БАССЕЙН ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ С ПЕРЕМЕННЫМ УРОВНЕМ ВОДЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области гидростроительства и может быть использована в конструкциях бассейнов гидротехнических сооружений с переменным уровнем воды, в том числе бассейнов гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС).
Известны бассейны гидротехнических сооружений, представляющие собой емкость для воды, образованную ограждающими конструкциями в виде бетонных подпорных стенок, дамб и т.д. (см., например, патент РФ №2211286 на изобретение, патент РФ №91577 на полезную модель). В плане ограждающие конструкции представляют собой замкнутый контур.
При конструировании таких бассейнов возникает необходимость обеспечения нормативной прочности и устойчивости ограждающих конструкций в условиях давления на них воды, как основных показателей надежности и безопасности их эксплуатации. Обычно указанные показатели достигаются за счет собственного веса ограждающих конструкций и прямопропорциональны ему, т.е. увеличиваются с увеличением расхода строительного материала (бетона, грунта).
Однако бассейны таких гидротехнических сооружений, как ГАЭС, имеют особенность: уровень воды в них переменный. В связи с этим ограждающие бассейн конструкции испытывают различное давление на них воды: от минимального, соответствующего минимальному эксплуатационному уровню воды в бассейне, до максимального, соответствующего максимальному эксплуатационному уровню.
В этом случае для обеспечения нормативной прочности и устойчивости ограждающих конструкций расход строительных материалов на них приходится определять по максимальному эксплуатационному уровню воды в бассейне (максимальному давлению воды на ограждающие конструкции).
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели выбран верхний бассейн Кайшядорской ГАЭС (см. статью Веланишкиса И.М. и Агатова И.О. «Из опыта проектирования и строительства Кайшядорской ГАЭС», Гидротехническое строительство, 1985, №4, с.35). Указанное техническое решение представляет собой бассейн, разница между максимальным и минимальным уровнями воды в котором составляет 13, 5 м. Бассейн образован ограждающими конструкциями, выполненными в виде возведенной по всему периметру водоема железобетонной подпорной стенки уголкового профиля с мощной обратной засыпкой.
Ближайший аналог, равно как и вышеназванные, характеризуется высоким расходом строительных материалов на ограждающие конструкции.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение задачи снижения расхода строительных материалов на ограждающие конструкции бассейна гидротехнического сооружения с переменным уровнем воды при сохранении нормативных показателей надежности и безопасности этих конструкций.
Для достижения указанного технического результата бассейн гидротехнического сооружения с переменным уровнем воды, включающий емкость для воды, образованную ограждающими конструкциями, содержит понтон, установленный на минимальном эксплуатационном уровне воды, при этом ограждающие конструкции соединены с понтоном гибкими связями.
Техническое решение характеризуется также тем, что в качестве гибкой связи может быть выбран трос.
Заявителю не известны какие-либо технические решения, обладающие такой же совокупностью признаков, что и заявляемое. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель удовлетворяет условию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков заявляемого технического решения в совокупности с признаками, общими с прототипом, у заявляемого объекта появляется новое свойство - силовое воздействие воды на ограждающие конструкции компенсируется силой натяжения гибких связей, соединяющих понтон с ограждающими конструкциями. Это новое свойство и позволяет решить поставленную задачу.
Сущность заявляемой полезной модели иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 представлен верхний бассейн ГАЭС, поперечный разрез.
1
1
Бассейн 1 образован ограждающими конструкциями - бетонными подпорными стенками 2. В плане стенки 2 представляют собой замкнутый контур (на чертеже не показан). На минимальном уровне 3 воды в бассейне 1 установлен понтон 4, выполненный в виде трубы большого диаметра. Понтон 4 крепится с помощью субгоризонтальных (почти горизонтальных) тросов 5, один конец каждого из которых закреплен на ограждающей конструкции 2, другой - на понтоне 4. Позицией 6 обозначен максимальный эксплуатационный уровень воды в бассейне 1. Позициями 4 и 5 обозначены соответственно положения понтона 4 и тросов 5 при подъеме уровня воды в бассейне от минимального - 3 до максимального - 6.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
1
1
При подъеме уровня воды в бассейне 1 от минимального эксплуатационного уровня 3 до максимального - 6 нарастает давление воды на подпорные стенки 2. Понтон 4, изначально установленный на минимальном эксплуатационном уровне 3, стремится следовать за повышающимся уровнем воды, однако, будучи привязанным тросами 5 к подпорным стенкам 2, начинает «притапливаться» (4). При этом действующая на него архимедова (выталкивающая) сила P нарастает вплоть до достижения своего максимума при полном погружении понтона 4, после чего остается постоянной. Тросы 5 при подъеме уровня воды в бассейне отклоняются от своего первоначального субгоризонтального положения на угол α (5). Архимедова сила P, действующая на понтон 4, вызывает натяжение тросов 5, закрепленных на подпорных стенках 2. В силу малости угла α архимедова сила P преобразуется в значительное по величине усилие N натяжения тросов 5. Причем сила натяжения N от тросов 5, действующая на ограждающие конструкции 2, направлена в сторону, противоположную давлению воды на эти конструкции, и вследствие этого компенсирует силовое воздействие воды. Величины сил P и N зависят от геометрических размеров понтона 4, то есть от его водоизмещения, поэтому могут изменяться проектировщиком при разработке проекта устройства.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность проектирования ограждающих конструкций на давление воды, соответствующее (приближенное к) минимальному эксплуатационному уровню в бассейне гидротехнического сооружения с переменным уровнем воды в нем, а значит - позволяет понизить расход строительных материалов на указанные конструкции. При этом безопасность ограждающих конструкций при подъеме уровня воды в бассейне сохраняется за счет предложенной системы понтон-тросы.
В общем случае в качестве понтона могут использоваться металлические изделия, выпускаемые промышленностью, например, железнодорожные цистерны, трубы большого диаметра и т.д. Форма поперечного сечения понтона не имеет принципиального значения, хотя, как показывает практика, оптимальная форма понтона - круглая.
Эффективность преобразования архимедовой силы P в усилие N натяжения тросов в зависимости от диаметра понтона (с учетом собственного веса понтона и тросов) иллюстрируется нижепредставленной таблицей. Величины Р и N даны в тоннах на 1 погонный метр длины понтона при расстоянии между ограждающими конструкциями 3-92 м.
N/N
Диаметр понтона, м
Архимедова сила P, т
Сила N натяжения тросов, т
<img file="00000002.tif" he="10" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
2
3
4
5
1
2,0
2,488
28,0
11,25
2
2,5
4,25
40,0
9,1
3
3,0
6,4
50,0
7,8
Следует отметить, что, кроме давления воды, ограждающие конструкции могут испытывать сейсмические нагрузки, если ГАЭС эксплуатируется в сейсмически активном районе.
В этом случае предлагаемая полезная модель за счет системы понтон-тросы обеспечивает также и сейсмостойкость ограждающих конструкций путем ограничения размаха свободных колебаний конструкции.
Предлагаемое изобретение может быть использовано как при строительстве новых, так и при реконструкции действующих гидротехнических объектов.
Для осуществления заявляемой полезной модели могут быть использованы известные строительные материалы и технологии, что, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения условию «промышленная применимость».