Результат интеллектуальной деятельности: РЕЗЕРВНЫЙ ВОДОСБРОС ГРУНТОВОГО ПОДПОРНОГО СООРУЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к гидротехническому строительству и может быть использовано в качестве вспомогательного водосброса в грунтовом подпорном сооружении для пропуска паводков редкой повторяемости при наличии в составе гидроузла основного водосброса.

Известно водосбросное сооружение (SU 1209754, опубл. 07.02.1986), включающее размываемую грунтовую вставку, уложенную на бетонный флютбет между бетонными устоями.

Недостатком данного решения является то, что при размыве грунтовой вставки происходит полное опорожнение водоема до бетонного флютбета, что чревато затоплением территорий, расположенных ниже по течению русла реки. Отсутствие гасителей энергии водного потока в нижнем бьефе будет сопровождаться размывом отводящего канала. Наличие бетонных элементов в конструкции резервного водосброса увеличивает стоимость строительства водопропускного сооружения.

Известен резервный водосброс подпорного сооружения (Патент RU 2071527, опубл. 10.01.1997), включающий размываемую вставку, выполненную в виде грунтовой плотины с отметкой гребня ниже отметки гребня подпорного сооружения и заключенную с боков и снизу в одежду из неразрываемого материала.

Недостатком данного решения является то, что конструктивные элементы водосброса выполнены из бетона и стальных шпунтов, что значительно увеличивает материалоемкость и стоимость строительства водосбросного сооружения. Другим недостатком является то, что по окончанию паводка шпунт необходимо извлекать из грунтовой плотины.

Известен резервный водосброс грунтовой плотины (Патент RU 2498007, опубл. 13.04.2012), предназначенный для пропуска чрезвычайных паводков, выполненный в гребне плотины, имеющий защитное пленочное водонепроницаемое покрытие низового откоса.

Недостатком данного решения является то, что на строительство резервного водосброса может потребоваться больше времени, чем его необходимо для пропуска незапланированного чрезвычайного паводка, вследствие чего устройство сооружения может только осложнить ситуацию на гидроузле и привести к переливу воды через гребень грунтовой плотины. Другой недостаток резервного водосброса заключается в том, что применение данной конструкции водосброса возможно только для малых прудов и водохранилищ с относительно небольшим сбросным расходом до 50 м³/с.

Известна размываемая грунтовая плотина резервного водосброса (Патент RU 2011736, опубл. 30.04.1994), включающая верховую и низовую призмы с откосами, комбинированное противофильтрационное устройство, содержащие наклонную в сторону нижнего бьефа вставку из материала с коэффициентом трения, отличным от коэффициента трения грунта низовой призмы.

Недостатком вышеприведенного аналога является то, что эффективность резервного водосброса будет зависеть от оползания низовой призмы по наклонной вставке из песка или синтетической пленки. Однако сдвиг низовой призмы будет происходить под действием гидростатического давления и фильтрационных сил в пределах низовой призмы. Поскольку движение фильтрационного потока в грунтовом массиве происходит очень медленно, а силы трения по поверхности сдвига снижаются незначительно, то оползание низовой призмы будет происходить в течение длительного периода. В результате обрушение гребня плотины также будет осуществляться замедленно, что в конечном итоге снижает эффективность размыва грунтовой плотины резервного водосброса.

Кроме того, противофильтрационное устройство в виде экрана будет препятствовать размыву грунтовой плотины резервного водосброса, в результате чего пропускная способность уменьшится, что в свою очередь снизит эффективность, а следовательно, и безопасность сооружения.

Прототипом предлагаемого технического решения является резервный водосброс грунтового подпорного сооружения (SU 1532656, опубл. 30.12.1989), включающий устои и флютбет из бетона, расположенную между ними грунтовую размываемую вставку, выполненную в виде плотины высотой, меньшей высоты подпорного сооружения.

Недостатком вышеприведенного изобретения является то, что требуется достаточно длительное время на возведение резервного водосброса из-за устройства основных элементов - устоев и флютбета из бетона и сложности выполнения грунтовой вставки, что увеличивает стоимость строительства резервного водосброса.

Цель изобретения - пропуск паводка редкой повторяемости за счет размываемой грунтовой вставки в теле грунтового подпорного сооружения и сокращение стоимости резервного водосброса.

Сущность изобретения - создание резервного водосброса для пропуска паводковых вод редкой повторяемости и повышение эффективности его работы.

Технический результат - безопасный пропуск паводка редкой повторяемости и предотвращения разрушения грунтового подпорного сооружения.

Технический результат по первому варианту достигается за счет устройства резервного водосброса в теле грунтового подпорного сооружения (например, плотины или дамбы) в виде призмы трапецеидального сечения из легкоразрушаемой грунтовой вставки, защищенной со стороны верхнего бьефа водосливным экраном из геомембраны, расположенной между защитным слоем грунта со стороны верхового откоса и вставкой, находящейся в ложе из водонепроницаемого полимерного материала - геомембраны, которая закреплена на верховом откосе и бровках откосов прорана с помощью железобетонных плит.

Технический результат - безопасный пропуск паводка редкой повторяемости и предотвращения разрушения грунтового подпорного сооружения.

Технический результат по второму варианту достигается за счет устройства нескольких грунтовых размываемых вставок в виде секций и представляющих собой дамбу или плотину с отметкой верха, меньшей, чем у подпорного сооружения, отличающийся тем, что каждая размываемая вставка выполнена в виде призмы трапецеидального сечения, расположенной в водопроводящей части резервного водосброса, где по всему периметру ложа, а также на верховом и низовом откосах устраивается защитное покрытие из полимерной геомембраны, которая заполняется в период строительства грунтом, аналогичным телу плотины, при этом для повышения эффективности сработки размываемых вставок при нескольких секциях водосброса отметка верха размываемых вставок устанавливается: для первой секции - на отметке ФПУ, для второй - на отметке (ФПУ - 0,5 м), для третьей - на отметке (ФПУ - 1,0 м) и так далее, обеспечивая последовательное включение в работу сначала последней секции, затем предпоследней и так далее.

Резервный водосброс предназначен для предотвращения разрушения плотины в случае пропуска паводковых вод редкой повторяемости, при этом большая часть паводка пропускается через основной водосброс (например, береговой).

Изобретение поясняется фигурами: фиг. 1 - схема резервного водосброса грунтового подпорного сооружения, вид сверху; фиг. 2 - поперечный разрез грунтового подпорного сооружения при наличии одной секции резервного водосброса, разрез А-А; фиг. 3 - продольный разрез грунтового подпорного сооружения при наличии одной секции резервного водосброса, разрез Б-Б; фиг. 4 - схема грунтового подпорного сооружения при наличии одной секции резервного водосброса при отметке верха размываемой вставки на отметке форсированного подпорного уровня (ФПУ); фиг. 5 - схема грунтового подпорного сооружения при наличии нескольких секций резервного водосброса на разных отметках верха размываемых вставок.

Цифрами на чертежах обозначено: 1 - порог грунтовой плотины под размываемой вставкой; 2 - крепление железобетонными плитами защитного покрытия; 3 - защитное покрытие из полимерной геомембраны; 4 - водосливной экран из геомембраны; 5 - сильнофильтрующий элемент из двух или трех слоев геотекстиля; 6 - размываемая грунтовая вставка; 7 - водопроводящая часть (тракт) резервного водосброса; 8 - гребень грунтового подпорного сооружения; 9 - области размыва на низовой грани размываемой вставки; 10 - перфорированная часть защитного покрытия из геомембраны; 11 - геотекстиль («Дорнит») в два или три слоя по типу обратного фильтра; 12 - ковш с каменной наброской; 13 - секции резервного водосброса; 14 - основной водосброс (береговой).

Резервный водосброс состоит из порога грунтовой плотины 1 высотой Н_прг. Над порогом находится грунтовая вставка 6 из местных материалов высотой Н_вст, которая расположена в ложе защитного покрытия в виде полимерной геомембраны 3. Крепление покрытия осуществляется железобетонными плитами 2 со стороны верхнего бьефа водоема и на бровках откосов водопроводящего тракта 7. Со стороны верхового откоса на размываемую грунтовую вставку укладывается водосливной экран из геомембраны 4 под углом 75°-80° в сторону верхнего бьефа водоема относительно гребня грунтового подпорного сооружения 8, который крепится с помощью сварки к ранее уложенному полотнищу в ложе призмы трапецеидального сечения. На водосливной экран из геомембраны укладывается сильнофильтрующий элемент из двух или трех слоев геотекстиля (например, «Дорнита» с коэффициентом фильтрации 50-100 см/с). Со стороны низового откоса на пороге грунтовой плотины в быстроток устраивают перфорированную часть из геомембраны 10, которая крепится к защитному покрытию и служит для отвода фильтрационного потока. Под перфорированной частью укладывают геотекстиль в два или три слоя по типу обратного фильтра 11. В нижнем бьефе на низовом откосе порога перфорированная часть защитного покрытия крепится с помощью железобетонных плит на бровках быстротока. Концевая часть защитного покрытия крепится к предыдущей части путем сварки, на бровках сверху на геомембрану укладывают железобетонные плиты, а в начале отводящего канала - каменной наброской в ковше 12.

Резервный водосброс включает в себя одну или несколько размываемых грунтовых вставок, представленных в виде секций 13.

Основной водосброс (например, береговой) 14 расположен в теле грунтовой плотины на отметке нормального подпорного уровня (НПУ).

Резервный водосброс выполняется следующим образом (фиг. 1-5).

Сначала выполняется порог грунтовой плотины 1 из грунта аналогично телу плотины, затем устраивается водопроводящая часть 7 из одной или нескольких секций резервного водосброса 13. По периметру трапецеидального сечения водопроводящего тракта одной или нескольких секций раскладывается заранее изготовленное защитное покрытие 3. Защитное покрытие изготавливают из полимерной геомембраны (например, выпускаемой по ТУ 5774-002-39504194-97 «Геомембрана гидроизоляционная полимерная рулонная», разработанным ООО «СК «Гидрокор», и по ТУ 2246-001-56910145-2004 (лист полимерный ТИП 1), разработанным компанией «Техполимер»). Геомембрану укладывают вручную, соединяя отдельные части между собой с помощью сварки (например, экструдером ПСТ-2) и закрепляя со стороны верхнего бьефа, на бровках одной или нескольких секций и в нижнем бьефе железобетонными плитами, а вначале отводящего канала выполняют крепление в виде каменной наброски (бутовый камень) 12. На защитном покрытии в пределах водопроводящей части выполняется размываемая грунтовая вставка 6 из грунта аналогично телу плотины, в которой размещается водосливной экран из геомембраны 4, прикрепленный к защитному покрытию путем сварки. На водосливной экран крепится сильнофильтрующий элемент 5, например, из двух или трех слоев геотекстиля («Дорнит» плотностью 300-450 г/м²) с помощью водоотталкивающего клея («Ферозит 111» - клей для армирующей сетки, серый (армирован волокном, морозостойкий, водоотталкивающий). Со стороны верхового откоса водосливной экран опирается на грунтовую вставку под углом 75°-80° относительно грунтовой плотины. На низовом откосе выполняется быстроток по периметру, которого укладывается перфорированная часть защитного покрытия из геомембраны 10 для отвода фильтрационного потока. Под днище перфорированной части защитного - покрытия укладывается два или три слоя геотекстиля (например, «Дорнита») по типу обратного фильтра 11.

Большая часть паводка пропускается через основной водосброс (например, береговой) 14 расположенного на отметке НПУ, а оставшаяся часть через резервный водосброс 13 с отметкой верха, меньшей, чем у подпорного сооружения. При этом отметка верха нескольких секций грунтовых размываемых вставок устанавливается: для первой секции - на отметке ФПУ, для второй - на отметке (ФПУ-0,5 м), для третьей - на отметке (ФПУ-1,0 м) и так далее, обеспечивая последовательное включение в работу сначала последней секции, затем предпоследней и так далее.

Для гашения энергии сбросного потока в нижнем бьефе предусматривается устройство ковша из каменной наброски 12.

При наличии проезжей части на плотине после завершения устройства резервного водосброса предусматривается возведение сборно-разборного металлического моста уложенного и закрепленного к плитам, находящимся на бровках русла водопроводящего тракта.

Водосливной экран, сильнофильтрующий элемент и защитное покрытие используются повторно при восстановлении размываемой вставки.

Высота размываемой вставки определяется гидравлическим расчетом исходя из формулы пропускной способности водопропускной части резервного водосброса после размыва грунтовой вставки, работающей по схеме водослива с широким порогом, с использованием следующего уравнения для N-го количества секций водосброса:

где Q_peз.в - расчетный расход, пропускаемый через резервный водосброс, равный разности максимального паводкового расхода редкой повторяемости (Q_p<0,5…1,0%) и расчетного расхода основного водосброса (Q_осн.в):

Q_peз.в=Q_p<0,5…1,0% ^_Q_ocн.в, м³/с;

где m - коэффициент расхода для водослива с широким порогом;

b - ширина по дну водопропускной части резервного водосброса, м;

Н_вст - напор на пороге водопропускной части после размыва грунтовой вставки, принимаемый равным высоте размываемой вставки, м;

m₀ - коэффициент заложения откосов трапецеидального сечения водопропускной части;

N - количество секций водосброса, N=1;

g - ускорение свободного падения, м/с².

Из выше приведенной формулы расхода находим уравнение для определения расчета высоты размываемой вставки:

которое решается методом подбора в несколько приближений, где предварительно задаются шириной каждой секции, равной b=10…15 м, и количеством секций N.

Высота порога резервного водосброса рассчитывается как

Н_прг=Н_пл-Н_вст-d,

где Н_пл - высота грунтового подпорного сооружения (дамбы, плотины) до гребня, м;

Н_вст - высота размываемой вставки, м;

d - превышение гребня плотины над верхом размываемой вставки или расчетным уровнем воды (ФПУ), м.

Резервный водосброс для пропуска чрезвычайного паводка через несколько секций водосброса с различной отметкой верха размываемой вставки, где высота каждой секции определяется по уравнению:

9

где - расчетный расход, пропускаемый через все секции резервного водосброса, м³/с;

H_вст.i - высота вставки i-той секции водосброса, м;

m_i - коэффициент расхода i-той секции для водослива с широким порогом;

b_i - ширина по дну i-той секции резервного водосброса, м.

m₀ - коэффициент заложения откосов трапецеидального сечения водопропускной части;

N - количество секций водосброса;

g - ускорение свободного падения, м/с².

С другой стороны, высота порога резервного водосброса определяется расчетом, исходя из необходимого минимального объема воды в водохранилище, необходимого для водопользователей за период восстановления размываемой вставки, по уравнению:

откуда:

где - площадь водохранилища, м²;

- минимальный объем воды в водохранилище, определяемый по формуле:

где W_вп - объем воды в водохранилище, необходимый для водопользователей за период восстановления размываемой вставки, м³;

W_мо - мертвый объем водохранилища, м³;

За окончательную высоту порога водосброса принимается наибольшее значение, полученное по гидравлическому расчету и с учетом требований водопользователей. При необходимости увеличивают количество секций и пересчитывают высоту вставки по гидравлическому расчету с тем, чтобы получить Н_прг близким между собой.

Резервный водосброс грунтовой плотины работает следующим образом.

При подъеме уровня воды в верхнем бьефе водоема и достижении форсированного подпорного уровня воды (фиг. 1-5) поток переливается через верх водосливного экрана из геомембраны 4 и размываемой грунтовой вставки 6, в тоже время, поступая по сильнофильтрующему элементу из двух или трех слоев геотекстиля («Дорнита») 5 в нижнюю часть грунтовой вставки для повышения эффективности размыва всей призмы трапецеидального сечения водопроводящего тракта 7. После размыва вставки из местного грунта водосливной экран 4 под действием движущих сил потока укладывается на защитное покрытие из полимерной геомембраны 3 в ложе водопроводящей части 7, полностью освобождая все сечение грунтовой призмы. Фильтрационный поток отводится через перфорированную часть защитного покрытия из геомембраны 10 в отводящий канал. Большая часть паводка пропускается через основной водосброс (например, береговой) 14, расположенный на отметке НПУ, а оставшаяся часть через резервный водосброс 13 с отметкой верха, меньшей, чем у подпорного сооружения. При этом отметка верха нескольких секций грунтовых размываемых вставок устанавливается: для первой секции - на отметке ФПУ, для второй - на отметке (ФПУ-0,5 м), для третьей - на отметке (ФПУ-1,0 м) и так далее, обеспечивая последовательное включение в работу сначала последней секции, затем предпоследней и так далее.

Использование данного технического решения позволит упростить конструкцию резервного водосброса и повысить эффективность сработки размываемой вставки, а также снизить стоимость сооружения и сократить время на его создание.