Закрытый водосброс с наклонной штольней
Лекция 6.
6. Закрытый водосброс с наклонной штольней.
Закрытый водосброс с наклонной штольней устраивается в скаль- ных грунтах , когда по топографическим условиям шахтный водосброс оказывается неприемлимым, и состоит из следующих основных частей :
1 - подходная расчистка;
2 - водоприемная часть (водослив);
3 - переходный участок;
4 - безнапорная наклонная шахта-штольня;
5 - криволинейное колено в месте сопряжения штольни с туннелем;
6 - бетонная пробка;
Рекомендуемые материалы
7 - строительный туннель;
8 - отводящий туннель;
9 - концевое устройство.
В связи с тем, что расчеты и конструирование частей 6,8 и 9 водо- сброса аналогичны рассмотренным выше для шахтного водосброса, ниже ограничимся только описанием и расчетами входной части рассматрива- емого водосброса.
Различают два основных вида этой части:
- в виде водослива с боковым отводом воды;
- в виде неподтопленного водослива с прямым отводом воды, имеющего порог в плане прямолинейный или криволинейный, образующий так называемую неполную кольцевую входную воронку.
Такого рода водосливы устраиваются с затворами на гребне или без них.
6.1. Траншейный водосброс.
Траншейные водосбросы ( водосбросы с боковым отводом воды ) относятся к классу береговых. Они устраиваются в составе гидроузлов в сложных геоморфологических условиях, например, при крутых скальных берегах, когда нормальное ( по оси плотины ) расположение водослива требует глубокой врезки в берег. Водослив такого водосброса располагают вдоль берега, вблизи подпорной горизонтали. Перед водосливом устраивается короткая подходная выемка ( расчистка ), которая выполняет функции подводящего канала. За водосливом располагается траншея, куда сливается поток и где он меняет направление вдоль берега. Наличие траншеи позволяет придать водосливу практический профиль с высоким коэффициентом расхода. Траншея переходит в короткий канал и далее в наклонную шахту ( штольню ) и подземный отводящий туннель ( рис.6.1 ).
Рис. 6.1. Траншейный водосброс с туннельным отводом воды.
Завершают траншейный водосброс сооружением для сопряжения потока с нижним бьефом. Режим движения на этом участке может быть как донный, так и поверхностный. В благоприятных условиях ( скальное русло, глубокий нижний бьеф ), когда прогнозируют умеренные размывы и подмывы берегов, безопасные для соседствующих сооружений, возможно сопряжение сбросного потока с нижним бьефом по типу отброса струи с помощью трамплина. Носок трамплина должен отбрасывать поток далеко от плотины, при этом полезно распределять его по возможно большей площади.
6.1.1. Подходная расчистка
Подходная расчистка к водосливу траншейного водосброса обычно короткая, широкая, равная ширине водослива. Глубина выемки, определяющая отметку дна расчистки, влияет на пропускную способность водослива; можно считать приемлемой глубину расчистки с = Н, где Н - напор на водосливе (рис.6.2).
6.1.2. Водослив
Водослив может быть без затворов или с затворами и, соответственно, с быками, служебным мостом и подъемниками.
Наличие подходной выемки ( расчистки ) перед водосливом и траншеи за ним позволяет отнести его к водосливам практического профиля и придать его гребню очертание по координатам Кригера-Офицерова (рис.6.2, табл.4 ) с целью обеспечить высокий коэффициент расхода .
Рис.6.2. Профиль Кригера-Офицерова. Таблица 4
| y/H | 0,0 | 0,2 | 0,3 | 0,5 | 0,8 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 |
| z/H | 0,126 | 0,007 | 0,000 | 0,02 | 0,147 | 0,256 | 0,666 | 1,235 | 1,960 | 2,824 |
Расчетным ( профилирующим ) для очертания водослива является напор Н, соответствующий пропуску максимального расчетного расхода. В сторону верхнего бьефа профиль можно продолжить дугой окружности радиусом r = H/4, переходящей в наклонную прямую.
Расход водослива определяется по формуле:
Q = εσпnbm
H
, (26)
где: n - число пролетов; b - ширина пролета; m - коэффициент расхода; H0 - напор на водосливе с учетом скорости подхода; σп - коэффициент подтопления, ε - коэффициент бокового сжатия .
Как уже указывалось, для обеспечения максимальной пропускной способности водослива глубину С расчистки перед водосливом целесообразно принять равной напору Н. При такой глубине расчистки модуль расхода можно считать равным m ≈ 2,1.
На предварительной стадии проектирования можно принимать:
Н0 ≈ Н, σп ≈ 1,0, ε ≈ 1,0.
При выполнении курсового проекта удобнее всего задаваться напором на гребне водослива порядка Н = 3…5м при УВБ, соответствующем расчетному случаю - основному или поверочному.
Далее определяем удельный расход:
q = mH3/2.
Ширина водосливного фронта:
В = Q / q.
Разбиваем водосливной фронт на n отверстий шириной b каждое, но так, чтобы соотношение между шириной и высотой отверстия находилось бы в пределах b / Н = 2…5. При этом необходимо руководствоваться соображениями, изложенными ниже в соответствии со СНиП 2.06.01-86:
6.1.3.Траншея
Основным принципом проектирования траншеи является возможно малое ее заглубление относительно водослива, не влияющее существенно на его пропускную способность за счет подтопления. Такой принцип способствует выбору экономичной траншеи и избавляет от динамических нагрузок на сооружение.
Особенностью гидравлического режима в траншее является движение в ней потока с возрастающим по длине расходом. Целью расчетов является определение поперечных размеров траншеи и отметок ее дна при заданной длине, равной длине водослива, чтобы полученные размеры не уменьшили пропускную способность водосброса и при этом объем работ по траншее был минимальным.
Гидравлический расчет траншеи и исследование сложного движения жидкости с переменной массой по каналу с изменяющейся площадью живого сечения и уклоном дна, основывается на решении дифференциального уравнения свободной поверхности потока :
+
+ 
, (27) (
где: q = Q/L - удельный расход на единицу длины траншеи; L - длина траншеи, равная длине водослива; U - средняя скорость в расчетном сечении;
ω - площадь текущего живого сечения; С- коэффициент Шези; R- гидравлический радиус. Расчетная схема – рис. 6.3.
Рис. 6.3. Схема к гидравлическому расчету траншеи.
В уравнении ( 27 ) полные потери напора по длине траншеи состоят из потерь на трение
, на изменение скорости
и потерь на "разгон" до скорости V, поступающей с водослива в траншею массы воды 
.
Одним из путей аналитического решения диффференциального уравнения движения в траншее с изменяющимся поперечным сечением, с присоединением расхода вдоль траншеи возможен путь, при котором задан закон изменения средней скорости по длине траншеи. Например, функцией
V =Vкон ( 
)n, (28)
где: Vкон - средняя скорость в конце траншеи; s - расстояние от начала траншеи до рассматриваемого сечения; n - параметр, который может изменяться в пределах 0≤n≤1. Учитывая изложенное, перепишем дифференциальное уравнение ( 27 ) в форме:
 |
(
)
( 
)2n-1 , (29) и, после интегрирования, потери напора между начальным сечением траншеи и сечением, удаленным на х, получаются равными:
Z =()
( )2n (30)
Полные потери по длине траншеи при s=L :
Zl = ()
. (31)
Основные потери напора при этом возникают вследствие изменения скорости вдоль течения и за счет придания такой же скорости массе воды, поступающей в траншею с водослива. Потери напора на трение по длине траншеи малы по сравнению с основными потерями.
На первом этапе расчетов рассмотрим случай поступления расхода в траншею по нормали к ее оси ( W = 0 ). Считая траншею коротким водотоком, у которого потери на трение существенно меньше по сравнению с другими потерями, примем = 0.
Выполним расчет траншеи, определим ее высотное положение, вычислим размеры поперечного сечения, в конкретных условиях оптимизируем проектное решение, задавшись параметром n и скоростью Vкон в конце траншеи.
Из работ кафедры "Гидротехническое строительство" СПбГПУ следует, что затраты по возведению траншеи мало зависят от параметра n. При n = 0,5 объем траншеи близок к оптимальному, примем эти рекомендации и в своих расчетах будем полагать n = 0,5.
В первом приближении скорость в конце траншеи можно получить из анализа уравнения ( 31 ).
Самое высокое положение уровня воды в траншее, без снижения пропускной способности, будет тогда, когда в ее начальном сечении глубина подтопления hп = 0,5Н, а в конце hп = 0. В этом случае полные потери по длине Zкон = 0,5Н. Подставив это значение потерь в формулу ( 31 ), получаем скорость в конце траншеи:
Vкон =1,8 Н0,5 = 2,56 Zкон0,5. (32)
При заданном сбросном расходе Q, длине траншеи L, напоре на водо- сливе Н, скорости в конце траншеи Uкон =1,8 Н0,5, параметре n = 0,5 и уровне воды в начале траншеи 
УВ0 =Гр+0,5Н (рис. 6.3).
Гидравлический расчет траншеи выполняем в табличной форме (табл.5):
Таблица 5
| s/L | |||||
| V = Vкон(s/L)0,5 | Vкон = 1,8 Н0,5 | ||||
| Q = Qкон(s/L) | |||||
| ω = Q/V | |||||
| h = (ω/k)0,5 | k = 1…2 | ||||
| b = kh | |||||
| Z = Zкон(s/L) | |||||
|
|
| ||||
|
|
УВ = По результатам расчета конструируем траншею по типу рис.6.3.
6.1.4. Отводящая часть водосброса.
Отводящая часть траншейного водосброса состоит из переходного участ- ка ( 2 ), штольни (3), отводящего туннеля ( 4 ), в качестве которого зачастую ис- пользуют часть строительного туннеля, и концевого устройства ( 5 ). В месте сопряжения штольни со строительным туннелем устраивается бетонная пробка(6) ( рис. 6.4 ).
Рис. 6.4. Отводящая часть водосброса.
1-траншея; 2 –переходный участок; 3 – штольня; 4 – отводящий туннель; 5 –концевое устройство; 6 - бетонная пробка.
Портал туннеля пристраивается к торцу траншеи через переходный участок сужения, на котором поперечное сечение траншеи переходит в корытообразное сечение туннеля.
На переходном участке поток со спокойным режимом движения воды в траншее ( h > hкр ) должен перейти в свободно падающий ( практически ) бурный поток в туннеле. Переход потока из спокойного в бурный происходит через критический режим движения. На переходном участке необходимо обеспечить критические глубины и скорости. Это позволит выровнять поток по ширине и глубине перед падением его в безнапорный туннель. Переходный участок с критическим режимом позволит лучше организовать поток, обеспечить требуемое наполнение и не допустить захлебывания туннеля в его входном портале.
В начале переходного участка образуется критическая глубина, которую определим из условия, что ширина переходного участка в этом сечении равна ширине траншеи в ее конце. Определим параметры потока в начале переходного участка.
Удельный расход q = Q/bкон.
Критическая глубина hкр = 
.
Скорость V = q / hкр.
Расчеты показывают, что для создания критического режима в самом начале переходного участка возможно образование порога (рис.6.5).
Рис.6.5. Схема к расчету переходного участка.
Порог оказывает благоприятное воздействие на сбрасываемый в траншею расход, особенно при первых открытиях пролетов. Порог создает в траншее бассейн некоторой глубины, который помогает в гашении энергии сбрасываемого расхода и способствует выравниванию сложного потока, выходящего из траншеи на переходный участок.
Профиль дна переходного участка строится по кривой y = 0,48 x1,8.
На входе в туннель, где к кривой дна переходного участка по касательной подходит прямолинейный участок дна туннеля (точка А) 5), глубина потока h должна обеспечивать незатопляемость входного сечения наклонного туннеля высотой t , для чего наполнение туннеля на входе необходимо принимать не более h/t = 0,60…0,65, что обеспечивает требуемую пропускную способность водосброса с учетом аэрации потока.
Гидравлический расчет безнапорной наклонной шахты (штольни) заключается в определении скорости и сжатой глубины hc на ее дне.
Расчеты сжатой глубины hc, глубины h2 в конце туннеля, выбор варианта сопряжения с нижним бьефом и его расчет аналогичны расчетам этих элементов для шахтного водосброса.
Лекция7.
6.2. Водослив с прямым отводом воды.
Закрытый водосброс с наклонной штольней устраивается в скальных грунтах , когда по топографическим условиям шахтный водосброс оказывается неприемлимым, и состоит из следующих основных частей (рис.6.8):
1 - подходная расчистка;
2 - водоприемная часть (водослив);
3 - переходный участок;
4 - безнапорная наклонная шахта-штольня;
5 - криволинейное колено в месте сопряжения штольни с туннелем;
6 - бетонная пробка;
7 - строительный туннель;
Лекция "9 Электропривод типа СП-3" также может быть Вам полезна.
8 - отводящий туннель;
9 - концевое устройство.
Рис.6.8. Схема закрытого водосброса с прямым отводом воды и
с наклонной штольней.
В связи с тем, что расчеты и конструирование частей 5,6,8 и 9 водо- сброса аналогичны рассмотренным выше для шахтного и траншейного водосбросов, ниже ограничимся только описанием и расчетами входной части рассматриваемого водосброса.
