Водосбросное сооружение на скальном основании

 

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при создании многопролетных водосборных сооружений на скальном основании. Водосбросное сооружение включает водослив, водобойный колодец и насосную станцию. Водобойный колодец образован дном и боковыми и водобойной стенками с консолями у основания. Подошвы водослива и стенок водобойного колодца заглублены в основание ниже проектного положения незакрепленного скального дна. Основания под внутренними консолями стенок закреплены цементацией и к ним анкерами прикреплены упомянутые консоли. Водобойная стенка в плане со стороны водобойного колодца выполнена вогнутой и в ней имеется донный водовод для выноса из колодца абразивного материала. Ограждающие стенки водобойного колодца водосбросного сооружения обладают повышенной устойчивостью в незакрепленном скальном дне колодца, что снижает его материалоемкость. 7 з. п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть использовано при создании водосбросного сооружения преимущественно многопролетного на прочном слаборазмываемом скальном основании.

Известно водосбросное сооружение, сопряжение водного потока которого с нижним бьефом осуществляется в виде свободно отброшенной с носка-трамплина струи, образующей на расстоянии от сооружения в естественном русле реки яму размыва [l].

Недостатками такого водосбросного сооружения являются: образование водяной пыли, ведущей к ускоренной коррозии металлов и оборудования, их обледенению при отрицательных температурах воздуха; волнообразование и сбойность течения воды в нижнем бьефе в период формирования ямы размыва; отсутствие уверенности в результатах расчетного определения размыва неукрепленного русла и его допустимости.

Известны водосбросные сооружения, в которых энергия свободно отброшенной струи гасится в колодце с необлицованным дном, образованным: а) отдельно стоящей водосливной стенкой; б) углублением в русле; в) углублением и стенкой [2].

Такие известные водосбросные сооружения только в малой степени устраняют ранее указанные недостатки водосбросного сооружения со свободно отброшенной струей.

Там же в [l] известно водосбросное сооружение, включающее водослив и водобойный колодец, представляющий собою плоскую массивную плиту с водобойным элементом, заглубленную в основание.

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

Наиболее близким к предлагаемому является широко известное водосбросное сооружение на скальном основании, включающее многопролетный водослив, водобойный колодец, образованный боковыми и водобойной стенками с консолями у основания, и насосную станцию возле водобойного колодца, при этом с дном водобойного колодца, покрытым бетонным креплением, разделенным на плиты швами, сопряжены водослив посредством носка-трамплина, а стенки - посредством своих внутренних по отношению к водобойному колодцу консолей [3, 4 и др.].

Основным недостатком известного водосбросного сооружения на скальном основании (прототипа) является его недостаточная надежность при его работе и высокая материалоемкость при создании, эти недостатки обуславливаются тем, что, во-первых, при высоких удельных расходах воды на водосливе высоконапорного гидроузла из-за высоких гидродинамических рабочих нагрузок, особенно когда при малейшем нарушении водонепроницаемости уплотнения межплитных швов бетонного крепления дна водобойного колодца устанавливается гидравлическая связь основания, трещиноватого у подошвы крепления, с областью гидравлического прыжка, бетонное крепление дна с неизбежностью разрушается (Саяно-Шушенская ГЭС в России, Дворжак и Либби в США, Нетцадалкойотль в Мексике и другие [4] ; во-вторых, высокие рабочие нагрузки обуславливают массивность бетонного крепления, на которое расходуется около 40 процентов бетона, необходимого для создания всего водобойного колодца, при этом разрушение бетонного крепления дна может привести к нарушению устойчивости ограждающих сооружений водобойного колодца (боковых стенок и водобойной стенки), а следовательно, и к его полному разрушению.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности водобойного колодца и снижение его материалоемкости. Технический же результат от использования изобретения заключается в обеспечении устойчивости ограждающих сооружений водобойного колодца при формировании в незакрепленном скальном дне колодца ямы размыва до стабильного ее состояния.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в водосбросном сооружении на скальном основании, включающем преимущественно многопролетный водослив, водобойный колодец, образованный боковыми и водобойной стенками с консолями у основания и насосную станцию возло водобойного колодца, с дном которого сопряжены водослив посредством носка-трамплина, а стенки - посредством своих внутренних по отношению к водобойному колодцу консолей, согласно изобретению подошвы водослива и стенок водобойного колодца заглублены в основание ниже установленного исследованием проектного положения возле этих подошв поверхности незакрепленного скального дна, понижающегося в процессе формирования ямы размыва при работе водосбросного сооружения. В водобойном колодце такого водосбросного сооружения основание под внутренней консолью каждой стенки закреплено скважинной цементацией и к нему посредством анкеров прикреплена эта консоль.

Целесообразно основание под наружной консолью стенки колодца также закрепить скважинной цементацией и к нему прикрепить эту консоль посредством анкеров, устанавливаемых в скважины цементации. Это повысит устойчивость стенок от опрокидывания их внутрь водобойного колодца в случае образования ямы размыва глубже проектной и создаст благоприятные условия для выполнения в основании стенки высокоэффективного самотечного дренажного канала в виде полости между телом стенки и ее основанием и/или в виде галереи в теле стенки. Такой дренажный канал гидравлически сообщается с дренажными скважинами основания и с насосной станцией.

В случае выполнения боковой стенки водобойного колодца в виде массивного крепления скального борта, разделенного на плиты его поперечными швами, перекрытыми уплотняющими устройствами, основании каждого шва и вдоль его выполнен поперечный дренажный канал, сообщенный с продольным дренажным каналом боковой стенки - массивного крепления, канал своей воздушной полостью создает в основании шва разрыв сплошности водной среды, что существенно уменьшает осредненную величину гидромеханического давления на подошву крепления и полностью предотвращает передачу через швы под крепление из области гидравлического прыжка пульсационной составляющей этого давления.

Дополнительно: поверхность скального дна водобойного колодца имеет вогнутую форму; водобойная стенка колодца выполнена в плане, вогнутой со стороны водослива, и содержит в средней части вогнутости донный водовод для пропуска абразивного материала, образовавшегося в процессе формирования ямы размыва и с возможностью его перекрытия при осушении колодца преимущественно посредством затвора в виде эластичного шара. Первое обеспечивает уменьшение объема абразивного материала, а второе - передвижение абразивного материала сначала к средней части вогнутости водобойной стенки, а затем через донное отверстие за пределы водобойного колодца.

При относительно невысокой водобойной стенке абразивный материал из водобойного колодца удаляется потоком воды через гребень стенки. В этом случае водобойная стенка выполняется с наклоном верховой (напорной) грани в сторону нижнего бьефа.

Сущность технического решения заключается прежде всего в том, что сопряжение стенок водобойного колодца со скальным основанием, выполненное по ранее указанным правилам (величина заглубления подошвы стенки, закрепление основания под консолями стенок и анкеровка их к основанию, выполнение самотечного дренажного канала с возможностью функционирования в безнапорном режиме), существенно повышает устойчивость стенок водобойного колодца и позволяет в случае прочного слаборазмываемого скального основания отказаться от выполнения материалоемкого и ненадежного при высоких рабочих нагрузках крепления водобойного колодца.

Предлагаемое водосбросное сооружение иллюстрируется чертежами, на которых: - на фиг.1 показан план водосбросного сооружения; - на фиг.2 - продольный разрез водосбросного сооружения по А-А на фиг.1; - на фиг.3 - поперечный разрез водобойного колодца по Б-Б на фиг.1; - на фиг.4 - поперечный разрез водобойной стенки по В-В на фиг.1; - на фиг.5 - поперечный разрез крепления скального борта водобойного колодца по межблочному шву.

Водосбросное сооружение размещено на скальном основании 1 и включает многопролетный водослив 2 и водобойный колодец 3, образованный ограждающими сооружениями: боковыми стенками 4 и 5 и водобойной стенкой 6. Водослив 2 сопряжен с незакрепленным дном 7 колодца 3 посредством носка-трамплина 8, образующего в пределах колодца в потоке воды поверхностный прыжок. Боковая стенка 4 ограждает водобойный колодец 3 со стороны реки 9 и у основания 1 выполнена с консолями по отношению к водобойному колодцу 3 внутренней 10 и наружной 11, а водобойная стенка 6 - также с консолями внутренней 12 и наружной 13. Боковая стенка 5 выполнена в виде массивного крепления 14 скального борта 15 и с внутренней консолью 16 у основания 1. В месте примыкания водобойной стенки 6 к боковой стенке 4 выполнен сопрягающий устой 17, в котором размещена насосная станция шахтного типа, состоящая из водоприемника 18 и сообщенного всасывающей трубой 19 с ним насосного отделения 20.

Стенки боковые 4 и 5 и водобойная 6 сопряжены с незакрепленным дном 7 колодца 3 посредством своих внутренних консолей соответственно 10, 16 и 12, подошвы которых заглублены в основание ниже установленного исследованием проектного положения возле этих стенок поверхности 21 (на фиг.2-4 показана пунктиром) незакрепленного скального дна 7, понижающегося в процессе формирования ямы размыва при работе водосбросного сооружения. Основание 1 под внутренними консолями 10, 16 и 12 стенок 4, 5 и 6 и под наружными консолями 11 и 13 стенок 4 и 6 закреплено скважинной цементацией 22 и в этих местах к нему посредством анкеров 23, установленных в скважины 24 цементации, прикреплены все эти консоли.

В основании стенок 4, 5 и 6 водобойного колодца 3 выполнены самотечные дренажные каналы в виде полости 25 между телом водобойной стенки 6 и ее основанием 1 и в виде галерей 26 и 27 в теле боковых стенок соответственно 4 и 5. Эти дренажные каналы (полость 25 и галерея 26 и 27) гидравлически сообщены с дренажными скважинами 28 основания 1, прежде всего с его трещиноватым верхним слоем 29, и с насосной станцией, у которой дно водоприемника 18 размещено ниже дна полости 25 (фиг.2), а производительность насосного отделения 20 определена гидравлическим расчетом.

Массивное крепление 14 борта 15 поперечными швами 30 (фиг.5) разделено на плиты 31. Каждый шов 30 перекрыт уплотняющим устройством, выполненным в виде двух поярусно установленных пластин (шпонок) 32, верхняя часть шва 30 заполнена раствором 33, а в основании шва 30 и вдоль его выполнен поперечный дренажный канал 34, сообщенный с продольным дренажным каналом-галереей 27.

Поверхность незакрепленного скального дна 7 имеет вогнутую форму, а водобойная стенка 6 выполнена в плане вогнутой со стороны водослива 2 и содержит в средней части донный водовод 35 (фиг.4) для пропуска абразивного материала, образующегося в процессе формирования ямы размыва. Диаметр водовода 35 на входе D_в меньше его диаметра D₀ в теле стенки 6. При осушении колодца 3 водовод 35 перекрывается затвором в виде эластичного шара 36, оболочка которого опускается в водовод 35 по вертикальному колодцу 37, снабженному крышкой 38, и под давлением заполняется жидкостью или газом.

На фиг.1-5 обозначены и другие элементы водобойного колодца 3, а именно: 39 - верховая грань водобойной стенки 6, 40 - воздуховодная галерея; 41 - разделительные бычки водослива; 42 - воздуховодные шахты;
43 - воздуховодные каналы;
44 - водоотсасывающие каналы;
45 - дренажные скважины;
46 - верхняя часть боковой стенки 5;
47 - анкера;
48 - обратная засыпка;
49 - трубы осушения водобойного колодца.

Водосбросное сооружение работает следующим образом.

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

В период сброса воды на незакрепленное дно 7 водобойного колодца действуют высокие гидродинамические нагрузки, под воздействием которых происходит размыв дна 7 до проектного уровня 21. Однако при длительной работе водосбросного сооружения местами возле стенок может произойти более глубокий размыв - ниже подошвы стенок 4-6. В этом случае укрепленная цементацией 22 и прикрепленная анкерами 23 к стенке скала под верховой консолью препятствует подмыву стенки, а под низовой консолью - наклону стенки в сторону водобойного колодца.

Своевременное задействование дренажной системы стенок 4, 5 и 6, состоящей из насосной станции, полости 25, галерей 26 и 27, поперечных каналов 34, скважин 28 и трещиноватого верхнего слоя 29 основания 1, обеспечивает безнапорный режим воды в полости 25, галереях 26 и 27 и в поперечных каналах 34. Это в существенной мере уменьшает осредненное гидромеханическое и пульсационное воздействия воды на подошвы стенок, что еще в большей степени увеличивает их устойчивость.

Абразивный материал, образовавшийся в процессе формирования ямы размыва, через донный водовод 35 в водобойной стенке 6 выносится из колодца. В случае малой высоты водобойной стенки донное отверстие в ней не устраивается, а ее верховую грань 39 выполняют с наклоном, обеспечивающим вынос абразивного материала из колодца - такой вариант выполнения водобойной стенки на фиг. 1-5 не показан.

При эксплуатации водосбросного сооружения сброс воды целесообразно осуществлять преимущественно через средние водосливные пролеты, где наибольшие глубина и длина водобойного колодца, а его боковые стенки находятся на расстоянии.

Использование изобретения позволит повысить надежность работы водосбросного сооружения, особенно при высоких напорах и удельных расходах, и снизить расход материалов на его создание.

Источники
1. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения. М.: Госстройиздат. - 1962. - C. 127-130.

2. Дерюгин Г.К. Анализ зарубежного опыта проектирования и эксплуатации водобойных устройств за высоконапорными плотинами на скальном основании. Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, - С.-Петербург. Энергоатомиздат: - 1992. - Том. 226. С. 7-19.

3. Ефименко А. И. и др. разрушение крепления дна водобойного колодца и его ремонт. Сборник научных трудов гидропроекта. - М.: - 1988. - Вып. 125. С. 88-105.

4. Брызгалов В. И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Производственное издание. -Красноярск: Сиб. изд. дом "Суриков", 1999. - С. 145-177.

Формула изобретения

1. Водосбросное сооружение на скальном основании, включающее преимущественно многопролетный водослив, водобойный колодец, образованный боковыми и водобойной стенками с консолями у основания, и насосную станцию возле водобойного колодца, с дном которого сопряжены водослив посредством носка-трамплина и стенки - посредством своих внутренних по отношению к водобойному колодцу консолей, отличающееся тем, что подошвы водослива и стенок водобойного колодца заглублены в основание ниже установленного исследованиями проектного положения возле этих подошв поверхности незакрепленного скального дна, понижающегося в процессе формирования ямы размыва при работе водосбросного сооружения, при этом основание под внутренней консолью каждой стенки водобойного колодца закреплено скважинной цементацией и к нему посредством анкеров прикреплена эта консоль.

2. Водосбросное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что основание под наружной консолью стенки водобойного колодца закреплено скважинной цементацией и к нему посредством анкеров прикреплена эта консоль.

3. Водосбросное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что в основании стенки водобойного колодца и вдоль нее выполнен самотечный дренажный канал в виде полости между телом стенки и ее основанием и/или в виде галереи в теле стенки, при этом канал гидравлически сообщен с дренажными скважинами основания и с насосной станцией.

4. Водосбросное сооружение по п. 1 или 2, отличающееся тем, что анкеры установлены в скважины цементации.

5. Водосбросное сооружение по п. 1 или 3, отличающееся тем, что боковая стенка водобойного колодца выполнена в виде массивного крепления скального борта, разделенного на плиты его поперечными швами, перекрытыми уплотняющими устройствами, а в основании каждого шва и вдоль него выполнен поперечный дренажный канал, сообщенный с продольным дренажным каналом боковой стенки - массивного крепления.

6. Водосбросное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что поверхность скального дна имеет вогнутую форму.

7. Водосбросное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что водобойная стенка колодца выполнена в плане вогнутой со стороны водослива и содержит в средней части вогнутости донный водовод для пропуска абразивного материала, образовавшегося в процессе формирования ямы размыва, и с возможностью его перекрытия при осушении водобойного колодца преимущественно посредством затвора в виде эластичного шара.

8. Водосбросное сооружение по п. 1, отличающееся тем, что водобойная стенка выполнена с наклоном верховой (напорной) грани в сторону нижнего бьефа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5