Гидротехнический отводящий туннель с железобетонной обделкой

Изобретение относится к гидротехническому строительству, в частности к конструкциям безнапорных отводящих туннелей с железобетонной обделкой.

Известен туннель для транспортирования воды, выполненный в виде выработки в скальной горной породе, имеющий поперечное сечение в виде треугольника постоянной ширины (треугольника Рело), причем туннельная выработка выполнена так, чтобы один из углов треугольника Рело располагался в верхней сводной части туннеля [патент CN 104863611 А, кл. Е02В 5/00, E21D 9/14, 26.08.2015 г.]

Основным недостатком этого технического решения является то, что оно эффективно только для прочных скальных пород, в нескальных породах, а также в скальных трещиноватых породах без несущей обделки этот туннель при повышенных статических, сейсмических и динамических нагрузках обрушается.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является гидротехнический отводящий туннель с железобетонной обделкой, имеющий поперечное сечение в виде фигуры постоянной ширины - круга (см. Чугаев P.P. Гидротехнические сооружения. Глухие плотины. М.: Высшая школа, 1975, с. 242, рис. Х. 23 - изображение слева).

Основной недостаток этой конструкции - прототипа заключается в ограниченной надежности работы в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях из-за ограниченной прочности (жесткости) и устойчивости круглого сечения гидротехнического отводящего туннеля, особенно в его сводной части.

Технической задачей изобретения является повышение прочности, устойчивости и надежности работы гидротехнического отводящего туннеля в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях.

Решение технической задачи

Для решения поставленной задачи в гидротехническом отводящем туннеле с железобетонной обделкой, выполненном в виде выработки в горной породе с поперечным сечением в виде фигуры постоянной ширины и контактирующем с несущей железобетонной обделкой с внешней и внутренней поверхностями, выполненными в поперечном сечении в виде фигуры постоянной ширины; поперечные сечения выработки, контактирующей с ней внешней поверхности и внутренней поверхности железобетонной обделки выполнены в виде треугольника Рело, причем один из совпадающих углов треугольника Рело выработки, внешней и внутренней поверхностей железобетонной обделки расположен в сводной части туннеля с железобетонной обделкой.

Сущность изобретения заключается в том, что поперечные сечения выработки, контактирующей с ней внешней поверхности и внутренней поверхности железобетонной обделки выполнены в виде треугольника Рело, причем один из совпадающих углов треугольника Рело выработки, внешней и внутренней поверхностей железобетонной обделки расположен в сводной части туннеля с железобетонной обделкой.

Такой новый признак, как поперечные сечения выработки, контактирующей с ней внешней поверхности и внутренней поверхности железобетонной обделки выполнены в виде треугольника Рело, позволяет предложенному техническому решению приобрести новое свойство, заключающееся в том, что у выработки туннеля и у железобетонной несущей обделки туннеля, выполненных в поперечном сечении в виде треугольника Рело (треугольника постоянной ширины), при одинаковых площадях поперечного сечения выработки туннеля и у железобетонной обделки туннеля круглого поперечного сечения повышаются контактная поверхность выработки туннеля с внешней поверхностью железобетонной обделки и внутренняя поверхность железобетонной обделки. Это придает туннелю с железобетонной обделкой более высокую устойчивость и прочность по отношению к внешним повышенным статическим и особенно сейсмическим и динамическим нагрузкам. Вышеизложенное преимущество объясняется оригинальными свойствами механических систем с циклоидными контурами и подтверждается модельными исследованиями. Таким образом, характеристика нового признака дана в виде объединенного элемента [выработка гидротехнического отводящего туннеля с поперечным сечением в виде треугольника Рело плюс железобетонная обделка гидротехнического отводящего туннеля, поперечные сечения внешней (контактной) и внутренней поверхностей которой выполнены в виде треугольника Рело], при известности выполнения выработки туннеля с поперечным сечением в виде треугольника Рело, объединенный признак, заключающийся в совместном выполнении выработки и несущей железобетонной обделки туннеля с поперечным сечением в виде треугольника Рело полностью обладает свойством новизны. Новый признак предложенного технического решения, заключающийся в выполнении железобетонной обделки гидротехнического отводящего туннеля с поперечным сечением в виде треугольника Рело, позволяющий заявленному техническому решению проявить новое свойство, заключающееся в том, что у железобетонной несущей обделки гидротехнического отводящего туннеля с поперечным сечением в виде треугольника Рело, при одинаковых площадях поперечного сечения с железобетонной обделкой гидротехнического отводящего туннеля с поперечным сечением в виде круга, повышается как наружная, так и внутренняя поверхности, которые относятся к оригинальным циклоидным формам, что придает железобетонной несущей обделке туннеля более высокую устойчивость и прочность по отношению к интенсивным сейсмическим, динамическим и повышенным статическим нагрузкам. Следующий новый признак, заключающийся в том, что один из совпадающих углов треугольника Рело выработки, внешней и внутренней поверхностей железобетонной обделки расположен в сводной части туннеля с железобетонной обделкой, позволяет заявленному техническому решению проявить новые свойства, заключающиеся в том, что: при расположении одного из углов железобетонной обделки туннеля в верхней сводной части ориентирует одну из наиболее жестких зон (угловая зона) в наиболее напряженной части гидротехнического отводящего туннеля, что повышает устойчивость несущей железобетонной обделки; совместная работа более устойчивого свода выработки туннеля в виде угла треугольника Рело с контактирующей с ней угловой (одной из наиболее жесткой) частью железобетонной обделки туннеля позволяет достигнуть состояния, при котором наиболее нагруженная и устойчивая сводная часть выработки туннеля опирается на наиболее жесткую и прочную часть релообразной железобетонной обделки туннеля, что позволяет достигнуть наибольшей устойчивости гидротехнического отводящего туннеля с железобетонной обделкой в целом по отношению к повышенным сейсмическим, динамическим и статическим нагрузкам.

Вышеуказанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению достигнуть положительного эффекта, заключающегося в повышении прочности, устойчивости надежности работы гидротехнического отводящего туннеля в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях. Все это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».

На фиг. 1 показан гидротехнический отводящий туннель с железобетонной обделкой, поперечное сечение.

Гидротехнический отводящий туннель сооружается в грунтовой выработке 1, выполненной в поперечном сечении в виде фигуры Релло.

Железобетонная обделка 2 отводящего туннеля также выполнена в поперечном сечении в виде фигуры Рело. Один из углов 3 треугольника Рело сечения отводящего туннеля расположен в верхней сводной части 4 отводящего туннеля.

Гидротехнический отводящий туннель проектируют обычно на пропуск строительного расхода, при этом и назначают его уклон. Если нет необходимости пропускать строительный расход по туннелю, то его часто проектируют горизонтальным.

Во время сброса воды из водохранилища туннель должен работать как безнапорный. Поверхность туннеля покрывают железобетонной обделкой 2. Максимальную степень наполнения туннеля следует считать равной ω=h/D=0,5÷0,6, где h - глубина наполнения туннеля; D - диаметр туннеля.

Треугольник Рело представляет собой фигуру постоянной ширины, образованную пересечением трех дуг радиуса а, центры которого находятся в вершинах равностороннего треугольника со стороной а.

Из всех фигур заданной постоянной ширины треугольник Рело обладает наименьшей площадью. Если ширина его равна а, то его площадь равна . Следовательно, при равных площадях треугольник Рело имеет большую ширину по сравнению с кругом. По сравнению с гидротехническим отводящим туннелем с железобетонной обделкой, имеющей круглое поперечное сечение, гидротехнический отводящий туннель с железобетонной обделкой, имеющий поперечное сечение в виде треугольника Рело, имеет большой периметр, а следовательно, большую поверхность, что имеет существенное значение для более эффективного рассеяния поверхностных напряжений и повышения трещиностойкости.

Внутренняя поверхность у железобетонной обделки 2 отводящего туннеля и внутренняя поверхность туннельной выработки с поперечным сечением в виде треугольника Рело, по сравнению с отводящим туннелем с круглым поперечным сечением, увеличиваются более чем на 5%.

У треугольника Рело, по сравнению с кругом той же площади, диаметр почти во всех направлениях, проходящих через центр тяжести фигуры, больше на 5%, за исключением нескольких направлений, где они равны. Следовательно, жесткость предложенного отводящего туннеля увеличиваются.

Наиболее жесткие участки в релообразной отводящем туннеле формируются в угловых зонах. Поэтому наиболее рационально один из углов 3 релообразного отводящего туннеля расположить в верхней сводной части 4 туннеля. Свод, образованный в виде угла треугольника Рело, по результатам модельных исследований, оказался одним из наиболее устойчивых для грунтовых массивов и железобетонных обделок гидротехнических туннелей.

Углы при вершинах треугольника Рело равны 120°, т.е. сложность армирования угловых зон железобетонной обделки релообразного отводящего туннеля не возникает.

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, заключается в повышении прочности, устойчивости и надежности работы гидротехнического туннеля в сложных инженерно-геологических и сейсмических условиях.