ВОДОБОЙНЫЙ КОЛОДЕЦ ВОДОСБРОСНОГО СООРУЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК E02B8/06 

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при создании водобойного колодца при больших расходах воды на высоконапорном гидроузле преимущественно на скальном основании.

Известен водобойный колодец, включающий плоскую цельную массивную водобойную плиту, заглубленную в основание [1].

Недостаток такого устройства заключается в значительной толщине плиты, которая необходима для восприятия рабочих нагрузок, а также в его применимости только при малых удельных расходах воды на водосбросе из-за ограниченности длины цельной водобойной плиты.

Известен водобойный колодец, включающий боковые стенки и разделенное швами на плиты крепление дна, имеющего вогнутую форму [2].

В этом устройстве крепление дна от пульсирующего взвешивающего усилия работает надежно как арка только при значительном заглублении крепления в основание и значительной толщине его плит.

Наиболее близким к предлагаемому является широко известный водобойный колодец водосбросного сооружения, включающий водобойный элемент (стенка и/или уступ), боковые стенки и крепление дна, разделенное на плиты швами, перекрытыми уплотняющими устройствами [3, 4, 5 и др.].

Основными недостатками известного водобойного колодца (прототипа) являются недостаточная надежность при его работе и высокая материалоемкость при создании. Эти недостатки обуславливаются тем, что, во-первых, на подошву крепления дна действует высокое осредненное давление воды, а при малейшем нарушении водопроницаемости уплотняющего устройства по межплитному шву из области гидравлического прыжка в основание крепления неизбежно проникают волны давления, вызывающие разрушающую крепление вибрацию; во-вторых, значительная высота ограждающих сооружений: боковых стенок и водобойного элемента.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности водобойного колодца и снижение его материалоемкости. Технический же результат от использования изобретения заключается в снижении осредненного давления воды на подошву крепления дна и в предотвращении передачи по межплитному шву из области гидравлического прыжка в основание крепления пульсации давления, а также в уменьшении высоты ограждающих сооружений водобойного колодца.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в водобойном колодце водосбросного сооружения, преимущественно на скальном основании, включающем водобойный элемент, боковые стенки и крепление дна, разделенное на плиты швами, перекрытыми уплотняющими устройствами, согласно изобретению в основании каждого шва крепления дна и вдоль него выполнен дренажный канал. Каналы гидравлически сообщены между собою и образуют под креплением дна самотечную дренажную канальную систему, сообщенную посредством самотечного сливного канала с насосной станцией, обеспечивающей безнапорный режим воды в канальной системе. Дно водобойного колодца имеет вогнутую форму, что упрощает создание самотечности в каналах, а сливной канал выполнен в виде коллекторного канала (галереи) самотечной дренажной канальной системы, частично пересекающего водобойный колодец поперек в его средней по длине части. Канальная система, в случае наличия в основании водобойного колодца естественного или искусственного дренажа, сообщена с последним.

Слив воды из канальной системы осуществляется в водоприемный колодец насосной станции, которая выполнена шахтного типа и содержит "сухую" шахту с установленными в ней насосами. Каждый насос сообщен с водоприемным колодцем посредством всасывающей трубы, входное отверстие которой размещено ниже уровня сливного порога самотечного сливного канала, что необходимо для поддержания уровня воды в колодце, обеспечивающего безнапорный режим воды в сливном канале.

Уплотняющее устройство выполнено в виде по меньшей мере двух поярусно расположенных в шве прокладок (шпонок). Целесообразно хотя бы одну из прокладок выполнять из эластичного материала и с внутренней продольной полостью, заполненной газом и разделенной по длине непроницаемыми перемычками на секции. Такая прокладка из эластичного материала за счет высокой объемной деформативности эффективно гасит пульсирующие в водобойном колодце нагрузки и препятствует их проникновению под крепление дна [6].

При работе водосбросного сооружения также целесообразно в канальной системе создавать разрежение, обеспечивающее "присос" крепления к дну. С этой целью по меньшей мере один насос установлен струйный, его струеобразующая насадка (сопло) водоводом сообщена с верхним бьефом водосбросного сооружения, а водоприемный колодец снабжен герметизированной крышкой.

При эксплуатации водобойный колодец может быть осушен посредством водосливных труб, гидравлически сообщающих водобойный колодец с водоприемным колодцем. Все сливные трубы проходят через "сухую" шахту и в ее пределах снабжены запорным устройством. По меньшей мере одна сливная труба размещена в основании крепления дна, а ее входное отверстие расположено в наиболее низкой части вогнутой поверхности крепления дна.

Сущность технического решения заключается прежде всего в том, что выполненная по особым правилам в основании водобойного колодца самотечная дренажная канальная система с безнапорным режимом воды посредством своей каналообразной воздушной полости создает в основании каждого шва крепления дна водобойного колодца разрыв сплошности водной среды, что, во-первых, уменьшает осредненную величину гидромеханического давления на подошву крепления, во-вторых, предотвращает передачу по межплитному шву в основание крепления пульсации давления. Одновременно, в случае создания в воздушной полости канальной системы разрежения, практически полностью предотвращается гидромеханическое воздействие воды на подошву крепления.

Предлагаемый водобойный колодец иллюстрируется чертежами, при этом на фиг.1 показан план водобойного колодца, а на остальных - разрезы, показанные на фиг.1, среди которых:
- на фиг.2 - продольный разрез водобойного колодца по А-А;
- на фиг.3 - поперечный разрез водобойного колодца по Б-Б;
- на фиг.4 - поперечный разрез В-В по межблочному шву с рядовым дренажным каналом в основании;
- на фиг. 5 - поперечный разрез Г-Г по межблочному шву с дренажно-коллекторным каналом в основании;
- на фиг.6 - поперечный разрез Д-Д по межблочному шву с дренажно-сливным каналом в основании по водоспускной трубе осушения колодца.

Водобойный колодец водосбросного сооружения размещен на скальном основании 1 и включает водобойный элемент в виде водобойной стенки 2, боковые стенки 3 и крепление 4 дна 5 (поверхность основания 1). Крепление 4 отделено от водобойной стенки 2 швом 6, от боковых стенок 3 - швом 7, от водосбросного сооружения, выполненного в виде водосливной плотины 8, - швом 9. Крепление 4 разделено на плиты 10 посредством межплитных швов 11, перекрытых уплотняющим устройством, состоящим из трех поярусно расположенных прокладок (шпонок) 12, 13 и 14 (сверху вниз).

В основании крепления 4 выполнена самотечная дренажная канальная система, со стоящая из сообщающихся между собою дренажных каналов: рядовых 15, коллекторных 16 и сливного (главного коллектора) 17. Канальная система выполнена таким образом, что в основании каждого шва 6, 7 и 11 и вдоль него размещен один из перечисленных дренажных каналов, гидравлически сообщенный с частью 18 полости шва, расположенной ниже прокладки 14. Посредством самотечного сливного канала 17 канальная система сообщена с насосной станцией 19, обеспечивающей в этой системе отвод дренажной воды, профильтровавшей по швам крепления 4, в безнапорном режиме.

Все дренажные каналы 15 ( фиг.4), 16 (фиг.5) и 17 (фиг.6) выполнены с уклоном их дна 20 в сторону насосной станции 19, необходимого для самотечности. Этот уклон создается как за счет придания поверхности дна 5, а вместе с ней и поверхности 21 крепления 4, вогнутой формы, так и за счет увеличения заглубления дна 20 каналов в скальное основание 1. Дренажно-сливной канал 17 является главным коллекторным каналом, выполнен в виде галереи и частично пересекает водобойный колодец поперек в его средней по длине части.

Непосредственно под креплением 4 скальный слой 22 при подготовке основания неизбежно приобретает повышенную трещиноватость, образуя таким образом естественный дренажный слой, гидравлически сообщенный со всеми дренажными каналами 15, 16 и 17 через их необлицованные днища 20. Это существенно повышает эффективность работы всей дренажной канальной системы и совместно с анкерами 23 обеспечивает устойчивость плит 9 при работе водобойного колодца.

Насосная станция 19 выполнена шахтного типа (фиг.1 и 3), конструктивно совмещена с боковой стенкой 3 и включает водоприемный колодец 24 и "сухую" шахту 25 с установленными в ней насосами: насосы-машина 26 и струйный насос 27. Каждый насос сообщен с водоприемным колодцем 24 посредством всасывающей трубы 28, входное отверстие которой размещено ниже уровня сливного порога 29 самотечного сливного канала 17. Труба 28 снабжена задвижкой 30. Струеобразующая насадка (сопло) 31 струйного насоса 27 водоводом 32 сообщена с верхним бьефом водосбросного сооружения, а водоприемный колодец 24 снабжен герметичной крышкой 33.

Верхняя прокладка 12 уплотняющего устройства выполнена из эластичного материала, преимущественно из резины, и с внутренней продольной полостью 34, заполненной газом и разделенной по длине на герметизированные секции (не показаны). Все швы выше резиновой прокладки 12 заполнены раствором 35.

Водобойный колодец посредством сливных труб 36 и 37, необходимых для опорожнения водобойного колодца на случай его ремонта, сообщен с водоприемным колодцем 24. Эти трубы проходят через шахту 25 и в ее пределах снабжены задвижками 38. Славная труба 36 пересекает боковую стенку 3, а сливная труба 37 (фиг.6) размещена в основании крепления 4, при этом ее входное отверстие 39 расположено в наиболее низкой средней части вогнутой поверхности 21 крепления 4.

Многопролетная плотина 8 сопряжена с водобойным колодцем посредством носка-трамплина 40 и пирсов-рассекателей 41 (фиг.1 и 2). Эффективность такого сопряжения показана в [5]. В разделяющем шве 9 выполнен дренажный канал 42, сообщенный каналом 43 с дренажной галереей 44 перехватывающего дренажа 45 ( фиг.2).

Водобойный колодец водосбросного сооружения работает следующим образом.

В период отсутствия сброса воды по водосбросному сооружению уровни воды в водобойном колодце и в нижнем бьефе одинаковые, а профильтровавшаяся со стороны верхнего бьефа под водосливной плотиной вода перехватывается дренажем 45, поэтому элементы водобойного колодца не подвергаются значительным рабочим нагрузкам.

В период сброса воды на поверхность 21 крепления 4 водобойного колодца действуют высокие нагрузки: осредненные и пульсационные составляющие гидродинамического давления. Наиболее опасная пульсационная составляющая давления практически не передается по швам 6, 7, 9, 11, поскольку она в существенной мере гасится верхней полой резиновой прокладкой 12. При своевременном задействовании самотечной дренажной канальной системы, отводящей профильтровавшую по швам крепления 4 дренажную воду в безнапорном режиме, верхние части канальных полостей заполняются воздухом. Этим достигается разрыв сплошности водной среды в основаниях швов, что уменьшает давление воды на подошву крепления и полностью предотвращает передачу по межплитному шву в основание крепления пульсации давления.

Такое функционирование канальной системы возможно только при удалении насосами 26 и/или 27 воды из водоприемного колодца 24 с интенсивностью, обеспечивающей в водоприемном колодце постоянно уровень воды ниже порога 29 сливного канала 17.

Задействование струйного насоса 27 и герметизация полости водоприемного колодца 24 крышкой 33 позволяет создать в канальной системе разрежение, что еще в большей степени уменьшает давление воды на подошву крепления 4. Это разрежение по дренажному слою 22 распространяется на всю площадь подошвы крепления 4, что особенно важно в случае образования в плитах 9 сквозных трещин.

Придание дну 5 вогнутой формы упрощает выполнение каналов с продольными уклонами, необходимыми для их самотечности, и уменьшает высоту боковых стенок 3 и водобойной стенки 2, что уменьшает их материалоекость. Одновременно это накладывает ограничение в работе водосбросного сооружения, которое заключается в том, что сброс воды осуществляется преимущественно по средним пролетам водосливной плотины 8, а по крайним - только после создания больших глубин в водобойном колодце.

Использование изобретения позволит повысить надежность работы водобойного колодца, особенно при высоких напорах и удельных расходах, и снизить расход материалов при его создании.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения. М: Госстройиздат. - 1962. -C.130.

2. Авторское свидетельство СССР 979573, кл. Е 02 В 6/06, опубл. 17.12.82.

3. Ефименко А. И. и др. Разрушение крепления дна водобойного колодца и его ремонт. Сборник научных трудов Гидропроекта. - М.: -1988. - Вып.125. С. 86-105.

4. Брызгалов В. И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Производственное издание. -Красноярск: Сиб. изд. дом "Суриков", 1999. - C.145-168.

5. Рубинштейн Г.Л. Пирсы - растекатели для водобойного колодца Саяно-Шущенской ГЭС. Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева /Сборник научных трудов. 2000. Т 236. С.51-57.

6. Авторское свидетельство СССР 1587109, кл. Е 02 В 3/16, опубл. 23.08.90.

7. Патент России 2131494, кл. Е 02 В 8/06, опубл. 10.06.99.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при создании водобойного колодца при больших расходах воды на высоконапорном гидроузле, преимущественно на скальном основании. В основании водобойного колодца выполнена самотечная дренажная канальная система с безнапорным режимом, которая посредством своей каналообразной воздушной полости создает в основании каждого шва крепления дна разрыв сплошности водной среды. Тем самым уменьшается осредненная величина гидромеханического давления на подошву крепления и предотвращается передача по межплитному шву в основание крепления пульсации давления. Техническим результатом является повышение надежности водобойного колодца и снижение его материалоемкости. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Водобойный колодец водосбросного сооружения, преимущественно на скальном основании, включающий водобойный элемент, боковые стенки и крепление дна, разделенное на плиты швами, перекрытыми уплотняющими устройствами, отличающийся тем, что в основании каждого шва крепления дна и вдоль него выполнен дренажный канал, при этом каналы гидравлически сообщены между собою и образуют под креплением дна самотечную дренажную канальную систему, сообщенную посредством самотечного сливного канала с насосной станцией, обеспечивающей безнапорный режим воды в канальной системе. 2. Водобойный колодец по п. 1, отличающийся тем, что дно водобойного колодца имеет вогнутую форму, а сливной канал выполнен в виде коллекторного канала (галереи) самотечной дренажной канальной системы, частично пересекающего водобойный колодец поперек в его средней по длине части. 3. Водобойный колодец по п. 1, отличающийся тем, что в случае наличия в основании водобойного колодца естественного и/или искусственного дренажа последний сообщен с канальной системой. 4. Водобойный колодец по п. 2, отличающийся тем, что насосная станция выполнена шахтного типа и включает водоприемный колодец и "сухую" шахту с установленными в ней насосами, каждый из которых сообщен с водоприемным колодцем посредством всасывающей трубы, входное отверстие которой размещено ниже уровня сливного порога самотечного сливного канала. 5. Водобойный колодец по п. 1, отличающийся тем, что уплотняющее устройство выполнено в виде по меньшей мере двух поярусно расположенных в шве прокладок (шпонок), при этом хотя бы одна из прокладок выполнена из эластичного материала и с внутренней продольной полостью, заполненной газом и разделенной по длине непроницаемыми перемычками на секции. 6. Водобойный колодец по п. 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один насос установлен струйный, при этом струеобразующая насадка (сопло) водоводом сообщена с верхним бьефом водосбросного сооружения, а водоприемный колодец снабжен герметичной крышкой. 7. Водобойный колодец по п. 4, отличающийся тем, что он посредством сливных труб гидравлически сообщен с водоприемным колодцем, при этом все сливные трубы проходят через "сухую" шахту и в ее пределах снабжены запорным устройством, причем по меньшей мере одна сливная труба размещена в основании крепления дна, а ее входное отверстие расположено в наиболее низкой части вогнутой поверхности крепления дна.