РЕЗЕРВНЫЙ ВОДОСБРОС ДЛЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН
RESERVE SPILLWAY FOR EARTH DAMS

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано для обеспечения безопасного пропуска чрезвычайного паводкового расхода в условиях угрозы перелива воды через гребень грунтовой плотины при наличии в составе гидроузла основного водосброса.
Известна размываемая грунтовая плотина резервного водосброса (RU 2011736, 30.04.1994), включающая верховую и низовую призмы с откосами, комбинированное противофильтрационное устройство, содержащие наклонную в сторону нижнего бьефа вставку из материала с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы.
Недостатком вышеприведенного устройства является то, что эффективность резервного водосброса будет зависеть от оползания низовой призмы по наклонной вставке из песка по 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. Кроме того, противофильтрационное устройство в виде экрана будет препятствовать размыву грунтовой плотины резервного водосброса, в результате чего пропускная способность уменьшится, что в свою очередь снизит эффективность, а следовательно, и безопасность сооружения.
Известен резервный водосброс подпорного сооружения (RU 2071527, 10.01.1997), включающий размываемую вставку, выполненную в виде грунтовой плотины с отметкой гребня ниже отметки гребня подпорного сооружения и заключенную с боков и снизу в одежду из неразмываемого материала, гребень грунтовой плотины снабжен водосливной стенкой зигзагообразной в плане формы и водонепроницаемо сопряженной с грунтовой плотиной, причем отметка гребня водосливной стенки расположена выше отметки гребня грунтовой плотины, но ниже отметки гребня подпорного сооружения.
Недостатком данного устройства является сложность в выполнении и недостаточная эффективность срабатывания резервного водосброса за счет размыва вставки в теле плотины, подмыва и опрокидывания.
Известно водосбросное сооружение (SU 1209754, 07.02.1986), включающее размываемую грунтовую вставку, уложенную на бетонный флютбет между бетонными устоями.
Недостатком данного решения является то, что при размыве грунтовой вставки происходит полное опорожнение водоема до бетонного флютбета, что влечет за собой затопление территорий, расположенных в нижнем бьефе сооружения, а отсутствие гасителей энергии водного потока в нижнем бьефе сооружения приведет к размыву отводящего канала.
Известен резервный водосброс грунтовой плотины (RU 2498007, 13.04.2012), служащий для пропуска незапланированного чрезвычайного паводка, не допускающего разрушение плотины и затопление нижележащей территории во избежание экологического и материального ущерба. Технический результат достигается за счет устройства открытого резервного водосброса в гребне земляной плотины в виде искусственного прорана трапецеидального сечения с защитным покрытием его ложа полимерным материалом - геомембраной, удерживаемой со стороны верхнего бьефа и на бровках откосов пригрузами, при этом водопропускная и водобойная части резервного водосброса, расположенные со стороны нижнего бьефа по ширине искусственного прорана, выполнены из двухслойного полимерного материала в виде геомембраны, имеющей несовпадающие отверстия (для отвода фильтрационного потока), уложенного на низовом откосе приваренного к защитному покрытию прорана и пригруженного по краям мягкими оболочками, наполненными песком, образующими стенки водопропускного лотка, а также водобойные элементы (для гашения энергии потока и предотвращения размыва в нижнем бьефе).
Недостатком известного технического решения является то, что оно требует больших трудовых ресурсов в связи со сложностью конструкции (укладка геомембраны, создание мягких оболочек, наполненных песком, крепление их, сооружение мостового переезда, приближенное определение расхода (коэффициент расхода m=0,32÷0,38)), высокая стоимость по его возведению.
Прототипом предлагаемого технического решения является резервный водосброс грунтового подпорного сооружения (варианты) (RU 2573328, 20.01.2016). Технический результат по первому варианту достигается за счет устройства резервного водосброса в теле грунтового подпорного сооружения (например, плотины или дамбы) в виде призмы трапецеидального сечения из легкоразрушаемой грунтовой вставки, защищенной со стороны верхнего бьефа водосливным экраном из геомембраны, расположенной между защитным слоем грунта со стороны верхового откоса и вставкой, находящейся в ложе из водонепроницаемого полимерного материала - геомембраны, которая закреплена на верховом откосе и бровках откосов прорана с помощью железобетонных плит.
Недостатком технического решения, принятого за прототип, по первому варианту является то, что оно требует больших трудовых ресурсов в связи со сложностью конструкции (укладка геомембраны, плит, крепление их, сооружение мостового переезда), высокая стоимость по его возведению. Кроме этого, непонятно зачем находить высоту размываемой вставки, т.к. она известна и не может быть ниже отметки НПУ. Минимальный объем воды для водопользователей тоже известен. Он ограничивается отметкой НПУ и УМО. В качестве грунта размываемой вставки берется грунт, аналогичный телу плотины, а этого делать нельзя (грунтом тела плотины может быть глина, суглинок). К недостаткам можно отнести и то, что он расположен не в борту, а в теле плотины и поэтому требует мощного крепления быстротечной и выходной частей сооружения.
Технический результат прототипа по второму варианту достигается за счет устройства нескольких грунтовых размываемых вставок в виде секций, представляющих собой дамбу или плотину с отметкой верха меньшей, чем у подпорного сооружения, отличающегося тем, что каждая размываемая вставка выполнена в виде призмы трапецеидального сечения, расположенной в водопроводящей части резервного водосброса, где по всему периметру ложа, а также на верховом и низовом откосах устраивается защитное покрытие из полимерной геомембраны, которая заполняется в период строительства грунтом, аналогичным телу плотины, при этом для повышения эффективности сработки размываемых вставок при нескольких секциях водосброса отметка верха размываемых вставок устанавливается: для первой секции - на отметке ФПУ, для второй - на отметке (ФПУ - 0,5 м), для третьей - на отметке (ФПУ - 1,0 м) и так далее, обеспечивая последовательное включение в работу сначала последней секции, затем предпоследней и так далее.
Недостатками данного технического решения, принятого за прототип, по второму варианту является то, что ему присущи признаки первого варианта, а самое главное то, что никто не будет строить несколько резервных водосбросов для сооружения, которое за время эксплуатации может вообще не работать (паводок 1% обеспеченности для плотин IV класса может повториться 1 раз в 100 лет, а срок службы у них 50 лет), к тому же увеличивается стоимость строительства за счет возведения боковых стенок каждого водосброса.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка резервного водосброса для грунтовых плотин при пропуске незапланированного чрезвычайного паводка, не допускающего разрушение плотины и затопление нижележащей территории во избежание экологического и материального ущерба.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности резервного водосброса путем безопасного пропуска чрезвычайного паводка, не допускающего разрушение плотины и затопление нижележащей территории во избежание экологического и материального ущерба.
Технический результат достигается за счет устройства резервного водосброса с размываемой грунтовой вставкой в борту плотины на отметке НПУ. Резервный водосброс состоит из поверхности, фиксирующей размыв, которая может быть прямоугольной формы или в виде трапеции, а материалом может быть бетон или асфальт. Водоводы располагаются внутри размываемой грунтовой вставки, где входная часть водоводов располагается на отметке ФПУ, а выходная - на отметке в зависимости от уклона водовода. Водоводы служат для первоначального размыва подстилающего грунта. В качестве грунта для размываемой грунтовой вставки используется песок.
Гидравлический расчет резервного водосброса с размываемой грунтовой вставкой на отметке НПУ ведется в следующей последовательности.
Вначале определяем расход, пропускаемый резервным водосбросом:
рез
3
где Q - расход резервного водосброса, м/с;
1%
3
Q - поверочный расход 1% обеспеченности, м/с;
вод
3
Q - расход водосбросного сооружения, м/с.
Затем определяются размеры резервного водосброса в зависимости от формы по формулам водослива с широким порогом. При этом глубина на пороге водослива известна, она должна быть меньше разности отметки гребня плотины и отметки НПУ. Ширину для резервного водосброса прямоугольной формы определяем по формуле:
где m - коэффициент расхода;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
Н - напор на пороге водосливе, м.
Ширина резервного водосброса трапецеидальной формы определяется по формуле:
0
где m - коэффициент заложения откоса размываемой вставки.
Для того чтобы размывался песок в водоводе, ему нужно придать соответствующий уклон. Для этого можно воспользоваться формулами промыва камер отстойника [Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика: под общ. ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.]:
пр
где V - скорость промыва наносов, м/с;
0,5
С - коэффициент Шези, м/с;
R - гидравлический радиус, м.
Коэффициент Шези вычисляется по формуле:
где n - коэффициент шероховатости, n=0,0275.
Промывную скорость определяем по формуле:
где ϖ - гидравлическая крупность подлежащих промыву частиц диаметром d, мельче которых в данной смеси содержится 75%, м/с;
пр
h - глубина промыва в водоводе, она будет увеличиваться с повышением уровня, м;
d - средний диаметр промываемых фракций, м;
р - процентное содержание (по массе) наносов в промывном потоке, принимаемое от 2% до 8%.
Продолжительность промыва резервного водосброса можно определить по формуле [Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика: под общ. ред. В.П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.]:
отл
3
где ρ - плотность грунта размываемой вставки, т/м;
3
W - объем грунта в размываемой вставке, м;
пр
2
q - удельный промывной расход, м/с на 1 пог. м;
В - ширина резервного водосброса, м.
Удельный промывной расход определим по формуле:
пр
где Н - глубина на пороге резервного водосброса, м.
Расчет нужно вести послойно, так как уровень воды над размываемым грунтом будет увеличиваться.
Изобретение поясняется фиг. 1, 2: фиг. 1 - схема продольного разреза грунтовой плотины; фиг. 2 - резервный водосброс в теле плотины.
Резервный водосброс для грунтовых плотин может быть расположен в борту плотины или в обход по береговому склону и состоит из: гребня плотины 1; резервного водосброса 2; основного водосброса 3; поверхности, фиксирующей размыв, 4; водоводов 5; песка 6; полости водоводов 7.
Работает резервный водосброс для грунтовых плотин следующим образом. При максимальном паводке, когда основной водосброс 3 не обеспечивает нужную пропускную способность и уровень воды превысит форсированный подпорный уровень, вода начинает поступать в полость водоводов 7 и начинает размывать песок 6 под водоводами. Водоводы 5 начинают опускаться, а вместе с ними оседает и гребень плотины 1 в резервном водосбросе 2, и наступает момент, когда вода начинает переливаться через осевший гребень 1 и размывать вставку до отметки НПУ резервного водосброса 2.