Расчет резервного водосброса для пропуска паводковых расходов

УДК 627.831:531.1/.6 Г. Л. Лобанов

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация

РАСЧЕТ РЕЗЕРВНОГО ВОДОСБРОСА ДЛЯ ПРОПУСКА ПАВОДКОВЫХ РАСХОДОВ

Цель исследований - разработка методики расчета основных параметров прямоугольного резервного водосброса для пропуска паводковых расходов редкой повторяемости для плотин IV класса, позволяющей определить время включения его в работу полным сечением. Для снижения стоимости основного водосбросного сооружения применяют резервные водосбросы. Резервные водосбросы должны быть просты в конструктивном отношении и обладать невысокой стоимостью. В состав резервного водосброса может быть включена размываемая вставка, представляющая собой отсыпанный на бетонный порог грунт, который размывается при подъеме уровня воды в верхнем бьефе до критической отметки форсированного подпорного уровня (ФПУ). Сбрасываемый поток воды может быть направлен в нижний бьеф по естественному понижению или разработанной выемке, которые могут быть защищены от размыва в зависимости от прогнозируемых последствий прохождения паводка. В статье рассмотрена конструкция резервного водосброса с размываемой вставкой, которая проста в изготовлении, состоит из прямоугольной или трапецеидальной поверхности, фиксирующей размыв, ее материалом может быть бетон, асфальт и т. д. Внутри водосброса на некоторой критической отметке располагаются водоводы прямоугольной или иной формы для начала размыва подстилающего грунта. При разработке методики расчета основных параметров резервного водосброса с размываемой вставкой использовались общепринятые методы гидравлического расчета водосливов, а также метод гидравлического расчета отстойника. Для апробации методики в статье рассмотрен поясняющий особенности расчета основных параметров резервного водосброса пример, в котором ширина водосброса составляет 3,0 м, промывная скорость - 2,1 м/с, удельный расход - 1,05 м2/с и время его включения (размыва) в работу - 47,9 мин. Разработанная методика расчета позволяет определить основные параметры резервного водосброса и время включения его в работу полным сечением.

Ключевые слова: резервный водосброс, плотина, удельный расход, промывная скорость, гидравлический радиус, уклон, гидравлическая крупность, паводок.

G. L. Lobanov

Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems, Novocherkassk, Russian Federation

CALCULATION OF RESERVE SPIIWAY FOR PASSING FLOOD DISCHARGES

The purpose of research is the development of calculation methods of main parameters of rectangular reserve spillway for passing rare flood discharges for Class IV dams, allowing determining the time of its full cross-section inclusion in a work. Reserve spillways are used to reduce the cost of the main spillway. Reserve spillways should be simple structurally and low cost. The composition of the reserve spillway may include the scoured insert, which is a disposed on the concrete sill spoil, eroded by water level rising in the upstream up to the

highest water level deadline (HWL). Discharged water flow may be directed downstream by natural degradation or worked out cut, which can be protected from erosion depending on predicted consequences of flood passing. The article describes the design of reserve spillway with the scoured insert, which is simple to manufacture and consists of a rectangular or trapezoidal surface which fixes washout; its material may be concrete, asphalt, and so on. Inside the spillway at some critical point there are rectangular or another shapes watercourses for the start of subsoil washing out. In developing the calculation methods of the basic parameters of the reserve spillway with scoured insert conventional methods for the hydraulic calculations weirs, as well as the method of hydraulic calculation of spillways were used. To test the method, the article describes an example explaining the peculiarities of calculation of reserve spillway main parameters in which the width of the spillway is 3.0 m, the flushing velocity is 2.1 m/s, the specific consumption is 1.05 m2/s and the time of its inclusion (washing out) in work is 47.9 minutes. The method of calculation allows determining the main parameters of the reserve spillway and the time of its inclusion by total cross section in work.

Keywords: reserve spillway, a dam, flow intensity, flushing velocity, hydraulic radius, slope, median fall diameter, flooding.

Введение. Безопасная работа гидротехнических сооружений во многом зависит от оперативного и качественного решения вопроса пропуска через гидроузел весеннего половодья, максимальный расход которого рассчитывается при проектировании [1]. Для грунтовых плотин IV класса производится расчет основного (5 %) и поверочного (1 %) расхода водотока, то есть максимальный паводок пройдет один раз в 100 лет, в то время как срок эксплуатации таких плотин составляет 50 лет (то есть за время эксплуатации такого паводка может и не быть) [2-4]. Поэтому для сокращения стоимости водосбросного сооружения применяют резервные водосбросы. В результате снижения величины расчетного максимального расхода паводковых вод для основного водосброса существенно сокращаются его размеры, следовательно, уменьшается его стоимость. В то же время резервный водосброс гидроузла проектируется на расход Q м /с [5]:

Q-рез = Q1% _бвод.,

где Qj% - поверочный расход 1 % обеспеченности, м3/с;

Q^ - расход основного водосбросного сооружения, м3/с.

Резервные водосбросы стремятся строить конструктивно простыми, дешевыми и по возможности использовать для этого пойму реки, местные понижения рельефа или береговые каналы. Резервный водосброс может

устраиваться как в теле грунтовой плотины, так и вне ее. Размещение резервного водосброса во многом определяется рельефом местности. Часто в качестве резервного используют водосброс по естественному береговому склону с устройством облегченного крепления или без него [5]. В состав резервного водосброса может быть включена размываемая вставка, представляющая собой отсыпанный на бетонный порог грунт, который размывается при подъеме уровня воды верхнего бьефа до некоторой критической отметки (например, ФПУ). Сбрасываемый поток воды может быть направлен в нижний бьеф по естественному понижению или разработанной выемке.

Расчетная схема резервного водосброса с размываемой вставкой приведена на рисунке 1. Он может располагаться в теле плотины или в обход ее по береговому склону. Резервный водосброс 2 состоит из поверхности, фиксирующей размыв 4, прямоугольной формы (или в виде трапеции, как в работе [6]), выполненной из бетона, асфальта и т. п.; водоводов 7, входная часть которых располагается на отметке ФПУ, а выходная - в зависимости от уклона водовода. В качестве материала для размываемой вставки можно использовать песок из ближайшего карьера. Для того чтобы водоводы не развернуло, необходимо предусмотреть поперечные связи между ними или заполнить водоводами с зазором пространство поверхности, фиксирующей размыв. В качестве водоводов можно использовать бетонные или металлические изделия, а также половинки пластмассовых труб большого диаметра. Количество водоводов 7 может составлять N = 1, 2, ..., п в зависимости от ширины резервного водосброса и габаритов применяемых изделий.

Работает резервный водосброс следующим образом. При максимальном паводке, когда уровень воды превысит отметку входного порога водоводов, происходит поступление воды в водоводы и размывание песка. Водоводы опускаются, а вместе с ними оседает песок на гребне плотины, и наступает момент, когда вода начинает переливаться через осевший гребень и размывать вставку.

а - общий вид грунтовой плотины; б - резервный водосброс в теле плотины;

1 - гребень; 2 - резервный водосброс; 3 - паводковый водосброс; 4 - поверхность, фиксирующая размыв; 5 - размываемый грунт (песок); 6 - грунт тела плотны;

7 - водовод; 8 - поперечные связи между водоводами; 9 - полости, пропускающие

поток для начального размыва грунта

Рисунок 1 - Резервный водосброс с размываемой вставкой

О применении резервных водосбросов в грунтовых плотинах и их конструкции для пропуска паводковых расходов подробно излагается в статье Ю. М. Косиченко и Е. Д. Михайлова [7]. В других работах [8] тех же авторов приводится методика расчета резервного водосброса с размываемой вставкой трапецеидального сечения, которая больше всего подходит как аналог предлагаемой методики. В этой методике авторы, задавая ширину размываемой вставки, определяют подбором ее высоту, а также высоту порога водосброса. При необходимости увеличивают количество секций и пересчитывают высоту вставки путем гидравлического расчета для получения значения высот порогов, близких между собой.

Цель настоящих исследований - разработка методики расчета основных параметров прямоугольного резервного водосброса для пропуска паводков редкой повторяемости для плотин IV класса, позволяющей определить время включения его в работу полным сечением.

Материалы и методы. В процессе проведения исследований была поставлена задача - определить размывающие скорости для материала размываемой вставки. Это можно сделать либо через придонную размывающую скорость, либо через скорость промыва, применяемую при расчете промыва камер отстойника. Размывами грунта в нижних бьефах гидротехнических сооружений занимался Н. Н. Беляшевский [9], который приводит действительные придонные размывающие скорости для песчаных и гравелистых грунтов. Этими скоростями можно пользоваться как при расчетах размывов в песке, так и при расчетах креплений из камня и щебня в натуре на основе методики, предложенной в работе [10]. Однако расчет с помощью этой методики для расчетных фракций песка не попадает в область квадратичного сопротивления. Поэтому разработка методики расчета основных параметров резервного водосброса основывалась на общепринятых методах гидравлического расчета водослива с широким порогом [11, 12], а также методе гидравлического расчета отстойника, использующем для удаления наносов промывную скорость.

Расчет резервного водосброса ведется в следующей последовательности. Вначале по формуле (1) устанавливается расход, пропускаемый водосбросом. Затем определяются размеры прямоугольного резервного водосброса по формулам водослива с широким порогом. При этом глубина на пороге водослива известна, она должна быть не ниже отметки НПУ. Ширина для водосброса прямоугольной формы Ь, м, рассчитывается по формуле [11, 12]:

Ь = Дез у ,

тЧ 2 Я Н 0/2

где т - коэффициент расхода;

Я - ускорение свободного падения, м2/с;

Н 0 - напор на пороге водослива с учетом скорости подхода, м.

V 2

Н 0 = Н + 0 2 g

где Н - напор на пороге водослива, м; V0 - скорость подхода, м/с. Ширина водослива для трапецеидальной формы определяется по формуле:

Ь =-^—^-0,8т0  Н,

т

Н 0/2

где т0 - заложение откоса водослива трапецеидального сечения.

Для того чтобы песок размывался в водоводе, ему необходимо придать соответствующий уклон. С этой целью можно воспользоваться формулами промыва камер отстойника [13]:

V2

I=-?Ч

С2 К

где V - скорость промыва грунта вставки, м/с;

С - коэффициент Шези, м0,5/с; Я - гидравлический радиус, м.

R=-,

X

2

где ю - площадь сечения водовода, м .

© = Ьв  К

где Ь в - ширина водовода, м; Ив - глубина воды, м; X - смоченный периметр водовода, м.

X = Ь + 2  И .

/ъ в в

Коэффициент Шези вычисляется по формуле:

1 1/

С=- К/б,

п

где п - коэффициент шероховатости, п = 0,0275 [11].

Скорость размыва грунтовой вставки определяем по формуле:

пр

V й У

4/р,

где ш - гидравлическая крупность подлежащих размыву частиц диаметром й, мельче которых в данной смеси содержится 75 %, м/с;

И - глубина размыва в водоводе, она будет увеличиваться с повышением уровня, м;

й - средний диаметр размываемых фракций грунта, м; р - процентное содержание (по массе) частиц грунта в промывном потоке, принимаемое от 2 до 8 %.

Продолжительность полного размыва резервного водосброса находим по формуле:

=

3

где ротл - плотность грунта размываемой вставки, т/м ; W - объем грунта в размываемой вставке, м ; q пр - удельный промывной расход, м2/с на 1 пог. м;

Ь - ширина резервного водосброса, м.

Удельный промывной расход определяем по зависимости:

qпр =г,„р Нпр,

где Н пр - глубина промыва в резервном водосбросе.

Результаты и обсуждение. Проведем расчет резервного водосброса по предложенной методике и воспользуемся следующими исходными данными:

- расход резервного водосброса Qрез = 12 м/с;

- ширина плотины по гребню в пределах поверхности, фиксирующей размыв, Ьгр = 8 м;

- превышение гребня над отметкой НПУ h = 2,6 м;

- грунт вставки - песок средней крупности, d = 0,00025-0,00050 м;

- = 0,000375 м;

- заложение откосов: верхового - тх = 3,0 и низового - т2 = 2,0;

- ширина водовода Ьв = 1,5 м, высота - Нв = 0,7 м, глубина наполнения водовода /в = 0,5 м.

Расчетная схема одноочкового резервного водосброса приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Расчетная схема одноочкового резервного водосброса

Определим ширину водосброса по формуле (2), приняв глубину Н(), м, на пороге водослива 2,1 м:

12 0

Ь=-^-- = 2,78 м - 3,0 м.

0,32-7 2-9,81-2,1/2

Для песка диаметром 0,4 мм по таблице 17.1 [13] значение гидравлической крупности ш = 4,84 см/с и процентное содержание частиц грунта в промывном потоке р = 2 %.

Найдем промывную скорость в водоводе по формуле (8):

Vпp = 0,0484-

' 0,5 ^

ч 0,00037 у

4/2 = 2,1 м/с.

Чтобы создать такую скорость в водоводе необходимо рассчитать его уклон по формуле (4), определив коэффициент Шези С и гидравлический радиус Я, м.

п ю 1,5  0,5 Л .

Я=—=—-—-— = 0,3 м,

X 1,5+2 -0,5

С=—1--0,316 = 29,75 м0,5/с,

0,0275

2,12

г =-Ц-= 0,0166.

29,742  0,3

Таким образом, при уклоне г = 0,0166 песок под водоводом начнет размываться (особенно интенсивно со стороны нижнего бьефа), и гребень под ним станет проседать, а уровень воды в водохранилище поднимется, и наступит момент, когда он превысит отметку просевшего гребня, и поток устремится в образовавшийся проран.

Теперь можно найти время промыва резервного водосброса и включения его в работу полным сечением, приняв плотность грунта размываемой вставки ротл = 1,6 т/м , предварительно определив объем размываемого грунта W, м3, и удельный расход промыва q пр1, м3/с, для резервного во-

досброса:

_ К + Ьосн , . 8+(8+2,6  2+2,6  3) п т

Ж=—--Ь  h=—---  3  2,6 = 113,1 м,

22

где Ьосн - длина размываемой вставки водосброса, м.

Для получения более точного результата расчет необходимо производить послойно, так как уровень воды над размываемым грунтом будет увеличиваться, и время размыва будет уменьшаться [15]. Для упрощения расчетов примем, что уровень воды над размываемым грунтом постоянный и составляет Н пр1 = 0,5 м, и уклон гребня размываемой вставки равен уклону водовода, тогда удельный расход промыва:

qпр = 2,1  0,5 = 1,05 м /с на 1 пог. м.

Определим время размыва резервного водосброса, то есть это время включения его в работу полным сечением:

100" 1,6  113,1 „СО/| t =---— = 2782,4 с = 47,9 мин.

пр 1,05  3  2

На самом деле время размыва будет меньше, так как с увеличением глубины потока возрастает удельный расход промыва. На основании проведенного расчета можно заключить, что предлагаемая методика расчета позволяет определить не только параметры резервного водосброса - его ширину, промывную скорость, уклон водоводов, объем размываемого грунта, удельный расход промыва, но и время, через которое он включается в работу полным сечением.

Выводы

1 В результате проведенных исследований разработана методика расчета основных параметров прямоугольного резервного водосброса с размываемой вставкой для пропуска паводков редкой повторяемости для плотин IV класса, преимуществом которого являются его невысокая стоимость строительства и простота изготовления.

2 Расчетами по методике установлено, что при расходе резервного водосброса Qрез = 12 м/с и превышении гребня плотины над отметкой

НПУ в 2,6 м ширина водосброса будет равна 3,0 м, скорость промыва в водоводе - 2,1 м/с, удельный расход промыва - 1,05 м/с на 1 пог. м, объем размываемого грунта (песка) - 113,1 м , а время включения его в работу полным сечением составит около 48 мин.

Список использованных источников

1 Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений мелиоративного назначения / В. Н. Щедрин [и др.]; под ред. В. Н. Щедрина. - М.: ЦНТИ «Мелиоводин-форм», 2010. - 88 с.

2 Гидротехнические сооружения. Основные положения: СП 58.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 33-01-2003): утв. Минрегионом России 29.12.11: введ. в действие с 01.01.13. - М.: Минрегион России, 2013. - 38 с.

3 Косиченко, Ю. М. Оценка надежности работы резервного водосброса с размываемой вставкой / Ю. М. Косиченко, Е. Д. Михайлов // Вестник МГСУ. - 2015. - № 2. -С. 130-140.

4 Гидротехнические сооружения: учеб. для вузов / Н. П. Розанов [и др.]; под ред. Н. П. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985. - 432 с.

5 Мелиорация и водное хозяйство. Сооружения. Строительство: справочник / И. С. Румянцев [и др.]; под ред. А. В. Колганова, П. А. Полад-заде. - М.: Ассоциация Экост, 2002. - 601 с.

6 Лапшенков, В. С. Природоохранная гидротехника: учеб. пособие / В. С. Лап-шенков. - Новочеркасск: НГМА, 2005. - 236 с.

7 Косиченко, Ю. М. Применение резервных водосбросов в грунтовых плотинах для пропуска паводковых вод [Электронный ресурс] / Ю. М. Косиченко, Е. Д. Михайлов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - № 2(14). - C. 124-137. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archi-ve?n=252&id=263.

8 Косиченко, Ю. М. Методика расчета параметров резервного водосброса с размываемой вставкой на основе гидравлических формул [Электронный ресурс] / Ю. М. Косиченко, Е. Д. Михайлов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. -Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. - № 4(16). - С. 176-189. - Режим доступа: http: rosniipm-sm.ru/archive?n=292&id=306.

9 Беляшевский, Н. Н. Расчет нижнего бьефа за водосбросными сооружениями на нескальных основаниях / Н. Н. Беляшевский, Н. Г. Пивовар, И. И. Калантыренко. -Киев: Наукова думка, 1973. - 292 с.

10 Шкуланов, Е. И. К вопросу о выборе створа водозабора на поворотных участках русел водотоков [Электронный ресурс] / Е. И. Шкуланов, Г. Л. Лобанов, Е. А. Савенкова // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации: электрон. периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем мелиорации. - Электрон. журн. - Новочеркасск: РосНИИПМ, 2012. - № 4(08). - С. 56-64. - Режим доступа: http:rosniipm-sm.ru/archi-ve?n=252&id=263.

11 Киселев, П. Г. Справочник по гидравлическим расчетам / П. Г. Киселев. - М.: Энергия, 1972. - 312 с.

12 Рекомендации по гидравлическому расчету водосливов. Ч. 1. Прямые водосливы / М-во энергетики и электрификации СССР. Главниипроект. Всесоюз. науч.-исслед. ин-т гидротехники им. Б. Е. Веденеева. - Л.: Энергия, 1974. - 58 с.

13 Гидротехнические сооружения: справочник / В. П. Недриги [и др.]; под ред. В. П. Недриги. - М.: Стройиздат, 1983. - 543 с.

References

1 Shchedrin V.N. 2010. Obespechenie besopasnosti gidrotekhnicheskikh sooruzheniy meliorativnogo naznacheniya [Ensuring the Safety of Reclamation Hydraulic Structures]. Moscow, CSTI "Meliovodin forms" Publ., 88 p. (In Russian).

2 Gidrotekhnicheskie sooruzheniya. Osnovnye polozheniya. [Hydraulic structures. Key points]. Moscow, Russian Ministry of Regional Development, 2013. 38 p. (In Russian).

3 Kosichenko Yu.M., Mikhailov Ye.D. 2015. Otsenka nadezhnosti raboty reservnogo vodosnrosa s razmyvaemoy vstavkoy [Assessment of the Reliability of Reserve Spillway with Scoured Insert]. Vestnik MGSU [Bull. MSUCE], no. 2, pp. 130-140. (In Russian).

4 Rozanov N.P. 1985. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Hydraulic Structures]. Moscow, Agropromizdat Publ., 432 p. (In Russian).

5 Rumyantsev I.S., Kolganov A.V., Polad-zade P.A. 2002. Melioratsiya i vodnoe khozyaistvo. Sooruzheniya. Stroitelstvo: spravochnik [Irrigation and Water Management. Hydraulic Structures. Construction: a handbook]. Moscow, ECOST Assoc. Publ., 601 p. (In Russian).

6 Lapshenkov V.S. 2005. Prirodookhrannaya Gidrotekhnika: uch. posobie [Environmental Hydrotechnology: textbook]. Novocherkassk: NSLRA, 236 p. (In Russian).

7 Kosichenko Yu.M., Mikhailov Ye.D. 2014. Primenenie reservnykh vodosbrosov v gruntovykh plotinach dlya propuska pavodkovykh vod [Application of Reserve Spillways in Earth Dams for Passing Flood Discharges]. Nauchnyy zhurnal Rossisskogo NII Problem melioratsii [Scientific Journal of Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems]. Novocherkassk: RosNIIPM, no. 2(14), рр. 124-137. Available: http:rosniipm-sm.ru/archi-ve?n=252&id=263. (In Russian).

8 Kosichenko Yu.M. Mikhailov E.D. 2014. Metodika rascheta parametrov reservnogo vodosbrosa s razmyvaemoy vstavkoy na osnove gidravlicheskikh formul [Method for Calculating the Parameters of Reserve Spillway with Scoured Insert Based on Hydraulic Formulas]. Nauchnyy zhurnal Rossisskogo NII Problem melioratsii [Scientific Journal of Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems]. Novocherkassk: RosNIIPM. no. 4(16), рр. 176-189. Avilable: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=292&id=306. (In Russian).

9 Belyashevskiy N.N., Pivovar N.G., Kalantyrenko I.I., 1973. Raschet nizhnego biefa za vodosbrosnymi sooruzheniyami na neskalnykh osnovaniyakh [Calculation of Tailwater down Spillway on Soft Ground]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 292 p. (In Russian).

10 Shkulanov Ye.I., Lobanov G.L, Savenkova Ye.A. 2012. K voprosu o vybore stvora vodozabora na povorotnykh uchastkakh rusel vodotokov [On the Issue of Selection of Water Intake Cross Section at the Turns of Watercourses]. Nauchnyy zhurnal Rossisskogo NII Problem melioratsii [Scientific Journal of Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems]. Novocherkassk: RosNIIPM. no. 4(08), рр. 56-64. Availabe: http:rosniipm-sm.ru/archive?n=252&id=263. (In Russian).

11 Kiselev P.G. 1972. Spravochnikpo gidravlicheskim raschetam [Guide on Hydraulic Calculation]. Moscow, Energia Publ., 312 p. (In Russian).

12 Rekommendatsii po gidravlicheskomy raschetu vodoslivov. Ch. 1. Pryamye vodoslivy [Guidelines on Hydraulic Calculation of Spillways. Part 1. Direct Spillway]. Leningrad, Energy Publ., 1974, 58 p. (In Russian).

13 Nedrigi V.P. 1983. Tekhnicheskie sooruzheniya: spravochnik [Hydraulic Structures: ahandbook]. Moscow, Stroyizdat Publ., 543 p. (In Russian).

Лобанов Георгий Леонидович

Ученая степень: кандидат технических наук

Ученое звание: доцент

Должность: старший научный сотрудник

Место работы: федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации»

Адрес организации: Баклановский пр-т, 190, г. Новочеркасск, Ростовская область, Российская Федерация, 346421 E-mail: lgl@novoch.ru

Lobanov Georgiy Leonidovich

Degree: Candidate of Technical Sciences Title: Associate professor Position: Senior Researcher

Affiliation: Russian Scientific Research Institute of Land Improvement Problems Affiliation address: Baklanovsky ave., 190, Novocherkassk, Rostov region, Russian Federation, 346421 E-mail: lgl@novoch.ru