ПАВОДКОВЫЙ ВОДОСБРОС ДЛЯ ПЛОТИН И ДРУГИХ ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
FLOOD SPILLWAY FOR DAMS AND OTHER WATER SUPPLY FACILITIES

Предлагаемое изобретение относится к объектам гидротехнического строительства, а именно к закрытым трубчатым водосбросам для плотин и сооружений подобного типа, и предназначено для безопасного сброса вод при чрезвычайных паводках.
Известны паводковые водосбросы, содержащие трубопровод, входной оголовок которой уложен в верхнем бьефе, а выходной - в нижнем, при этом с торцов оголовки закрыты затворами, имеющими щелевые отверстия водоприема и водовыпуска (см. «Сифонный водосброс» по а.с. USSR №1571123 А1, МПК E02B 7/18, опубл. 15.06.1990.).
Недостатком устройств является срабатывание затворов в отсутствие чрезвычайных паводков, при незначительном превышении уровня воды относительно нормального подпорного уровня (НПУ).
Известны устройства, в которых расход сброса воды в зависимости от уровня воды регулируется с помощью перемычек с песком или других размываемых вставок («Резервный водосброс» по пат. RU №2050433, МПК E02B 8/06, опубл. 10.12.2005; «Паводковый водосброс для плотин» по пат. RU №2049195, МПК E02B 8/06, опубл. 10.12.1995). Указанный водосброс, как правило, срабатывает в условиях угрозы перелива воды через гребень плотины. В паре с ним работает водослив, обеспечивающий сброс воды небольших или средних паводков при уровне воды, незначительно превышающем НПУ («Резервный водосброс грунтовой плотины» по пат. RU №2498007, МПК E02B 8/06, опубл. 10.11.2013; «Резервный водосброс» по пат. RU №2573328, МПК E02B 8/06, опубл. 20.01.2016).
Недостатком устройств является низкая пропускная способность данного водопропускного сооружения из-за небольшого напора на гребне сооружения.
Из известных устройств наиболее близким аналогом предлагаемого решения по технической сущности и назначению является паводковый водосброс по пат. RU №2265695, МПК E02B 8/06, опубл. 10.12.2005.
Устройство включает сифонный водосброс, входной оголовок которого уложен в верхнем бьефе, а выходной - в нижнем бьефе выше меженного уровня воды, при этом с торцов оголовки закрыты неплотными затворами, имеющими щелевые отверстия водоприема и водовыпуска. Наличие щелевых отверстий на входе и выходе трубопровода позволяет обеспечить минимальное превышение форсированного уровня (ФПУ) над нормально-подпорным уровнем (НПУ) воды в верхнем бьефе и обеспечить рассеивание потока на выпуске в нижнем бьефе.
Прототип работает следующим образом. При подъеме уровня воды в верхнем бьефе выше НПУ вода начинает переливаться через щелевые отверстия в входной оголовок и по уложенной с наклоном трубе стекать к выходному оголовку. Водосброс начинает работать в безнапорном режиме при частичном заполнении сечения. В пик паводка при форсированном уровне (ФПУ) воды в верхнем бьефе водосброс будет работать в режиме сифона с максимально открытым сечением.
Недостатками прототипа является низкая пропускная способность водопропускного сооружения, срабатывание при некритических уровнях воды, а также невозможность расположить такой водосброс на существующих высоконапорных сооружениях.
Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении пропускной способности водосброса и срабатывании устройства только при достижении критического уровня.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в паводковом водосбросе для плотин и других водоподпорных сооружений, содержащем, так же как и прототип, трубопровод, состоящий из водоприемного, наклонного и водовыпускного участков, в отличие от прототипа, на наклонном участке трубопровода образована горизонтальная площадка для формирования песчаной вставки, причем над площадкой выполнено загрузочное отверстие с крышкой, нижняя поверхность которой плотно прилегает к песчаной вставке, при этом водовыпускной участок трубопровода смонтирован по отношению к площадке с подъемом вверх, в свою очередь, площадка снабжена решеткой с геотекстилем и сообщается через дренажный канал с водобойным колодцем. Для исключения фильтрации в верхней зоне песчаной вставки, на нижней кромке загрузочного отверстия со стороны наклонного участка трубопровода установлена поворотная заслонка. Для использования устройства в низконапорных сооружениях, горизонтальная площадка смонтирована на конце наклонного участка трубопровода. Для использования устройства в высоконапорных сооружениях, горизонтальная площадка смонтирована в разрыве наклонного участка трубопровода и ограничена выступом, расположенным перед концевой частью указанного участка.
Сущность предложенного технического решения заключается в создании водосброса, обладающего высокой пропускной способностью и срабатывающего только при чрезвычайных паводках, за счет установления в трубопроводе на пути следования потока воды песчаной вставки, размываемой при достижении критических значений параметров потока.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленная задача решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь проведенный информационный поиск в области гидротехнического строительства не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 представлен план гидроузла с водосбросом по п. 3,
на фиг. 2 продольный разрез по оси водосброса по п. 3,
на фиг. 3 представлен план гидроузла с водосбросом по п. 4,
на фиг. 4 продольный разрез по оси водосброса по п. 4,
на фиг. 5, 6 приведены рисунки, поясняющие выбор размеров песчаной вставки в зависимости от критического значения уровня паводковой воды.
Предлагаемое устройство сооружается (фиг. 1) на береговом участке врезки плотины 1 и включает (фиг. 2) трубопровод 2 с водоприемным 3, наклонным 4 и водовыпускным 5 участками. В оголовке водоприемного участка установлена сороудерживающая решетка 6 или щелевой водозабор. Наклонный участок 4 может проходить через тоннель 7, вырубленный в береговом скальном массиве. Между наклонным 4 и водовыпускным 5 отрезками трубопровода смонтирована горизонтальная площадка 8. Устройство с указанным расположением горизонтальной площадки предназначено для использования в низконапорных сооружениях. Над площадкой 8 выполнено загрузочное отверстие 9 для загрузки песчаной вставки 10, закрываемое после окончания операции крышкой 11. Нижняя поверхность крышки 11 вплотную прилегает к песчаной вставке 10, что создает надежную пробку для некритических напоров воды. На нижней кромке загрузочного отверстия 9 со стороны наклонного участка 4 трубопровода размещена поворотная заслонка 12. В центре площадки 8 установлена решетка с геотекстилем, через которую трубопровод 2 сообщается с дренажным каналом 13, отводящим воду в водобойный колодец 14. Для обеспечения возможности устойчивого положения песчаной вставки водовыпускной участок 5 трубопровода смонтирован по отношению к площадке 8 с подъемом вверх. Такое конструктивное решение позволяет образовать вокруг площадки 8 воронку, боковые стенки которой удерживают вставку 10 от размыва при некритических уровнях воды. Кроме того, указанное положение отрезка 5 трубопровода обеспечивает рассеивание струи в нижнем бьефе, что позволяет избежать опасных размывов дна в непосредственной близости от водовыпуска. В устройствах, предназначенных для использования в высоконапорных сооружениях, площадка 8 смонтирована в разрыве наклонного участка 4 трубопровода (фиг. 3, 4) и ограничена выступом 15, расположенным перед концевой частью указанного участка и удерживающим вставку 10 от размыва при напорах воды, не достигших критического значения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед наступлением паводка в трубопровод через отверстие 9 загружают песок, после чего его утрамбовывают и закрывают крышкой 11. В результате на пути водного потока образуется плотная песчаная вставка 10 конусообразной формы. При небольших паводках уровень воды в водохранилище поднимается выше НПУ, но не достигает критического значения. По мере подъема уровня воды водосброс заполняется водой. При достижении критического уровня вода, под напором поступающая в трубопровод, производит интенсивный размыв песчаного материала, освобождая устройство от песчаной вставки. Поворотная заслонка 12 поворачивается по течению потока, не препятствуя пропуску паводкового расхода. Интенсивный сброс происходит до проектного уровня водохранилища, после чего устройство прекращает работу.
Пропускная способность водосброса рассчитывается по формуле:
,
где μ - коэффициент расхода;
2
ω - площадь сечения трубчатого водосброса, м;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
H - напор воды на водосбросе, измеряемый от критического уровня воды до центра выходного отверстия водосброса.
крит.
гр.
вст.
Ниже приводится расчет H (см. также фиг. 5, 6), при котором начинается размыв песчаной вставки с шириной гребня (b) 4,0 м; высотой (h) 4,0 м, длиной (L) 21,3 м и углом откоса (α) 20°. Вставка рассчитана для использования в устройстве водосброса высоконапорного сооружения. С помощью метода электрогидродинамических аналогий (метод ЭГДА) для множества профилей песчаных вставок с различными геометрическими характеристиками определяется положение линий равных напоров: 0,8h…0,2h, где h - единичный расчетный напор, приложенный к боковой поверхности песчаной вставки.
По линиям тока строится эпюра выходных фильтрационных градиентов для данной вставки. Выходные градиенты определяются по формуле:
крит.
кр.
крит.
кр.
где l - длина участка линии тока между линией равного напора 0,2h и внешним откосом песчаной вставки. Необходимый напор H зависит от критического выходного градиента фильтрации J, следовательно, в формуле единичный расчетный напор h можно заменить на критический напор H, а выходной градиент фильтрации J - на критический выходной градиент фильтрации J.
крит.
Согласно СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов», значение критических средних градиентов напора для мелкого песка составляет 0,75, для среднего песка - 1,0. Таким образом, для вставки из среднего песка с шириной гребня 4,0 м; высотой 4,0 м и углом откоса 20° величина Н=9,5 м.
Описанное устройство разработано специалистами кафедры Гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования устройства по п. 3 на низконапорных судоходных гидроузлах Волго-Балтийского, Волго-Донского водных путей; а по п. 4 на высоконапорных гидроузлах: Зейской ГЭС, Бурейской ГЭС, Красноярской ГЭС.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».