УПРАВЛЯЕМОЕ ВОДОСПУСКНОЕ СООРУЖЕНИЕ
CONTROLLED WATER DRAINAGE STRUCTURE

Изобретение относится к гидротехнике, то есть водоспускным гидротехническим сооружениям. Представляет собой механизированное и(или) автоматизированное динамически управляемое водоспускное сооружение, предназначенное для спускаемых водоемов и водохранилищ, используемых для рыбоводства, в которых требуется оперативно изменять параметры: поддерживать определенный уровень воды, также автоматически в период паводковых вод, управлять расходом воды, регулировать глубину уровня водоспуска из водоема, то есть изменять выбор заглубления слоя спускаемой воды, ограничивать максимальные размеры пропускаемых через водоспускное сооружение представителей водной фауны и флоры. Наиболее эффективно применение управляемого водоспускного сооружения для рыбоводства в сооружениях дамб и плотин, предназначенных для систем спускаемых рыбоводческих прудов, водоемов, бассейнов. С древности и до сих пор в рыбоводческих прудах широко применяется популярная водоспускная конструкция «Монах», обладающая возможностью выбора глубины уровня водоспуска, она широко представлена в различных источниках, например, Власов В.А. Приусадебное хозяйство. Рыбоводство. - М.: ЭКСМО-Пресс, Лик пресс, 2001. Водоспускная конструкция «Монах» состоит из полой вертикальной башни - стояка и горизонтальной водоотводной трубы - лежака, герметично соединенных между собой. Стояк состоит из вертикальной шахты с пазами. В пазы шахты вставляются деревянные подпорные щитки - шандоры, посредством установки которых, то есть их высотой и числом, можно поддерживать определяемый высотой стенки из шандор уровень воды водоема. Для выбора глубины уровня водоспуска, например водоспуска из донного уровня, в стояке должны быть два ряда пазов и шандор. Изменение эксплуатационных параметров водоспуска трудоемкий ручной труд, так как перестановка шандор трудоемкая ручная работа, которая в данной конструкции не поддается механизации и автоматизации. Кроме того, изменение эксплуатационных параметров водоспуска не может быть плавным, то есть сопровождается гидравлическими ударом.
Кланяющийся водоспуск Хольцера представляет собой водоспускное сооружение для неглубоких водоемов, его достоинство по отношению к водоспуску «Монах» - это возможность плавно, без гидравлических ударов, изменять глубину уровня водоспуска из водоема. При этом он уступает по функциональным возможностям водоспуску «Монах»: не работает как водосброс для пропуска паводковых вод, не имеет возможности отлова рыбы через рыбоуловитель, не дает возможности автоматической регуляции расхода, то есть уровня воды в водоеме при водоспуске из придонных его областей, кроме того уступает по надежности водоспуску Монах. Водоспускная конструкция Хольцера дает возможность для механизации и автоматизации изменения ее эксплуатационных параметров, однако, из-за необходимости использования для передачи длинного троса или веревки, ее надежность и точность уступает предлагаемой конструкции, в которой можно непосредственно использовать такие передачи, как зубчатая и цепная. Водоспускная конструкция Хольцера значительно отличающаяся от предлагаемой по конструктивным и более ограниченным функциональным возможностям, а также определяемыми конструктивными особенностями области применения и надежности по сравнению с водоспускной конструкцией «Монах». Поэтому рассматриваться, как близкий аналог не может, то есть единственным прототипом является водоспускное сооружение «Монах», также с учетом ее модернизированных вариантов. Современные аналоги водоспускной конструкции «Монах», варианты конструкций которых, например: В.И Волков, Конструкции входных оголовков трубчатых водосбросов, «Москва 2010», имея некоторые элементы механизации управления затворами, например с помощью тросовой тяги, которая, обеспечивая удобство простейших эксплуатационных функций, более широких функциональных возможностей не дают и принципиальных отличий, обеспечивающих такие же новые возможности по отношению к водоспускной конструкции «Монах», представленные в этом источнике водоспуски - водосбросы не имеют.
В связи со сложностью изменения эксплуатационных характеристик и конструктивными особенностями водоспускное сооружение «Монах» обладает следующими недостатками: кроме отсутствия возможности для механизации и автоматизации изменения эксплуатационных характеристик, оно обладает ограниченными по сравнению с предлагаемым водоспускным сооружением функциональными возможностями, так предлагаемое водоспускное сооружение обладает быстрым и удобным управлением изменения эксплуатационных характеристик: оперативным, при этом без гидравлического удара, изменением уровня глубины водоспуска и управлением величиной расхода воды через водоспуск, то есть наполнением водоема и уровнем воды в нем, динамичным изменением калибрующих сеток или решеток на входных окнах. Управление водоспуском имеет возможность точной и надежной механизации и автоматизации, то есть может быть программированным и дистанционным. Управляемое водоспускное сооружение обладает более высокотехнологичной конструкцией, состоящей из стандартных деталей - цилиндрических труб и не включающей шандор -деревянных досок, что дает ряд преимуществ: в изготовлении, строительстве, долговечности, удобстве эксплуатации.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей водоспускного сооружения, как статических, так и динамических, а также повышение надежности сооружения.
Сущность изобретения.
Управляемое водоспускное сооружение, включающее: вертикальную полую башню - стояк, обеспечивающий выбор глубины уровня водоспуска из водоема и уровень воды поддерживаемый в водоеме, в самом глубоком месте дна он соединен с лежаком - водоотводящей трубой, проходящей но дну под плотиной водоема и отводящей воду из его верхнего бьефа в водобойный колодец с рыбоуловителем нижнего бьефа, а также служебный мостик, соединяющий стояк с плотиной водоема. Башня стояка состоит по меньшей мере из двух соосно расположенных вертикальных цилиндрических труб, одна из которых, несущая силовую нагрузку, неподвижно и стабильно закреплена на дне водоема, где неподвижная труба герметично соединена с заглубленной в грунт дна водоотводящей трубой. Одна или несколько, например две, других трубы выполнены с возможностью перемещения и поворота, обеспечиваемой конструкцией соосных центральной оси вращения опорного вала и опор, которые связаны с подвижной трубой или подвижными трубами крепежом ажурной конструкции. В боковых поверхностях всех цилиндрических труб расположены входные окна, при этом, в зависимости от конкретного конструктивного выполнения, в области расположения окон граничная поверхность между неподвижной и подвижной трубой выполнена с возможностью уплотнения после переключения и(или) с минимальным технологическим зазором, обеспечивающим в периоды переключения возможность перемещения и(или) поворота подвижной трубы относительно неподвижной вокруг центральной оси вращения стояка. Расположение входных окон на боковой поверхности цилиндрических труб стояка по высоте зависит от глубины уровня водоспуска, для которого они предназначены. Окна выполнены с возможностью в последовательности и в определенных уровнях, определяемых их расположением, последовательного совмещения входного окна в неподвижной трубе с по меньшей мере одним входным окном в подвижной трубе, при повороте подвижной трубы относительно неподвижной. Поэтому выбор глубины уровня водоспуска и величины расхода воды через входное окно, зависящие от расположения совмещаемого окна и величины его раскрытия, определяются углом поворота подвижной трубы относительно неподвижной.
Нижней опорой подвижных труб на дне водоема служат концентрические кольцевые пазы, в которых с возможностью скольжения расположены нижние кромки подвижных труб.
Техническим результатом является: более широкие функциональные возможности водоспускного сооружения, как статические, так и динамические, а также повышению надежности, эффективности и долговечности всего сооружения.
Непрерывность работы водоспускного сооружения при изменении его эксплуатационных параметров и плавность процесса его переключения определяется взаимным расположением совмещаемых окон и их шириной. Это соотношение определяется минимальным углом переключения - углом относительно оси вращения, на который должна быть повернута подвижная труба относительно ближайшего полного предыдущего совмещенного состояния входного окна в подвижной и неподвижной трубах, до ближайшего последующего полного совмещенного состояния входного окна в обеих трубах в том же или другом уровне. Для соблюдения бесперебойности работы водоспускного сооружения его значение выбирается, в зависимости от требований, предъявляемых к изменению расхода воды через водоспускное сооружение в процессе переключения, в пределах больше одной ширины окна, но меньше двух; выраженных в дуговых градусах, отсчитываемых по дуге граничной окружности, образуемой пересечением граничной поверхности, лежащей между подвижной и неподвижной трубами, плоскостью поперечного сечения, проходящей через максимально широкую часть входного окна неподвижной трубы. При этом максимальная ширина входного окна неподвижной трубы по меньшей мере в полтора раза меньше ее внутреннего диаметра. Особенности работы водоспускного сооружения повышают его эффективность; расширяют его функциональные возможности, связанные с быстрым и одновременно плавным без гидравлических ударов изменением параметров. Новые функциональные возможности для рыбоводства представляет вариант водоспускного сооружения с переключаемыми калибрующими сетками. В нем соосно с неподвижной трубой снаружи расположены по меньшей мере две подвижных трубы, с возможностью независимого поворота относительно центральной оси вращения, наружная из которых имеет в каждом уровне большее число входных окон, совмещаемых с окнами неподвижной трубы, чем внутренняя. При этом входные окна имеют калибрующие сетки, размер ячеи в каждом из окон отличающейся от размера ячеи сеток других окон, лежащих в том же уровне водоспуска. Новую функцию добавляет вариант, в котором большее число входных окон в каждом уровне с калибрующими сетками в них имеет средняя труба, а окна наружной имеют заостренные кромки, предназначенные для очистки калибрующих сеток средней. Для этого варианта предложена конкретная конструкция. В ней внутренняя из подвижных труб жестко закреплена на опорном валу, связанном с неподвижной трубой через опоры вращения, каждая из наружных подвижных труб верхней частью жестко закреплена на принадлежащем ей полом валу, соосно установленном на внутреннем валу через опоры вращения, при этом крепеж внешней из наружных труб к принадлежащей ей полому валу расположен над крепежом внутренней по отношению к ней трубы к выступающей нижней части принадлежащего внутренней трубе полого вала. Удобное и надежное механизированное управление с возможностью полной его автоматизации с дистанционным управлением по радиоканалу подтверждают следующие признаки. Каждая из подвижных труб посредством передающих механическое управление деталей оснащена воротом, обеспечивающим удобство их независимого поворота вокруг центральной оси вращения, то есть ручного управления. Каждая из подвижных труб может быть оснащена цепной или(и) зубчатой передачей, связанной с ручным приводом и приводом управляемого электродвигателя, обеспечивающего автоматическое: запрограммированное и(или) оперативное дистанционное управление водоспускным сооружением.
Это повышение эффективности, надежности и долговечности всего сооружения обеспечивается также конструкцией его выходной части. Водобойный колодец и рыбоуловитель расположен в вентилируемом помещении, углубленном в тело плотины так, что его крыша частично или полностью закрыта сверху засыпкой и(или) грунтом низового откоса плотины. Помещение для рыбоуловителя, углубленное в тело плотины, и рыбоуловитель расположены более длинной из их сторон вдоль плотины. При этом расположенная параллельно гребню платины внутренняя стенка помещения имеет более протяженные размеры или объединена с бетонной диафрагмой плотины. Имеющая более протяженные размеры внутренняя стенка помещения для рыбоуловителя или объединенная с ней диафрагма объединена с бетонным основанием крепежа неподвижной трубы и опор служебного мостика, так что это бетонное основание выполняет дополнительную функцию понура. Такая бетонная конструкция включающая диафрагму с понуром обеспечивает надежность и долговечность всего сооружения. Находящийся внутри помещения рыбоуловитель имеет по меньшей мере два закрываемых сетками выходных канала. Конструкция выходной части водоспускного сооружения способствует сохранению рыбы при использовании рыбоуловителя, то есть повышает эффективность и надежность сооружения.
На фронтальной проекции Фиг. 1 представлен продольный осевой разрез простого и надежного варианта управляемого водоспускного сооружения с ручным управлением. Под ним на виде сверху служебный мостик. На Фиг. 1 обозначены: служебный мостик 1, полый вал 2, опорный вал 3, ворот ручного управления 4, водоотводящая труба - лежак 5, переходное колено 6, бетонное основание - крепеж неподвижной трубы и опор служебного мостика 7, входные окна 8, опора служебного мостика 9, неподвижная труба 10, крепеж опорного вала 11, подвижная труба 12, крепеж подвижной трубы 13, бетонная диафрагма, совмещенная с помещением для рыбоуловителя 14, помещение для рыбоуловителя 15, рыбоуловитель и водобойный колодец 16. Осуществление изобретения. Предложены многочисленные варианты осуществления, позволяющие варьировать их подборкой в зависимости от назначения конкретного водоема, для которого предназначается сооружение с возможность варьировать набором функциональных параметров в зависимости от требований к нему. В варианте водоспуска с минимизированными утечками опорный вал в верхней его части имеет резьбу, тип которой определяется конкретной конструкцией. Посредством резьбовой связи он удерживается соосно оси вращения по меньшей мере одной резьбовой опорой, резьбовой втулкой или(и) гайкой, закрепленной на неподвижном элементе конструкции: неподвижной трубе и(или) служебном мостике, жестко соединенным с неподвижной трубой посредством донных опор, закрепленных в общем с неподвижной трубой бетонном основании. Подвижная труба закреплена на опорном валу с резьбой через опоры вращения, при этом в области расположения окон граничные поверхности между трубами скорректированы уплотнителями из эластичного полимерного материала, имеющими формы усеченных конусов; уплотнители плотно закреплены на граничных поверхностях подвижной и неподвижной труб. Кроме перечисленных выше возможны следующие варианты осуществления. Например подвижная труба может быть жестко закреплена по меньшей мере в одном месте опорного вала, связанного через опору вращения по меньшей мере в одном месте с неподвижными элементами конструкции: неподвижной трубой и(или) служебным мостиком, жестко соединенным с неподвижной трубой посредством свай и(или) донных опор, закрепленных в общем с неподвижной трубой бетонном основании. Конкретный вариант осуществления этой конструкции, когда подвижная труба жестко закреплена по меньшей мере в одном месте опорного вала, связанного возвышающейся над неподвижной трубой частью через опору вращения по меньшей мере в одном месте с служебным мостиком. При этом на верхней части вала закреплен ворот и(или) передающий вращение элемент передачи, связанной с приводом управляемого электродвигателя, обеспечивающего автоматическое управление водоспускным сооружением.
Конкретное осуществление для варианта с несколькими подвижными трубами; они верхней частью закреплены на опорах вращения, принадлежащие наружной трубе из этих опорах вращения установлены над принадлежащими внутренней. Эти опоры вращения расположены в верхней части, возвышающегося над неподвижной трубой опорного вала. В другом варианте одна подвижная труба жестко закреплена по меньшей мере в одном месте опорного вала, связанном с неподвижными частями сооружения через опоры вращения, а вторая подвижная труба на полом валу, соосного закрепленным на опорном валу по меньшей мере посредством одной опоры вращения. При этом каждая из подвижных труб посредством передающих механическое управление деталей оснащена воротом, обеспечивающим удобство их независимого поворота вокруг центральной оси вращения, то есть ручного управления.
Предложено конкретное практическое выполнение крепежа деталей конструкции, расположенных ниже служебного мостика. Крепеж: подвижных труб, опорного вала, удерживающих втулок, опор вращения - обеспечивает их соосность центральной оси вращения и состоит из пропускающей воду ажурной конструкции: решетчатой или сетчатой, дополнительно состоящей из арматурных прутьев и (или) металлических спиц. При этом опоры вращения практически осуществляются подшипниками.
Предложенное техническое решение предоставляет возможность для осуществления разнообразных конструктивных вариантов. Позволяет варьировать формой входных окон водоспускного сооружения. Совмещаемые входные окна в подвижных трубах подобны по форме соответствующим окнам в неподвижной и представляют собой одну из следующих форм: треугольник, четырехугольник, прямоугольник, квадрат, пятиугольник, шестиугольник, круг, овал, эллипс или сложную форму, представляющую собой сочетание и сопряжение в одной сложной форме этих простых форм или скругление в них углов. Даны конкретные рекомендации для возможности осуществления лучших и практических вариантов. Например, вертикальная неподвижная труба стояка должна быть герметично соединена с заглубленной в грунт дна водоотводящей трубой лежака посредством переходного колена. Нижней опорой подвижных труб, расположенных снаружи, служит заглубленный кольцевой паз в бетонном основании с уплотнением мятой глиной. Входные окна должны иметь сороудерживающие, защитные или калибрующие сетки или решетки, кроме одного из самых нижних окон в подвижных трубах совмещаемого с донным входным окном в неподвижной трубе, центр которого расположен в самой удаленной от плотины ее точке. Величина диаметра неподвижной трубы стояка выбирается также с условием возможности пропуска через водоспуск паводковых вод, если в данном сооружении другие водосбросы отсутствуют. Даны конкретные рекомендации по применению материалов при осуществлении элементов сооружения и изготовлении его деталей. Нижними опорами подвижных труб служат кольцевые пазы из полимерного материала, например: второпласта, капролона, полиэтилена, полипропилена, в которых с возможностью скольжения расположены нижние кромки подвижных труб. Водобойный колодец, рыбоуловитель, опоры и сваи служебного мостика изготовлены из бетона или железобетона, другие части изготовлены из стандартных труб, водоотводящая труба лежака и неподвижная труба изготовлены из одного из следующих материалов: бетон, железобетон, чугун, керамика, защищенная от коррозии сталь, сталь и бетон; а подвижные трубы из одного из следующих материалов: полимерные пластмассы: полиэтилен, полипропилен, армированный стеклопластик, стекловолокно, композиционные армированные материалы, защищенная от коррозии сталь, при этом предпочтительно использовать стандартные трубы.