Кошумбаев М.Б., Касымбеков Ж.К.

Казахский Национальный Аграрный Университет

Повышение безопасности грунтовых плотин

Плотины из местных материалов, допускающие перелив воды в период строительства и при эксплуатации, имеют железобетонное крепление низового откоса из плит клиновидного очертания [1, 2]. При этом устойчивость на откосе обеспечивается гидродинамическим давлением самого потока.

В зарубежной практике наибольшее распространение получило крепление грунтовых откосов, подверженных воздействию переливающейся или фильтрующей воды, в виде габионов, тонких заанкеренных металлических сеток и арматурных стержней [ 3 ].

Особенностью клиновидных плит является наличие пазов с двух сторон, что позволяет укладывать их в нахлест друг другу в двух направлениях. Такое расположение плит создает откос ступенчатого профиля, способствующий обеспечению условий для дополнительного гашения энергии сбросного потока. В тоже время поток, двигаясь по ступенчатому откосу, получает приращение скорости, что сказывается на глубине потока. Увеличение скорости потока приводит к уменьшению его глубины, т.к. гидростатическое давление воды на плиты снижается и возникает риск потери устойчивости крепления водосливного откоса.

Как показывают опыты, сужение низового откоса в плане в виде конфузора с центральным углом 10-50° поддерживает постоянную глубину потока по откосу и в нижнем бьефе, создает безотрывное обтекание водосливной поверхности, а также обеспечивает одинаковую величину давления воды на плиты. При углах больше 50° сужение потока позволяет обеспечить большую глубину, но в то же время происходит отрыв струи и потеря устойчивости крепления откоса.

Устойчивость крепления теряется также из-за вымывания грунта из- под плит, что приводит к проседанию и поломке плит на низовом откосе и угрозе размыва самой плотины.

По нашему предложению безопасность конструкции и повышение надежности работы сооружения, устойчивости покрытия водосливного откоса достигается тем, что в водосливную грунтовую плотину, включающую защитное крепление откосов, устанавливается железобетонный каркас (рис.1), представляющий собой полую призму, ребра 1 которой выполнены из железобетонных стержней. Боковые грани 2 призмы представляют прямоугольные треугольники, а самая большая грань призмы дополнительно снабжена перегородками 3 с шагом равной длины плиты перекрытия [4].

1 3

2

Рис. 1. Полый каркас грунтовой плотины

Ступенчатая форма низового откоса, а также дополнительная шероховатость на поверхностях плит вызывают сильную турбулизацию потока и воздействие скоростного напора и его пульсации на плиты. Под воздействием вышеназванных факторов вода проходит между плитами и появляется возможность промыва грунта и его фильтрации. Но проседания плит не происходит, т.к. они жестко закреплены на железобетонном каркасе плотины. Режим течения потока по низовому откосу не изменяется, т.е. форма покрытия поверхности водослива приводит к высокотурбулентному потоку и гашению избыточной энергии сбросного потока.

Жесткое крепление плит на железобетонном каркасе позволяет полностью устранить перемещение плит в различных направлениях, создать единый режим на водосливе, исключить поломку плит при размыве грунта под ним, обеспечить заданную степень гашения кинетической энергии сбросного потока, повысить эффективность и надежность работы сооружения.

Положительным моментом является то, что ступенчатая форма низового откоса, а также дополнительная шероховатость на поверхностях плит вызывают сильную турбулентность потока и повышают степень гашения избыточной энергии сбросного потока.

Использование полого каркаса повышает возможность использования грунтовых плотин с клиновидными плитами перекрытия водосливной поверхности в горных и предгорных районах. Конструкция позволяет допустить фильтрацию потока и осуществлять перелив воды через водоподпирающее устройство.

Оказалось, что в условиях северного и центрального Казахстана наиболее выгодным является строительство гидротехнических перепадов, состоящих из нескольких ступеней. Для сокращения длины водобоя (длины ступени), и, следовательно, удешевления стоимости перепада, сопряжения бьефов по типу затопленного прыжка рекомендуется создать на водобое усиленную шероховатость или установить водобойную стенку перпендикулярно к оси потока.

Исключение застойных зон можно добиться путем проделывания на каждой ступени сквозных отверстий, соединяющие горизонтальную и вертикальную поверхности соседних ступеней [5].

Схема такого перепада представлена на рис.2.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. Поток, двигаясь по перепаду, на каждой ступени 1 образует гидравлический прыжок, который также обуславливается подпором потока водобойной стенкой 3. Валец гидравлического прыжка представляет собой объем воды с определенной циркуляцией и поперечной к потоку осью вращения.

1 2

3

Рис. 2. Гидротехнический перепад: 1 – ступени перепада, 2 – сквозные отверстия на ступенях, 3 – водобойная стенка.

Наносы, попадая в область вальца, также совершают вращательное движение, что может привести к износу поверхностей ступеней перепада. При наличии застойных зон наносы откладываются в них, уменьшая степень гашения кинетической энергии сбросного потока. Однако присутствие сквозных отверстий 2 на ступенях устраняют эти недостатки. Поток, двигаясь по отверстиям 2, поступает на горизонтальную поверхность ступеней, устраняя застойные зоны. Имея большую скорость, поток отодвигает валец от горизонтальной поверхности, тем самым, устраняя попадание наносов на поверхность ступеней.

Исключение застойных зон увеличивает степень гашения кинетической энергии сбросного потока, уменьшает износ поверхностей перепада, повышает безопасность и надежность работы сооружения.

Внедрение конструкции гидротехнического перепада целесообразно для проектируемых сооружений. Применение ее на существующих перепадах также возможно, т.к. по нормам эксплуатации обязательна приостановка работы сооружения и ее реконструкция, а также восстановление ступеней перепада. Техническое исполнение не требует больших затрат и при существующих технологиях выполнимо в короткий срок.

Литература:

А.С. 968150 СССР, МКИ Е 02 В 7/06. Водосливная плотина. /Правдивец Ю.П. Опубл. Б.И., 1982. - № 30. – 5 с.

Патент 2912 KZ, МКИ Е 02 В 7/06. Водосливная грунтовая плотина. /Кошумбаев М.Б. и др. Заявлено: 08.10.93. Опубл. Б.И. 1995. - № 4. – 5 с.

Thomas H.H. The Engineering of Large Dams. Johu Wiley and Sons. London, 1976. – p. 526-547.

Предварительный патент №13045 KZ, МКИ Е 02 В 7/06. Водосливная грунтовая плотина. /Кошумбаев М.Б. Заявлено 21.02.2002. Опубл. 15.05.2003, бюл. № 5. – 3с.

Предварительный патент №13051 KZ, МКИ Е 02 В 8/06. Гидротехнический перепад. /Кошумбаев М.Б. Заявлено 21.02.2002. Опубл. 15.05.2003, бюл. № 5. – 3с.