РАЗМЫВАЕМАЯ ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА РЕЗЕРВНОГО ВОДОСБРОСА Российский патент 1994 года по МПК E02B7/06 E02B8/06 

Изобретение относится к гидротехнике, более конкретно к грунтовым плотинам, которые применяются для перекрытия резервных водосбросов типа "предохранительные пробки".

Наиболее близким к заявленному техническому решению является решение с комбинированным противофильтрационным устройством, при этом его нижняя часть выполнена в виде напорного бетонного элемента с глубинным водосбросом, на который оперта противофильтрационная диафрагма. Напорный бетонный элемент выполнен на высоту Н_к
Н_к = Н_о + Н_а + а, где Н_о - напор на напорный бетонный элемент перед паводком;
Н_а - максимальная расчетная высота подъема воды при паводке;
а - запас высоты над максимальным уровнем воды в водохранилище, т. е. не допускается перелива воды через бетонный элемент. Так как противофильтрационная диафрагма имеет гребень на отметке, превышающей ФПУ, то использовать такую плотину на резервном водосбросе нельзя.

Прототипом предлагаемого технического решения является резервный водосброс грунтового подпорного сооружения, включающий устои и расположенную между ними грунтовую размываемую вставку, выполненную в виде плотины высотой меньше высоты подпорного сооружения, отличающуюся тем, что, с целью повышения эффективности работы за счет уменьшения глубины сработки водохранилища, он снабжен установленной между устоями со стороны водохранилища перед вставкой водосливной стенкой, высота которой меньше высоты вставки. При этом высота водосливной стенки h_свычисляется из формулы
Q = mb(h_вб-h_C)^3/2, где Q - расчетный расход через резервный водосброс;
m - коэффициент расхода стенки; b - ширина резервного водосброса; g - ускорение свободного падения; h_вб - глубина воды в водохранилище относительно дна резервного водосброса при пропуске расчетного расхода.

Недостатками этого резервного водосброса являются:
1. Невозможность определения уровня воды в водохранилище, при котором начнется разрушение вставки при переливе воды через гребень, что снижает надежность включения в работу резервного водосброса;
2. Расположение водосливной стенки перед вставкой практически не оказывает влияния на снижение фильтрации воды через вставку, а при нормальных условиях эксплуатации при разрушении вставки весь грунт уносится потоком воды, что снижает эффективность резервного водосброса.

Целью изобретения является повышение надежности резервного водосброса.

Цель достигается тем, что размываемая грунтовая плотина резервного водосброса снабжено комбинированным противофильтрационным устройством, гребень, которого размещается ниже форсированного подпорного уровня (▿ ФПУ), но выше нормального подпорного уровня ( ▿ НПУ), и наклонной в сторону нижнего бьефа вставкой из материала с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы, при этом внутри тела плотины со стороны нижнего бьефа за гребнем противофильтрационного устройства она снабжена траншеей, стенки которой выполнены из маловодопроницаемого материала (синтетической пленки, асфальтобетона и т. п. ), а сама траншея заполнена водопроницаемым материалом, которым также заполнено пространство между верховым откосом плотины и траншеей.

Такая конструкция грунтовой плотины обеспечивает при подъеме уровня воды выше гребня противофильтрационного устройства заполнение траншеи водой, а затем при превышении уровня воды верха низовой траншеи вода начинает переливаться через траншею и обводнять низовую призму плотины. Под действием силы гидростатического давления воды на низовую стенку траншеи силы фильтрующейся воды и силы взвешивания водой части низовой призмы ниже уровня воды в нижнем бьефе происходит сдвиг низовой призмы по наклонной вставке в сторону нижнего бьефа, разрушение плотины и включение резервного водосброса в работу.

На фиг. 1 изображена размываемая плотина резервного водосброса, поперечный разрез; на фиг. 2,3 - то же, с наклоненным в сторону нижнего бьефа противофильтрационным устройством.

Плотина имеет верховую 1 и низовую 2 призмы, верховую грань 3 противофильтрационного устройства в виде экрана с гребнем 4, наклонную вставку 5, траншею 6 с верховой 7 и низовой 8 стенками. На низовую стенку 8 траншеи 6 действует сила 9 гидростатического давления при превышении уровня воды в водохранилище отметки гребня 4 ( ▿ Гр) противофильтрационного устройства. Показана: плоскость а-а, проходящая через верховую грань наклонной вставки 5 и образующая угол α с дном водосброса; пунктиром - кривая депрессии в низовой призме, а стрелками - направление действия фильтрационных сил; отметка форсированного подпорного уровня (▿ ФПУ), отметка нормального подпорного уровня (▿ НПУ) и отметка гребня ( ▿ Гр) противофильтрационного устройства, угол β между низовой стенкой 8 и наклонной вставкой 5 (фиг. 1).

Наклонная в сторону нижнего бьефа вставка из материала (песок, синтетическая пленка и т. п. ) с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы, имеет верхнюю грань а-а, которая наклонена к дну водосброса под углом α больше угла внутреннего трения материала наклонного слоя, что обеспечивает сдвиг низовой призмы 2 именно по наклонной вставке под действием силы 9 гидростатического давления воды на низовую стенку 8 траншеи 6, собственного веса низовой призмы 2, фильтрационных сил и сил взвешивания грунта водой в низовой призме, когда уровень воды в водохранилище превысит отметку конца низовой стенки траншеи 6 и достигнет отметки ФПУ. После сдвига (оползания) низовой призмы 2 по наклонной вставке 5 происходит обрушение гребня плотины, размыв плотины переливающимся потоком воды и включение в работу резервного водосброса.

На фиг. 2 изображена размываемая грунтовая плотина резервного водосброса с наклоненным в сторону нижнего бьефа противофильтрационным устройством 3', размещенным в наклонной вставке 5, причем низковая стенка 8 траншеи герметически соединена с противофильтрационным устройством 5' ниже его гребня так, чтобы выполнялись требования к размещению низовой стенки 8 траншеи (см. выше). Траншея 6 снабжена защитным экраном 10 из малопроницаемого материала (глины, пленки и т. п. ) для предотвращения попадания дождевых и талых вод в траншею. Защитный экран 10 имеет уклон в сторону нижнего бьефа, его нижний конец герметически соединен с верхом низовой стенки 8, а верхний конец размещен выше гребня 4 противофильтрационного устройства, но ниже ▿ ФПУ, таким образом, чтобы верхний конец экрана был ближе к верхнему бьефу, чем точка пересечения верховой грани 3 и гребня 4 противофильтрационного устройства.

Плотина работает следующим образом.

В нормальных условиях эксплуатации, когда уровень воды в водохранилище не превышает НПУ, дождевые и талые воды не попадают в траншею 6, что увеличивает ее долговечность. При пропуске паводковых вод редкой повторяемости начинается подъем воды в водохранилище выше отметки гребня ( ▿ Гр) противофильтрационного устройства, заполнение траншеи водой, а при превышении уровня воды в водохранилище отметки верхнего конца защитного экрана 10 начнется перелив фильтрующейся воды поверх защитного экрана и обводнение низовой призмы. При достижении отметки ФПУ под действием силы 9 гидростатического давления на низовую стенку 8 траншеи 6, собственного веса низовой призмы, фильтрационных и взвешивающих сил произойдет оползание низовой призмы по наклонной вставке 5.

Размещение противофильтрационного устройства в наклонной вставке 5 приводит к формированию дополнительной силы 11 гидростатического давления воды на низовую призму 2, которая вместе с силой 9, фильтрационными силами и силами взвешивания повышает эффективность резервного водосброса путем более надежного включения его в работу при ▿ ФПУ. По сравнению с решением по фиг. 1 здесь достигается экономия за счет того, что часть наклонного противофильтрационного устройства выше точки соединения с низовой стенкой 8 траншеи выполняет функции верховой стенки 7 траншеи.

На фиг. 3 изображено техническое решение по п. 4 и 5 формулы изобретения. Отличие этого решения по п. 4 заключается в размещении внутри тела плотины водослива 12 высотой h_в, выполняющего при нормальных условиях эксплуатации функции части комбинированного противофильтрационного устройства, так как гребень 13 водослива герметически соединен с наклонным противофильтрационным устройством 3 ', а при работе резервного водосброса функцию водослива с напором Н-h_в с коэффициентом расхода m₂ значительно большим, чем коэффициент расхода m₁обычного резервного водосброса, работающего как водослив с широким порогом при напоре Н/4. Высота водослива h_в определяется по формуле
h_в= H1-, которая выводится из условия равенства расходов, пропускаемых через резервный водосброс без водослива и с водосливом, т. е.

Q = m₁bH^3/2= Q_в= m₂bH-h, где b - ширина резервного водосброса; g - ускорение свободного падения.

При использовании этого решения происходит повышение эффективности резервного водосброса путем сработки водохранилища до отметки гребня водослива ( ▿В), а не до дна резервного водосброса. Кроме того часть грунта тела плотины в объеме 14 перед водосливом не смывается потоком, а остается после прохождения паводка через водосброс, что уменьшает затраты на восстановление размываемой грунтовой плотины и набора воды в водохранилище до отметки НПУ.

Решение по п. 4 формулы изобретения применимо и для технических решений, показанных на фиг. 1, 2, но наиболее эффективно с решением по фиг. 2 и 3.

На фиг. 3 изображено также техническое решение по п. 5, формулы изобретения. Верхняя часть противофильтрационного устройства 3' выполнена в виде наклонной стенки 15 из маловодопроницаемого материала, низ которой герметически соединен с гребнем 4 противофильтрационного устройства 3' , а верх расположен не выше ФПУ, при этом угол γ между стенкой 15 и наклонной вставкой составляет не менее 90^o . Такое решение применимо также для конструкций, показанных на фиг. 1, 2, но наиболее эффективно для решений, изображенных на фиг. 3.

Плотина работает следующим образом.

При форсировке уровня воды в хранилище от НПУ до ФПУ происходит рост силы 9 и силы 11 гидростатического давления воды соответственно на наклонную стенку 15 и экран (3), что совместно с действием сил тяжести, фильтрационных сил и сил взвешивания, действующих на низовую призму 2, вызывает оползание низовой призмы 2, разрушение противофильтрационного устройства 3', размыв грунтовой плотины и пропуск паводка редкой повторяемости через резервный водосброс.

Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить надежность и эффективность резервного водосброса путем гарантированного включения в работу при подъеме уровня воды в водохранилище до отметки форсированного подпорного уровня.

Использование: в гидротехническом строительстве, в частности в сооружениях грунтовых плотин. Сущность изобретения: плотина включает верховую и низовую призмы, наклонную в сторону нижнего бьефа вставку, верховую грань противофильтрационного устройства в виде экрана с гребнем. Верхняя часть противофильтрационного устройства со стороны нижнего бьефа выполнена в виде траншеи, ломаного V-образного профиля с верховой и низовой стенками. При превышении уровня воды в водохранилище на низовую стенку действует сила гидростатического давления, под действием которой происходит оползение низовой призмы и включение в работу резервного водосброса. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. РАЗМЫВАЕМАЯ ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА РЕЗЕРВНОГО ВОДОСБРОСА, включающая верховую и низовую призмы с откосами, комбинированное противофильтрационное устройство, содержащее наклонную в сторону нижнего бьефа вставку из материала с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности резервного водосбора путем включения его в работу при форсированном подпорном уровне воды в водохранилище, гребень противофильтрационного устройства расположен между нормальным и форсированным подпорными уровнями водохранилища и примыкает с наклонной под углом α к дну водосброса вставке, ограниченной сверху креплением верхового откоса плотины, а снизу дном водосброса, при этом угол α выполнен не превышающим внутреннего трения материала наклонной вставки, а верхняя часть комбинированного противофильтрационного устройства со стороны нижнего бьефа выполнена в виде траншеи ломаного V-образного профиля и заполнена водопроницаемым материалом, верховая стенка траншеи размещена в наклонной вставке и вверху герметически соединена с гребнем противофильтрационного устройства, низовая стенка траншеи составляет с наклонной вставкой угол не менее 90^oС, а верх низовой стенки расположен выше гребня противофильтрационного устройства, но ниже форсированного подпорного уровня водохранилища. 2. Плотина по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности резервного водосброса, низовая стенка траншеи герметически соединена с наклоненным в сторону нижнего бьефа противофильтрационным устройством, размещенным в наклонной вставке, ниже его гребня. 3. Плотина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности резервного водосброса, траншея противофильтрационного устройства снабжена защитным экраном из маловодопроницаемого материала, имеющим уклон в сторону нижнего бьефа, при этом нижний конец защитного экрана герметически соединен с верхом низовой стенки траншеи, а верхний конец экрана расположен ниже форсированного подпорного уровня и размещен ближе к верхнему бьефу, чем точка пересечения гребня и верховой грани противофильтрационного устройства. 4. Плотина по пп. 1 - 3, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы резервного водосброса путем уменьшения глубины сработки водохранилища и снижения стоимости плотины при ее восстановлении, нижняя часть противофильтрационного устройства выполнена в виде водослива, гребень которого размещен внутри наклонной вставки. 5. Плотина по пп. 1, 2 и 4, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности резервного водосброса путем снижения его стоимости, верхняя часть наклоненного в сторону нижнего бьефа противофильтрационного устройства выполнена в виде наклонной стенки, низ которой герметически соединен с гребнем противофильтрационного устройства, а верх которой расположен не выше форсированного подпорного уровня, при этом угол между стенкой и наклонной вставкой составляет не менее 90^o.