ВОДОСБРОСНОЕ СООРУЖЕНИЕ Российский патент 1999 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при устройстве крепления в нижнем бъефе водосборных и водопропускных сооружений.

Известно водосбросное сооружение, включающее размещенные на дренажном слое водослив и водобойные плиты с дренажными колодцами (см. Гришин М.М. "Гидротехнические сооружения. ч. 1. М.: Высшая школа, 1979, с. 230, рис. 9.03).

Однако в известном водосбросном сооружении высокие гидродинамические нагрузки от бурного потока по дренажным колодцам передаются в виде ударов на подошвы водобойных плит, а через грунты основания и на подошву водослива, что обуславливает массивность сооружения.

Известно водосбросное сооружение, в основании водобойных плит которого в дренажном слое вокруг каждого дренажного колодца расположен гаситель пульсаций давления в виде замкнутой эластичной оболочки, заполненной воздухом и помещенной особым образом в жесткий перфорированный элемент (см. RU, авторское свидетельство N 1740537, кл. E 02 B 8/06, 1992 г.).

Однако такое водосбросное сооружение является также массивным из-за того, что водобойная плита находится во взвешенном противодавлением воды состоянии. При этом гасители пульсаций давления не ремонтопригодны и могут быстро выйти из строя.

Известно водосбросное сооружение, в котором дренажный колодец выполнен в виде зазора вокруг сваи, пересекающей водобойную плиту и дренажный слой и погруженной в основание, при этом оголовок сваи образует гаситель энергии потока (RU, авторское свидетельство N 529281, кл. E 02 B 8/06, 1976 г.)
В таком водосбросном сооружении с низовой стороны (со стороны нижнего бьефа) гаситель в потоке воды возникает отрыв струи с образованием подструйной области с пониженным давлением. Это могло бы благоприятно сказаться на устойчивости водобойной плиты за счет снижения противодавления воды на ее подошву. Однако через дренажный зазор у верховой стороны гасителя под плиту проникают ударные нагрузки, которые не только полностью ликвидируют этот возможный положительный результат, но и обуславливают обратный результат: увеличивают мгновенное противодавление воды на подошву водобойной плиты.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является водосбросное сооружение, в котором дренажный колодец выполнен в виде канала, а его выходное отверстие полностью расположено непосредственно за уступом гасителя, обрывистая поверхность которого обращена в сторону нижнего бьефа. Гаситель выполнен на водобойной плите, размещенной на дренажном слое с низовой стороны от водосливной плотины, и образует подструйную область (см. Рекомендации по определению гидродинамических нагрузок, воздействующих на плиты водосбоев и рисберм водосливных плотин. П73-78, ВНИИГ, A. 1979, с. 50).

Недостатком такого известного водосбросного сооружения является то, что подструйная область, образуемая гасителем, является неустойчивой и полностью заполнена водой с пульсирующим давлением, которое по дренажному каналу передается на подошву водобойной плиты, что снижает надежность работы водосбросного сооружения.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении надежности работы водосбросного сооружения путем повышения эффективности понижения противодавления воды на подошву водобойной плиты и предотвращения передачи пульсации давления под водобойную плиту по дренажному каналу. Одновременно с этим повышается эффективность гашения энергии потока воды, предотвращаются кавитационные разрушения сооружения и повышается его ремонтопригодность.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в водосбросном сооружении, включающем водослив и водобойную плиту, размещенные на дренажном слое, бортовые стенки, элемент с уступом, обрывистая поверхность которого обращена в сторону нижнего бьефа и образует в потоке воды подструйную область, и дренажный канал, сообщенный одним концом с дренажным слоем, а другим концом с нижним бьефом, причем выходное отверстие дренажного канала расположено непосредственно за уступом по отношению к потоку воды, согласно изобретению водосбросное сооружение снабжено воздуховодом, сообщающим дренажный канал с атмосферой, а выходное отверстие дренажного канала расположено на обрывистой поверхности уступа.

Дополнительно:
- выходное отверстие дренажного канала расположено на расстоянии от водобойной плиты;
- дренажный канал сообщен с дренажным слоем посредством перфорированной трубы, размещенной в дренажном слое;
- элемент с уступом выполнен на бортовой стенке, причем в ее нижней части и на расстоянии от водобойной плиты;
- элемент с уступом выполнен на водосливе в виде трамплина, примыкающего к водобойной плите;
- элемент с уступом выполнен на водобойной плите в виде оголовка сваи, пересекающей водобойную плиту и дренажный слой и погруженной в основание водосбросного сооружения;
- воздуховод одним концом присоединен к перфорированной трубе, а другим концом сообщен с атмосферой;
- элемент с уступом на бортовой стенке выполнен в виде выступа и/или углубления.

Сущность технического решения заключается в том, что насыщение подструйной области и дренажного канала воздухом повышает устойчивость подструйной области, необходимой для постоянного снятия противодавления воды на подошву водобойной плиты, и практически полностью предотвращает передачу пульсации давления через дренажный канал под водобойную плиту за счет высокой демпфирующей способности легко сжимаемой водовоздушной смеси, образующейся в канале и в подструйной области. При этом вследствие аэрации потока воды повышается эффективность гашения энергии потока и предотвращаются кавитационные разрушения сооружения. Расположение же выходного отверстия дренажного канала на обрывистой поверхности уступа и на расстоянии от водобойной плиты повышает эффективность дальнейшего понижения давления в подструйной области за счет расположения выходного отверстия дренажного канала в менее затопляемой и менее пульсирующей центральной части подструйной области. И, наконец, расположение доступного при ремонте уступа на боковой поверхности бортовой стенки в ее нижней части и на расстоянии от водобойной плиты обеспечивает еще большее понижение давления в подструйной области за счет своевременного выноса воды из подструйной области потоком, омывающим уступом снизу, что обеспечивает эффективное снижение противодавления воды на подошву водобойной плиты и всасывание заданного количества воздуха при заданной величине разрежения под водобойной плитой.

На фиг. 1 изображено однопролетное водосбросное сооружение, план; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Однопролетное водосбросное сооружение включает водослив, выполненный в виде водосливной плотины 1, размещенной на дренажном слое 2, водобойную плиту 3, размещенную на дренажном слое 4, бортовые стенки 5, примыкающие к плотине 1, бортовые стенки 6, примыкающие к водобойной плите 3, и элементы с уступами, обрывистая поверхность которых обращена в сторону нижнего бьефа, выполненных в виде выступов 7 на бортовых стенках 6, в виде трамплина 8 на водосливной пластине 1 и в виде гасителей энергии 9 на водобойной плите 3.

Выступы 7 расположены по одному на обеих бортовых стенках 6 в их нижних частях и на расстоянии от водобойной плиты 3, при этом каждый выступ образует уступ 10. Между выступами 7 под водобойной плитой 3 в дренажном слое 4 размещена перфорированная труба 11, концы которой сообщены с нижним бьефом посредством дренажных каналов 12, выполненных в бортовых стенках 6, и с атмосферной посредством воздуховодов 13. При этом выходное отверстие 14 каждого дренажного канала 12 расположено непосредственно за выступом 7 по отношению к потоку воды на обрывистой поверхности его уступа 10, а выходные отверстия 15 воздуховодов 13 расположены на боковых поверхностях бортовых стенок 6 на незатопляемых отметках.

Трамплин 8 примыкает к водобойной плите 3 и образует уступ 16, а между бортовыми стенками 5 под водосливной плотиной 1 в дренажном слое 3 размещена перфорированная труба 17, полость которой сообщена с нижним бьефом посредством дренажных каналов 18, выполненных в плотине 1, и с атмосферой посредством воздуховодов 19, выполненных в бортовых стенках 5. При этом каждое выходное отверстие 20 дренажного канала 18 расположено на обрывистой поверхности уступа 16 и на расстоянии от водобойной плиты 3, а выходные отверстия 21 воздуховодов 19 расположены на боковых поверхностях бортовых стенок 5 на незатопляемых отметках.

Гасители 9 на водобойной плите 3 в плане расположены в два ряда поперек водобойной плиты 3 в шахматном порядке, имеют вид расщепителей потока и каждый выполнен в виде оголовка сваи 22, пересекающей водобойную плиту 3 и дренажный слой 4 и погруженной в основание 23 водосбросного сооружения, и образует уступ 24. Между рядами гасителей 9 под водобойной плитой 3 в дренажном слое 4 размещена перфорированная труба 25, полость которой сообщена с нижним бьефом посредством дренажных каналов 26, выполненных в каждой свае 22, и с атмосферой посредством воздуховодов 27, выполненных в бортовых стенках 6. При этом выходное отверстие 28 каждого дренажного канала 26 расположено на обрывистой поверхности уступа 24 соответствующего гасителя 9 и на расстоянии от водобойной плиты 3, а выходные отверстия 29 воздуховодов 27 расположены на боковых поверхностях соответствующих стенок 6 на незатопляемых отметках.

Элемент с уступом 10 на бортовой стенке 6 может быть выполнен в виде углубления 30 (на чертеже углубление изображено пунктиром) или комбинированным.

При необходимости дренажные слои 2 и 4 посредством простейших противофильтрационных элементов (не показаны) отгораживаются от нижнего бьефа.

В многопролетном водосбросном сооружении входные отверстия воздуховодов 19, 13 и 27 располагаются на боковых поверхностях как бортовых стенок 5 и 6, так и на быках водосливной плотины, на разделительных стенках и на незатопляемых расщепителях потока.

Водосбросное сооружение работает следующим образом.

В период отсутствия сброса воды по водосбросному сооружению профильтровавшаяся со стороны верхнего бьефа вода попадает в дренажные слои 2 и 4, собирается в перфорированных трубах 17, 11 и 25 и через дренажные каналы 18, 12 и 26 беспрепятственно поступает в нижний бьеф. В результате этого уменьшается фильтрационное давление воды на подошвы водосливной плотины 1 и водобойной плиты 3.

В период сброса воды водобойная плита 3 подвергается высоким пульсирующим нагрузкам. Одновременно с этим за каждым уступом 16, 10 и 24 образуется подструйная области с давлением ниже атмосферного. В результате чего по воздуховодам 19, 13 и 27 в перфорированные трубы 17, 11 и 25 поступает воздух, а дренажные каналы 18, 12 и 26 начинают отсасывать водовоздушную смесь, заполняя ею подструйную область. Это повышает устойчивость подструйной области и практически полностью предотвращает передачу пульсации давления через дренажные каналы под водобойную плиту 3. В таких условиях до атмосферного и ниже снижается противодавление воды на подошвы водосливной плотины 1 и водобойной плиты 3, которые после этого весь свой вес (взвешивание отсутствует) и вес воды, находящейся над ними, полностью передают непосредственно на скелет грунта основания, что существенно повышает устойчивость сооружения. При этом поступление воздуха в поток воды способствует гашению энергии потока и защищает сооружение от кавитации.

Наиболее глубокое и устойчивое понижение давления происходит у бортовой стенки 6 за уступом 10, который омывается потоком воды снизу, в результате чего вода из подструйной области незамедлительно выносится этим потоком, что и предотвращает "захлебывание" дренажного канала 12.

Сваи 22 работают совместно с водобойной плитой 3, что позволяет в большей мере использовать несущие свойства основания 23. При этом сложные дренажные каналы 26 в свае 22 выполняются при ее изготовлении в заводских условиях, а оголовку сваи 22 придаются повышенная прочность и стойкость против кавитации.

Воздуховоды 13 и 27 могут быть не доведены до подошвы водобойной плиты, а сообщены с дренажными каналами, например, в пределах толщины водобойной плиты. В этом случае атмосферное давление (пьезометрический уровень воды) установится выше подошвы водобойной плиты, что приведет к частичному взвешиванию водобойной плиты, однако вода над плитой будет продолжать являться полезной пригрузкой.

Воздуховоды 13, 19 и 27 на выходе могут быть снабжены заслонками (на чертеже не показаны), посредством которых можно уменьшить в установленных пределах количество воздуха, подаваемого в дренажные колодцы, а следовательно, и установить при необходимости в дренажных слоях 2 и 4 пьезометрический уровень воды ниже подошвы водобойной плиты 3.

Элементы с уступами 10 на бортовых стенках 6 могут быть расположены на осушаемых в межень отметках и быть, таким образом, доступными для осмотра и ремонта, а сама дренажно-воздуховодная система оборудуется датчиками давления.

Понижение противодавления воды под плотиной 1 и водобойной плитой 3 при сбросе воды временно увеличит градиенты фильтрационного потока в основании 23, что учитывается при проектировании сооружения.

Использование изобретения позволит повысить надежность работы водосбросного сооружения путем повышения эффективности снижения противодавления воды на подошву водобойной плиты и предотвращения передачи пульсации давления под водобойную плиту по дренажным каналам. Дополнительно повышается эффективность гашения энергии потока, предотвращается кавитационное разрушение сооружения и повышается ремонтопригодность сооружения.

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть использовано при устройстве крепления в нижнем бьефе водосбросных и водопропускных сооружений. Водосбросное сооружение включает водослив, водобойную плиту, размещенные на дренажном слое, и элементы с уступами, обрывистая поверхность которых обращена в сторону нижнего бьефа. Элементы выполнены в виде выступов на бортовых стенках, в виде трамплина на водосливе и в виде гасителей энергии на водобойной плите. Под элементами в дренажном слое размещена перфорированная труба, полость которой сообщена с нижним бьефом посредством дренажных каналов. Дренажный канал сообщен с атмосферой посредством воздуховодов. Изобретение позволяет понизить противодавление воды на подошву водобойной плиты, предотвратить передачу пульсации давления под водобойную плиту по дренажному каналу, повысить эффективность гашения энергии потока, предотвратить кавитационные разрушения сооружения. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Водосбросное сооружение, включающее водослив и водобойную плиту, размещенные на дренажном слое, бортовые стенки, элемент с уступом, обрывистая поверхность которого обращена в сторону нижнего бьефа и образует в потоке воды подструйную область, и дренажный канал, сообщенный одним концом с дренажным слоем, а другим концом - с нижним бьефом, причем выходное отверстие дренажного канала расположено непосредственно за уступом по отношению к потоку воды, отличающееся тем, что оно снабжено воздуховодом, сообщающим дренажный канал с атмосферой, а выходное отверстие дренажного канала расположено на обрывистой поверхности уступа. 2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что выходное отверстие дренажного канала расположено на расстоянии от водобойной плиты. 3. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что дренажный канал сообщен с дренажным слоем посредством перфорированной трубы, размещенной в дренажном слое. 4. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что элемент с уступом выполнен на бортовой стенке, причем в ее нижней части и на расстоянии от водобойной плиты. 5. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что элемент с уступом выполнен на водосливе в виде трамплина, примыкающего к водобойной плите. 6. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что элемент с уступом выполнен на водобойной плите в виде оголовка сваи, пересекающей водобойную плиту и дренажный слой и погруженной в основание водосбросного сооружения. 7. Сооружение по п.3, отличающееся тем, что воздуховод одним концом присоединен к перфорированной трубе, а другим концом сообщен с атмосферой. 8. Сооружение по п.4, отличающееся тем, что элемент с уступом на бортовой стенке выполнен в виде выступа и/или углубления.