигзагообразной в плане формы с отметкой ее гребня выше отметки гребня грунтовой вставки, но ниже отметки гребня грунтовой плотины.
Общим недостатком перечисленных трех технических решений по устройству резервного водосброса с размываемой вставкой является то, что использование для них бетонных (флютбета и устоев) и шпунтовых элементов (водосливной стенки) требует проведения достаточно сложных и дорогостоящих бетонных и шпунтовых работ.
Кроме того, бетонные конструкции водосброса представляют собой элементы, по контуру которых возможно образование неплотностей и пустот, что приведет к снижению надежности работы грунтовой плотины и в целом гидроузла.
Известна конструкция размываемой грунтовой плотины резервного водосброса, которая предложена в патенте на изобретение № 2011736 (рисунок 6) [9]. Она включает верховую и низовую призмы с откосами, комбинированное противофильтрационное устройство, содержащее наклонную в сторону нижнего бьефа вставку из материала с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы.
Рисунок 6 - Размываемая грунтовая плотина резервного водосброса: 1 - верховая призма плотины; 2 - низовая призма плотины; 3 - верховая грань противофильтрационного устройства в виде экрана; 4 - гребень противофильтрационного устройства; 5 - наклонная вставка; 6 - траншея; 7 - верховая стенка вставки; 8 - низовая стенка вставки; 9 - направление действия гидростатического давления
Недостатком данной конструкции является то, что эффективность резервного водосброса будет зависеть от оползания низовой призмы по наклонной вставке из песка или синтетической пленке. Однако сдвиг низовой призмы будет происходить под действием гидростатического давления и фильтрационных сил в пределах низовой призмы. Поскольку движение фильтрационного потока в грунтовом массиве происходит очень медленно, а силы трения по поверхности сдвига снижаются незначительно, то оползание низовой призмы будет происходить в течение длительного периода. В результате обрушение гребня плотины также будет осуществляться замедленно, что в конечном итоге снижает эффективность размыва грунтовой плотины резервного водосброса.
Рассмотрим конструкцию быстровозводимого водосброса низконапорного гидроузла малого водохранилища, защищенную патентом РФ № 2498007 (рисунок 7) [10].
Рисунок 7. Резервный водосброс грунтовой плотины: 1 - искусственный проран в теле плотины; 2 - защитное покрытие из геомембраны; 3 - приямки в искусственном проране; 4 - пригрузы; 5 - двойное полотнище геомембраны; 6 - гибкие оболочки из геомембраны, заполненные песком; 7 - гасители энергии водного потока; 8 - сварной шов
Резервный водосброс грунтовой плотины представляет собой искусственный проран трапецеидального сечения, в ложе которого с целью предотвращения размыва потоком укладывается защитное покрытие из геомембраны, закрепленной на бровках и со стороны верхнего бьефа с помощью коробчатых габионов, заложенных каменным материалом. Водопроводящая и водобойная части резервного водосброса выполнены в виде лотка с дном из двойного полотнища геомембраны с несовпадающими отверстиями, предназначенными для свободного отвода фильтрационного потока, а также гибких оболочек из материала геомембраны, заполненных песком, образующих стенки водопропускной и водобойной частей, на которых устроены гасители энергии водного потока так же из гибких оболочек.
Отметка порога искусственного прорана устанавливается выше отметки НПУ в водохранилище, но ниже максимальной расчетной отметки ФПУ. Размеры искусственного прорана определяются исходя из обеспечения пропуска максимального расчетного расхода паводка, превышающего расчетную обеспеченность. Для определения необходимой ширины искусственного прорана трапецеидального сечения предложена следующая расчетная формула [11]: