ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ КАНАЛ ИЗ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
HYDROTECHNICAL CHANNEL MADE FROM PRE-FABRICATED REINFORCED CONCRETE MEMBERS

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для возведения и реконструкции лотковых каналов, открытых водосбросов в составе напорных гидроузлов, быстротоков на каналах.
1
2
Известен лотковый канал полигонального сечения [1] с двумя парами откосов: боковыми с заложением m=0.4-1.5, донными с заложением m=2.5-6 и относительной шириной
соответствующей гидравлически наивыгоднейшему сечению (ГНС),
1
где B - ширина лотка по дну, м;
1
h - глубина лотка у подножия боковых откосов без учета запаса превышения бровки над уровнем воды, м.
Недостатками данного технического решения являются сложность возведения железобетонного лотка в нескальных грунтах и истирание его облицовки при высоких скоростных и наносных режимах.
Цель изобретения - снижение трудоемкости строительства гидротехнического лотка и повышение эффективности работы за счет использования сборных типовых блоков и оптимального полигонального сечения.
1
2
Указанная цель достигается тем, что лоток выполняется из трех сборных железобетонных уголковых блоков с равными сторонами и углом на вершине 120-158°, один из которых расположен по центру основания лотка с углом по линии вершины треугольного основания лотка, два других блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с боковыми углами лотка и направлением их нижних сторон по линии донных откосов и верхних сторон по линии боковых стенок лотка, заложение боковых откосов выполнено в пределах m=0-1.5, а заложение донных откосов - m=1.7-5.1, при этом уголковые блоки с двух сторон снабжены арматурными выпусками, которые соединены между собой по линии донных откосов и замоноличены бетоном, недостающие длины до верха боковых стенок лотка армированы и замоноличены бетоном, начиная от места арматурных выпусков блоков. Центральный уголковый блок выполнен из абразивно-устойчивых мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др.
На фигуре 1 изображен железобетонный уголковый блок в аксонометрии; на фигуре 2 показано поперечное сечение лотка, образованное тремя уголковыми блоками; на фигуре 3 - участок лотка в плане.
Лоток состоит из земляной выемки 1 полигонального сечения, сборных железобетонных уголковых блоков 2 с арматурными выпусками 3 с двух сторон, монолитных бетонных вставок 4 между блоками 2 в основании и монолитных бетонных продолжений 5 до верха боковых стенок лотка. Сбоку железобетонных уголковых блоков 2 лотка предусмотрены монтажные петли 6 в прямоугольных пазах.
1
2
1
1
1
2
Сборные элементы (фигура 1) представляют собой железобетонные блоки повышенной заводской готовности уголковой формой с равными сторонами и углом на вершине 120-158°. С двух сторон уголковые блоки снабжены арматурными выпусками. Угол вершины сечения сборных уголковых блоков задается с учетом возможности создания эффективных гидравлических условий протекания воды. Оптимальные наивыгоднейшие значения заложений откосов для лотка лежат в следующих пределах: m=0÷1.5, m=1.7÷5.1. На основе этих условий определен оптимальный угол α вершины сечения блока 2 в пределах α=120÷158°. При α=120° сборный лоток имеет полигональное сечение с вертикальными боковыми откосами m=0, а при α=158° боковые стенки имеют откос с заложением m=1.5. Все эти параметры лежат очень близко к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала. В таблице 1 даются величины угла α и соответствующие им значения коэффициентов заложения откосов лотков m и m для гидравлически эффективного сечения.
Таблица 1
Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков
Угол вершины сечения уголковых плит, α°
Заложение откосов
боковых m<sub>1</sub>
донных m<sub>2</sub>
120
0
1,7
138
0,45
2,5
140
0,58
2,7
145
0,77
3,2
150
1,0
3,7
155
1,3
4,5
158
1,5
5,1
1
2
Как видно из таблицы для сборных лотков, выполненных из уголковых блоков, можно задать пределы заложения боковых откосов m=0÷1.5 и донных m=1.7÷5.1, что позволяет строить лотки оптимального полигонального сечения с необходимыми параметрами для различных эксплуатационных условий.
1
2
Типовые размеры уголковых блоков могут иметь различные значения. При этом стороны блоков должны быть равными l=l, как у равностороннего уголка, в этом случае они легко изготавливаются, монтируются и транспортируются. Данные параметры уголковых блоков 2 (α и l) таковы, что позволяют возводить полигональные лотки с вертикальными и наклонными боковыми стенками и с треугольным основанием из трех блоков одного типоразмера (фигура 2). Уголковые блоки могут быть разбиты на следующие типоразмеры: УБ-10 с размерами сторон по 1 м, шириной 2 м и толщиной 0,12 м; УБ-15 с размерами сторон по 1,5 м, шириной 2 м и толщиной 0,15 м; УБ-20 с размерами сторон по 2 м, шириной 2 м и толщиной 0,15 м. Таким образом, могут быть и УБ-25 и УБ-30, их параметры определяются также из условий изготовления, обеспечения безопасной транспортировки и эффективной технологии монтажа лотка. Центральный сборный уголковый блок в основании лотка в необходимых случаях изготавливают из износостойких материалов (высококачественных мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др.).
1
1
1
2
2
2
Сечение полигонального лотка с двумя парами откосов и треугольным основанием разбито на две части. Характеристики верхней части обозначены через h, ω, m и донной части - h, ω, m. По результатам аналитических исследований для рассматриваемого полигонального лотка получены расчетные формулы по определению его основных гидравлических характеристик.
Относительная ширина β, соответствующая гидравлически наивыгоднейшему сечению (ГНС)
1
где B - ширина по основанию боковых стенок лотка;
1
h - глубина верхней части сечения без учета превышения бровки над уровнем воды;
2
m - заложение донных откосов;
2
α - относительная глубина;
2
h - глубина донной части лотка;
1
m - заложение откосов боковых стен.
Глубина донной части сечения
Площадь живого сечения лотка
Смоченный периметр
Остальные параметры лотка определяются по формулам равномерного (квазиравномерного) и неравномерного режимов движения воды.
Проведенные расчеты показывают, что при одной и той же площади живого сечения ω пропускная способность предлагаемого лотка по сравнению с лотками прямоугольного сечения увеличивается до 10%, а смоченный периметр уменьшается до 20%, соответственно материальные затраты на облицовку уменьшаются. Высота волн на поверхности воды в полигональном лотке более чем в 2 раза меньше, чем высота волн в прямоугольном лотке.
2
1
Для возведения гидротехнического лотка полигонального сечения из сборных железобетонных элементов в начале разрабатывается выемка 1 средствами механизации без доработки сечения вручную, затем производится монтаж железобетонных уголковых блоков лотка 2. Монтаж начинают с укладки центрального (донного) блока в основание лотка так, чтобы вершина его угла совпала с вершиной треугольного основания и с продольной осью лотка, а стороны симметрично лежали по линии донных откосов. После этого укладываются боковые блоки лотка 2 так, чтобы их вершины совпали с боковыми углами лотка с расположением одних сторон блоков по линии донных откосов m, а других по линии боковых стен с заложением m. Донные уголковые блоки жестко связывают с боковыми по арматурным выпускам 3. Армируют промежутки между уголковыми блоками 4 и недостающие до отметок верха участки боковых стенок лотка 5. Промежутки между блоками в основании канала 4 и наращиваемые участки боковых стенок 5 заливают монолитным бетоном. Швы между торцовыми гранями сборных блоков замоноличиваются. Производится засыпка грунтом пазух за облицовкой.
Для строительства каналов большего поперечного сечения заполнение пространства между сборными уголковыми блоками 2 и наращивание боковых стенок 5 может осуществляться сборными железобетонными элементами - плитами. Все сборные элементы жестко свариваются по арматурным выпускам между собой с последующим замоноличиванием швов.
При работе полигонального лотка основные гидродинамические нагрузки потока сосредотачиваются по центру русла. При наличии наносов в потоке и при высоких скоростях происходит интенсивный абразивный износ облицовки. В полигональном лотке этому наиболее подвергается участок дна вдоль вершины треугольного основания, а в предлагаемой конструкции лотка центральный (донный) уголковый блок в основании лотка. Для повышения износостойкости при его производстве необходимо использовать качественные цементы и заполнители из высокопрочных каменных материалов, использовать в качестве крупного заполнителя щебень с повышенной шероховатостью поверхности зерен, использовать щебень мелких фракций для увеличения суммарной площади поверхности крупного заполнителя, уплотнять структуру материала и соблюдать технологию производства. Последние требования говорят о предпочтении использования элементов заводского изготовления, отличающихся высоким качеством. В десятки раз повышают сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов полимерные добавки. Соблюдение всех этих требований для элементов дна облицовки лотка повысит ее износостойкость, а значит, обеспечит сохранение требуемого уровня надежности на длительный срок.
Таким образом, использование однотипных и равносторонних сборных железобетонных блоков уголковой формы с углом на вершине 120-158° позволяет возводить полигональные лотки с параметрами, очень близкими к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам по современным индустриальным высокотехнологичным методам строительства.
Лотки полигонального сечения с вертикальными и наклонными боковыми стенками и треугольным основанием (фигура 2) могут быть наиболее эффективно использованы при строительстве и реконструкции водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростями (>3 м/с) и содержанием большого количества влекомых наносов. Полигональная форма поперечного сечения лотка с абразивно-устойчивым креплением наиболее подверженного участка дна облицовки повышает эффективность работы лотка и снижает материальные затраты на его строительство и содержание.
Источники информации
1. Авторское свидетельство № 1640721, кл. E 02 B 5/00. Гидротехнический канал // Курбанов С.О., Ханов Н.В., М., 1961.