Грунтовая плотина с фильтрующим водосбросом
GROUND DAM WITH FILTER SPILLWAY

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к гидроузлам с грунтовыми плотинами и водосбросами.
Известна плотина из местных материалов с ядром, с примыкающими к нему переходными зонами со стороны верхнего и нижнего бьефов, и с надстройкой на гребне ядра из уголковых элементов, подвижно соединенных между собой торцов горизонтальных полок (фундаментных плит), один из которых расположен на гребне ядра, а другой на гребне переходной зоны со стороны нижнего бьефа [Авторское свидетельство СССР №896165, автор Ю.П. Правдивец, приоритет 07.01. 1982]. Надстройка из уголковых элементов на гребне ядра плотины выполняют роль противофильтрационного устройства и позволяет значительно уменьшить объем грунтовой части плотины и тем самым снизить ее стоимость.
Наиболее близкой по существующим признакам и достигаемому результату является грунтовая плотина [Патент РФ№2703421 на изобретение «Грунтовая плотина с фильтрующим водосбросом». Малаханов В.В., Антонов А.С. Приоритет с 30 декабря 2018 г.], включающей тело из водопроницаемого материала (камня, галечника, щебня) и противофильтрационного экрана, за экраном на отметке верха экрана, совпадающей с расчетным уровнем воды УВ в водохранилище, размещается полый железобетонный короб или ряжевая железобетонная конструкция без днища, вертикальная стена которого, обращенная в сторону верхнего бьефа, выполнена не сплошной, а имеет отверстия - прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены, а сверху короб перекрыт железобетонной плитой, которая служит гребнем плотины. Эта стена с прорезями является водоприемником фильтрующего водосброса. Вода из водохранилища поступает через водоприемник внутрь короба и через днище короба фильтрует вниз в тело плотины, формируя фильтрационный поток.
В основании плотины у низового откоса для его защиты от размыва фильтрационным потоком также устанавливается короб или ряжевая конструкция без днища, вертикальные стены которого, как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего бьефа, имеют прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены для прохода фильтрационного потока из плотины в нижний бьеф, а сам короб заполнен водопроницаемым материалом (камнем, галечником, щебнем). Площадь прорезей не менее 40% обусловлена тем, что водопроницаемый материал тела плотины имеет пористость не менее 40%. Таким образом, обеспечивается водопроницаемость стены не менее водопроницаемости материала тела плотины.
Размещенный за экраном на отметке верха экрана, совпадающей с расчетным уровнем воды УВ в водохранилище, короб без днища с прорезями на стене со стороны верхнего бьефа, во-первых, обеспечивает при повышении воды в водохранилище выше гребня экрана поступление воды в короб и далее вниз в тело плотины, т.е. выполняет функцию водоприемника фильтрующего водосброса, во-вторых, верх короба служит гребнем плотины, в-третьих, прорезная стена короба выполняет роль волногасителя, что приводит к уменьшению высоты подъема волны и снижению отметки гребня плотины, все это приводит к значительному уменьшению поперечного профиля плотины. Количество коробов и его размеры подбирается исходя из необходимой пропускной способности фильтрующего водосброса при изменении уровня воды в водохранилище от расчетного уровня УВ до максимального уровня УВВ. На участках плотины без фильтрующего водосброса устанавливаются такие же по размерам короба без днища со сплошной вертикальной стеной, обращенной в сторону верхнего бьефа.
Недостатком этой конструкции является значительное использование железобетонных конструкций, как для создания фильтрующего водосброса, так и на участках вне водосброса на гребне грунтовой плотины до береговых примыканий и для выхода фильтрационного потока из низового откоса, что приводит к значительному увеличению объемов железобетонных конструкций, строительно-монтажных работ и удорожанию плотины в целом.
Сущность изобретения - создание более экономичного фильтрующего водосброса на грунтовой плотине с экраном.
Технический результат - безопасный пропуск паводкового расхода путем пропуска воды через фильтрующий водосброс, уменьшение объемов железобетонных конструкций и строительно-монтажных работ и удешевление плотины в целом.
Технический результат достигается за счет использования железобетонных коробов (ряжевых конструкций) для фильтрующего водосброса на гребне. На грунтовой плотине, включающей тело из водопроницаемого материала (камня, галечника, щебня) и противофильтрационный экран, на отметке расчетного уровня воды УВ в водохранилище за экраном размещается полый железобетонный короб или ряжевая железобетонная конструкция без днища, вертикальная стена которого, обращенная в сторону верхнего бьефа, выполнена не сплошной, а имеет отверстия - прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены, а сверху короб перекрыт железобетонной плитой с парапетом, которая служит гребнем плотины и имеет отметку максимального уровня воды УВВ. Эта стена с прорезями является водоприемником фильтрующего водосброса. На основании плотины в пределах нижней части низового откоса, в зоне выхода фильтрационного потока в нижний бьеф отсыпается каменная призма из горной массы, верх которой выше расчетного уровня воды в нижнем бьефе при пропуске максимального паводка, а уклон низового откоса призмы и размеры камня подбираются таким образом, чтобы обеспечить безопасный выход фильтрационного потока в нижний бьеф.
На участках плотины без фильтрующего водосброса экран плотины поднимается по откосу до отметки максимального уровня воды УВВ, где на нем размещается парапет, высотой до расчетной отметки гребня грунтовой плотины. А боковые стены концевых коробов фильтрующего водосброса, примыкающие к грунтовой плотине, имеют отверстия-прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены, а между экраном и боковыми стенами короба установлены железобетонные открылки с отверстиями - прорезями общей площадью не менее 40% от общей площади открылок.
В торцевых стенах коробов фильтрующего водосброса устраиваются отверстия-прорези для пропуска воды таким образом, чтобы фильтрационный поток не выходил на низовой откос грунтовой плотины.
На рисунке изображен поперечный разрез грунтовой плотины по концевой секции фильтрующего водосброса. Плотина из хорошо водопроницаемого материала 1 (камня, галечника, щебня) имеет противофильтрационный экран 2 с парапетом 3. За экраном на отметке расчетного уровня воды УВ в водохранилище имеется горизонтальная площадка, на некотором расстоянии аб от экрана установлен полый железобетонный короб или ряжевая железобетонная конструкция без днища, вертикальная стена 4 которого, обращенная в сторону верхнего бьефа, выполнена не сплошной, а имеет отверстия - прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены. Сверху короб перекрыт железобетонной плитой 5 с парапетом 3, которая служит гребнем плотины на участке водосброса. А боковые стены 6 концевых коробов фильтрующего водосброса, примыкающие к грунтовой плотине, а также торцевые стены 7 коробов имеют отверстия - прорези общей площадью не менее 40% от общей площади стены. Между экраном и боковой стеной 6 установлен открылок 8 с аналогичными прорезями.
На основании плотины 9 у ее низового откоса 10 в зоне выхода фильтрационного потока в нижний бьеф отсыпается призма 11 из горной массы, верх которой выше уровня воды в нижнем бьефе УНБ при пропуске максимального расчетного паводка, а уклон низового откоса призмы и размеры камня в призме подбираются таким образом, чтобы обеспечить безопасный выход фильтрационного потока 12 в нижний бьеф. Пунктиром 13 показан профиль грунтовой плотины без фильтрующего водосброса.
Плотина с фильтрующим водосбросом работает следующим образом. При паводке уровень воды в водохранилище поднимается выше расчетного уровня УВ до максимального уровня УВВ, и вода начинает фильтровать через горизонтальный участок аб грунтовой плотины, через отверстия в открылке 8, поступает через отверстия стены 4 в короб, из которого через участок бв, а также через отверстия в торцевых стенах 7 и через отверстия в боковых стенах 6 концевых секций фильтрующего водосброса, примыкающих к грунтовой плотине, фильтрует вниз в тело плотины, образуя фильтрационный поток с кривой депрессии 12, и далее выходит в русло реки через призму 11. Таким образом, при подъеме уровня воды водохранилище до отметки УВВ максимальный паводковый расход фильтрует через горизонтальные участки аб и бв и через торцевые стены 7 всех секций (коробов) фильтрационного водосброса, а также через отверстия в двух открылках 8 и через отверстия в двух боковых стенах 6 в концевых секциях фильтрующего водосброса, примыкающих к грунтовой плотине
Таким образом, предлагаемая конструкция фильтрующего водосброса имеет большую пропускную способность, чем в прототипе, за счет дополнительной фильтрации воды через горизонтальный участок аб перед коробом, через отверстия - прорези в двух открылках 8 и в двух боковых стенах 6 концевых секций фильтрующего водосброса, примыкающих к грунтовой плотине, а также через отверстия - прорези в торцевых стенах 7 всех секций. А наличие парапета 3 на крышке 5 коробов фильтрующего водосброса и на гребне экрана плотины 2 дает возможность снизить отметку гребня плотины и соответственно уменьшить объем тела плотины.
Наличие у низового откоса 10 плотины призмы 11 из крупного камня и с выбранным уклоном низового откоса обеспечивает надежный (без подмыва низового откоса) пропуск фильтрационного потока в нижний бьеф.
В прототипе короба фильтрующего водосброса размещаются непосредственно за экраном, а на участках вне водосброса применяются короба без прорезей, т.е. грунтовая плотина имеет железобетонную надстройку из коробов по всей длине гребня плотины, а в предлагаемой конструкции железобетонные короба применяются только для фильтрующего водосброса. Кроме того, в прототипе железобетонные короба применяются и для защиты низового откоса грунтовой плотины от подмыва выходящим фильтрационным потоком, а в предлагаемой конструкции устойчивость низового откоса обеспечивается отсыпкой более дешевой каменной призмы.
Применение предлагаемой конструкции грунтовой плотины экраном и с фильтрующим водосбросом в виде железобетонного короба позволяет уменьшить стоимость гидроузла за счет уменьшения объема тела грунтовой плотины, уменьшения объемов использования железобетонных конструкций, а также за счет отказа от берегового или донного водосброса, или его уменьшения.