ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ КАНАЛ ИЗ СБОРНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2009 года по МПК E02B5/00 

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано для возведения и реконструкции лотковых каналов, открытых водосбросов в составе напорных гидроузлов, быстротоков на каналах.

Известен лотковый канал полигонального сечения [1] с двумя парами откосов: боковыми с заложением m₁=0.4-1.5, донными с заложением m₂=2.5-6 и относительной шириной

соответствующей гидравлически наивыгоднейшему сечению (ГНС),

где B₁ - ширина лотка по дну, м;

h₁ - глубина лотка у подножия боковых откосов без учета запаса превышения бровки над уровнем воды, м.

Недостатками данного технического решения являются сложность возведения железобетонного лотка в нескальных грунтах и истирание его облицовки при высоких скоростных и наносных режимах.

Цель изобретения - снижение трудоемкости строительства гидротехнического лотка и повышение эффективности работы за счет использования сборных типовых блоков и оптимального полигонального сечения.

Указанная цель достигается тем, что лоток выполняется из трех сборных железобетонных уголковых блоков с равными сторонами и углом на вершине 120-158°, один из которых расположен по центру основания лотка с углом по линии вершины треугольного основания лотка, два других блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с боковыми углами лотка и направлением их нижних сторон по линии донных откосов и верхних сторон по линии боковых стенок лотка, заложение боковых откосов выполнено в пределах m₁=0-1.5, а заложение донных откосов - m₂=1.7-5.1, при этом уголковые блоки с двух сторон снабжены арматурными выпусками, которые соединены между собой по линии донных откосов и замоноличены бетоном, недостающие длины до верха боковых стенок лотка армированы и замоноличены бетоном, начиная от места арматурных выпусков блоков. Центральный уголковый блок выполнен из абразивно-устойчивых мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др.

На фигуре 1 изображен железобетонный уголковый блок в аксонометрии; на фигуре 2 показано поперечное сечение лотка, образованное тремя уголковыми блоками; на фигуре 3 - участок лотка в плане.

Лоток состоит из земляной выемки 1 полигонального сечения, сборных железобетонных уголковых блоков 2 с арматурными выпусками 3 с двух сторон, монолитных бетонных вставок 4 между блоками 2 в основании и монолитных бетонных продолжений 5 до верха боковых стенок лотка. Сбоку железобетонных уголковых блоков 2 лотка предусмотрены монтажные петли 6 в прямоугольных пазах.

Сборные элементы (фигура 1) представляют собой железобетонные блоки повышенной заводской готовности уголковой формой с равными сторонами и углом на вершине 120-158°. С двух сторон уголковые блоки снабжены арматурными выпусками. Угол вершины сечения сборных уголковых блоков задается с учетом возможности создания эффективных гидравлических условий протекания воды. Оптимальные наивыгоднейшие значения заложений откосов для лотка лежат в следующих пределах: m₁=0÷1.5, m₂=1.7÷5.1. На основе этих условий определен оптимальный угол α вершины сечения блока 2 в пределах α=120÷158°. При α=120° сборный лоток имеет полигональное сечение с вертикальными боковыми откосами m₁=0, а при α=158° боковые стенки имеют откос с заложением m₁=1.5. Все эти параметры лежат очень близко к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам полигонального канала. В таблице 1 даются величины угла α и соответствующие им значения коэффициентов заложения откосов лотков m₁ и m₂ для гидравлически эффективного сечения.

Таблица 1 Обоснование угла вершины сечения уголковых блоков Угол вершины сечения уголковых плит, α° Заложение откосов боковых m₁ донных m₂ 120 0 1,7 138 0,45 2,5 140 0,58 2,7 145 0,77 3,2 150 1,0 3,7 155 1,3 4,5 158 1,5 5,1

Как видно из таблицы для сборных лотков, выполненных из уголковых блоков, можно задать пределы заложения боковых откосов m₁=0÷1.5 и донных m₂=1.7÷5.1, что позволяет строить лотки оптимального полигонального сечения с необходимыми параметрами для различных эксплуатационных условий.

Типовые размеры уголковых блоков могут иметь различные значения. При этом стороны блоков должны быть равными l₁=l₂, как у равностороннего уголка, в этом случае они легко изготавливаются, монтируются и транспортируются. Данные параметры уголковых блоков 2 (α и l) таковы, что позволяют возводить полигональные лотки с вертикальными и наклонными боковыми стенками и с треугольным основанием из трех блоков одного типоразмера (фигура 2). Уголковые блоки могут быть разбиты на следующие типоразмеры: УБ-10 с размерами сторон по 1 м, шириной 2 м и толщиной 0,12 м; УБ-15 с размерами сторон по 1,5 м, шириной 2 м и толщиной 0,15 м; УБ-20 с размерами сторон по 2 м, шириной 2 м и толщиной 0,15 м. Таким образом, могут быть и УБ-25 и УБ-30, их параметры определяются также из условий изготовления, обеспечения безопасной транспортировки и эффективной технологии монтажа лотка. Центральный сборный уголковый блок в основании лотка в необходимых случаях изготавливают из износостойких материалов (высококачественных мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др.).

Сечение полигонального лотка с двумя парами откосов и треугольным основанием разбито на две части. Характеристики верхней части обозначены через h₁, ω₁, m₁ и донной части - h₂, ω₂, m₂. По результатам аналитических исследований для рассматриваемого полигонального лотка получены расчетные формулы по определению его основных гидравлических характеристик.

Относительная ширина β, соответствующая гидравлически наивыгоднейшему сечению (ГНС)

где B₁ - ширина по основанию боковых стенок лотка;

h₁ - глубина верхней части сечения без учета превышения бровки над уровнем воды;

m₂ - заложение донных откосов;

α₂ - относительная глубина;

h₂ - глубина донной части лотка;

m₁ - заложение откосов боковых стен.

Глубина донной части сечения

Площадь живого сечения лотка

Смоченный периметр

Остальные параметры лотка определяются по формулам равномерного (квазиравномерного) и неравномерного режимов движения воды.

Проведенные расчеты показывают, что при одной и той же площади живого сечения ω пропускная способность предлагаемого лотка по сравнению с лотками прямоугольного сечения увеличивается до 10%, а смоченный периметр уменьшается до 20%, соответственно материальные затраты на облицовку уменьшаются. Высота волн на поверхности воды в полигональном лотке более чем в 2 раза меньше, чем высота волн в прямоугольном лотке.

Для возведения гидротехнического лотка полигонального сечения из сборных железобетонных элементов в начале разрабатывается выемка 1 средствами механизации без доработки сечения вручную, затем производится монтаж железобетонных уголковых блоков лотка 2. Монтаж начинают с укладки центрального (донного) блока в основание лотка так, чтобы вершина его угла совпала с вершиной треугольного основания и с продольной осью лотка, а стороны симметрично лежали по линии донных откосов. После этого укладываются боковые блоки лотка 2 так, чтобы их вершины совпали с боковыми углами лотка с расположением одних сторон блоков по линии донных откосов m₂, а других по линии боковых стен с заложением m₁. Донные уголковые блоки жестко связывают с боковыми по арматурным выпускам 3. Армируют промежутки между уголковыми блоками 4 и недостающие до отметок верха участки боковых стенок лотка 5. Промежутки между блоками в основании канала 4 и наращиваемые участки боковых стенок 5 заливают монолитным бетоном. Швы между торцовыми гранями сборных блоков замоноличиваются. Производится засыпка грунтом пазух за облицовкой.

Для строительства каналов большего поперечного сечения заполнение пространства между сборными уголковыми блоками 2 и наращивание боковых стенок 5 может осуществляться сборными железобетонными элементами - плитами. Все сборные элементы жестко свариваются по арматурным выпускам между собой с последующим замоноличиванием швов.

При работе полигонального лотка основные гидродинамические нагрузки потока сосредотачиваются по центру русла. При наличии наносов в потоке и при высоких скоростях происходит интенсивный абразивный износ облицовки. В полигональном лотке этому наиболее подвергается участок дна вдоль вершины треугольного основания, а в предлагаемой конструкции лотка центральный (донный) уголковый блок в основании лотка. Для повышения износостойкости при его производстве необходимо использовать качественные цементы и заполнители из высокопрочных каменных материалов, использовать в качестве крупного заполнителя щебень с повышенной шероховатостью поверхности зерен, использовать щебень мелких фракций для увеличения суммарной площади поверхности крупного заполнителя, уплотнять структуру материала и соблюдать технологию производства. Последние требования говорят о предпочтении использования элементов заводского изготовления, отличающихся высоким качеством. В десятки раз повышают сопротивляемость истиранию цементных растворов и бетонов полимерные добавки. Соблюдение всех этих требований для элементов дна облицовки лотка повысит ее износостойкость, а значит, обеспечит сохранение требуемого уровня надежности на длительный срок.

Таким образом, использование однотипных и равносторонних сборных железобетонных блоков уголковой формы с углом на вершине 120-158° позволяет возводить полигональные лотки с параметрами, очень близкими к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам по современным индустриальным высокотехнологичным методам строительства.

Лотки полигонального сечения с вертикальными и наклонными боковыми стенками и треугольным основанием (фигура 2) могут быть наиболее эффективно использованы при строительстве и реконструкции водосбросных, сопрягающих и водопроводящих сооружений на горных и предгорных зонах, где наблюдаются бурные потоки с высокими скоростями (>3 м/с) и содержанием большого количества влекомых наносов. Полигональная форма поперечного сечения лотка с абразивно-устойчивым креплением наиболее подверженного участка дна облицовки повышает эффективность работы лотка и снижает материальные затраты на его строительство и содержание.

Источники информации

1. Авторское свидетельство № 1640721, кл. E 02 B 5/00. Гидротехнический канал // Курбанов С.О., Ханов Н.В., М., 1961.

Изобретение относится к гидротехническому строительству лотковых каналов, открытых водосбросов в составе напорных гидроузлов, быстротоков на каналах. Гидротехнический канал содержит лоток полигонального сечения с симметричными откосами - двумя боковыми и двумя донными. Лоток выполнен из трех сборных железобетонных уголковых блоков с равными сторонами и углом на вершине 120÷158°. Один из блоков расположен по центру основания лотка с углом по линии вершины треугольного основания лотка, стороны которого расположены симметрично по линии донных откосов. Два других блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с боковыми углами лотка и направлением их нижних сторон по линии донных откосов и верхних сторон по линии боковых стенок лотка. Заложение боковых откосов выполнено в пределах m₁=0÷1.5, а заложение донных откосов - m₂=1.7÷5.1. Уголковые блоки с двух сторон снабжены арматурными выпусками, которые соединены между собой по линии донных откосов и замоноличены бетоном. Недостающие длины до верха боковых стенок лотка армированы и замоноличены бетоном, начиная от места арматурных выпусков блоков. Центральный уголковый блок выполнен из абразивно-устойчивых материалов: высококачественных мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др. Изобретение позволяет возводить полигональные лотки с параметрами, очень близкими к гидравлически наивыгоднейшим характеристикам по современным индустриальным высокотехнологичным методам строительства, что сокращает материальные и трудовые затраты при строительстве гидротехнического лотка и повышает эффективность его работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Гидротехнический канал, содержащий лоток полигонального сечения с
симметричными откосами - двумя боковыми и двумя донными, отличающийся тем, что лоток выполнен из трех сборных железобетонных уголковых блоков с равными сторонами и углом при вершине 120÷158°, один из которых расположен по центру основания лотка с углом по линии вершины треугольного основания лотка, стороны которого расположены симметрично по линии донных откосов, два других блока установлены по бокам сечения полигонального лотка с совпадением углов их вершин с боковыми углами лотка и направлением их нижних сторон по линии донных откосов и верхних сторон по линии боковых стенок лотка, заложение боковых откосов выполнено в пределах m₁=0÷1.5, а заложение донных откосов - m₂=1.7÷5.1, при этом уголковые блоки с двух сторон снабжены арматурными выпусками, которые соединены между собой по линии донных откосов и замоноличены бетоном, недостающие длины до верха боковых стенок лотка армированы и замоноличены бетоном, начиная от места арматурных выпусков блоков.

2. Канал по п.1, отличающийся тем, что центральный уголковый блок выполнен из абразивно-устойчивых материалов: высококачественных мелкозернистых бетонов, полимербетонов и др.