Сопрягающие сооружения

Сопрягающие сооружения предназначены для сопряжения участков каналов, расположенных на различных отметках в местах падения рельефа местности, в местах со значительным уклоном местности, превышающим уклон дна канала, а также участков трассы открытых береговых водосбросов гидроузлов с глухими плотинами [3, 6].

По условиям движения потока эти сооружения делят на две основные группы:
• без отрыва от жестких границ сооружения - быстротоки, трубчатые быстротоки и перепады;
• с отрывом от жестких границ сооружения на отдельных его участках - ступенчатые и консольные перепады.
Сооружения должны обеспечивать пропуск необходимого расхода воды, безопасность движения воды как в самом сооружении, так и в канале, на участках перед сооружением и ниже его, пропуск через сооружение плавающих тел и шуги. Назначение типа и конструкции сопрягающего сооружения зависит от гидрогеологических условий и наличия местных строительных материалов и производится на основании технико
экономических расчетов. Главным критерием, оказывающим влияние на выбор является характер рельефа местности.
Быстротоки представляют собой сопрягающие сооружения в местах сосредоточенного уклона местности, в которых вода проходит с большими скоростями. Быстротоки бывают деревянные, каменные, бетонные, железобетонные и из других материалов. По расположению в плане различают прямолинейные и криволинейные быстротоки, по виду поперечного сечения — прямоугольные и трапецеидальные с коэффициентом откоса не менее 1, треугольные и полигональные с продольным уклоном 0,2-0,05. В зависимости от длины различают быстротоки длинные и короткие. В длинных глубина воды в конце весьма близка к нормальной глубине в лотке. В коротких быстротоках глубина воды в конце больше нормальной [20].

 

По гидравлическим условиям работы оптимальным считается прямоугольное поперечное сечение, так как в других сечениях происходит концентрация струи на осевой части, что приводит к неустойчивости потока.
В быстротоке развиваются значительные скорости, поэтому русло его укрепляют дерном, одиночным мощением, деревом, бутовой кладкой, бетоном и железобетоном. Выбор материала для сооружения зависит от размеров канала и расходов воды.
По конструкции транзитной части быстротоки бывают открытые и закрытые (трубчатые), криволинейные в плане, с искусственной шероховатостью струйные (с лотком, разделенным продольными стенками на несколько лотков), переменной ширины [6, 15, 16].
Быстроток состоит из подводящего канала, входной части (порога), лотка, успокоителя, отводящего канала (рисунок 67). Сопряжение соединительного канала с порогом и успокоителя с отводящим каналом осуществляется в виде раструба.
По длине бетонного лотка быстротока через 5-20 м устраиваются швы. Толщина бетонной облицовки лотка быстротока трапецеидального поперечного сечения принимается 0,15-0,4 м. При прямоугольном поперечном сечении быстротока боковые стенки устраиваются в виде подпорных стенок, поперечные размеры которых определяются на основании статического расчета. Толщина дна лотка быстротока принимается 0,2-0,5 м.

1 - подводящий канал; 2 - входная часть - порог; 3 - лоток; 4 - успокоитель;
5 - отводящий канал; 6 - дренаж; 7 - подошва стен; 8 - смотровой колодец.
Рисунок 67 - Быстроток с застенным дренажем
В быстротоках трапецеидального поперечного сечения при коэффициенте откосов т > 1,5 превышение верха их над расчетным уровнем воды увеличивается на 15 % по сравнению с этими данными.
Для понижения депрессионной поверхности воды, устраивается застенный дренаж. Последний состоит из двух дрен, уложенных вдоль продольных стен быстротока. Нижняя концевая часть дрен выводится ко дну отводящего канала. Застенный дренаж устраивается на протяжении 0,5-0,6
длины быстротока. Для контроля за работой дрен строятся смотровые колод цы. При несимметричном потоке грунтовых вод продольные дрены соединяются между собой в местах расположения смотровых колодцев поперечными, или соединительными, дренами. Дрены устраиваются из перфорированных труб с укладкой вокруг них песчаногравелистого слоя. Можно устраивать гравелисто-щебеночные дрены в каналах с укладкой вокруг них песчаного слоя [8, 9].
Входную часть быстротока строят в виде раструба, соединяющего верхний участок канала с быстротоком (рисунок 68). Выходную часть сооружения устраивают в виде водобойного колодца или водобойной стенки, где происходит гашение энергии потока, выходящего из лотка быстротока.

I - I
1, 3 - входной и выходной участки; 2 - лоток; 4 - отводящий канал; 5 - водобойный колодец; 6 - разгрузочные отверстия; 7 - деформационные швы.
Рисунок 68 - Бетонный быстроток (по Гришину, 1979)
Перепады, как и быстротоки устраиваются для сброса воды в местах сосредоточенного падения местности. Существуют следующие типы перепадов: ступенчатые, консольные, шахтные и щелевые [20].
Наиболее распространены многоступенчатые перепады (рисунок 69). Как и быстротоки, в начальной части они имеют соединительный канал и входную часть, а в конечной части — выходную часть и отводящий канал. При автоматическом сбросе воды входной порог перепада устраивается на уровне дна соединительного канала. Размеры входной части можно принимать такими же, как и для быстротока [8].
Поперечное сечение перепадов может быть прямоугольное и трапецеидальное. Вдоль продольных стенок перепадов устраиваются застенные дренажи. Длина ступеней перепадов может быть до 20 м. В конце каждой ступени для успокоения падающей воды устраивается водосливная стенка, в связи с чем они имеют вид водобойных колодцев. В водосливных стенках для выпуска воды из водобойных колодцев, когда перепад не работает, делаются отверстия от 10 x 10 до 20 x 20 см.

1 - подводящий канал; 2 - входная часть; 3 - служебный мостик; 4 - стенка падения; 5 - ступень перепада; 6 - водосливная стенка; 7 - отверстия для выпуска воды; 8 - выходная часть; 9 - отводящий канал; 10 - обратный фильтр;
11 - водобойный колодец.
Рисунок 69 - Многоступенчатый перепад (по Гришину, 1979)
Консольный перепад получил свое название по гасительному устройству, представляющему собой струенаправляющий лоток, который расположен на опоре, доходящей до материкового грунта или выполненной в виде висячих свай. В состав консольного перепада входят: вход, быстроток, струенаправляющий лоток на опоре и крепление грунта в зоне предполагаемого размыва, т. е. в пределах будущей воронки размыва.
Консольные перепады представляют собой быстротоки, нижняя часть которых опирается на глубоко опущенные опоры, образуя за ними горизонтальную консоль (рисунок 70). При постоянном или близком к постоянному расходе воды можно устраивать консоль с обратным (отрицательным) уклоном. Обратный уклон создает условия для большего отлета струи от опор, в связи с чем от них удаляется воронка размыва. Если расходы консоли непостоянны, то устраивать обратный уклон не рекомендуется, так как при малых расходах может происходить подмыв опор.

 

1 - лоток быстротока; 2 - консоль; 3 - трамплины; 4 - слив; 5 - крепление;
6 - служебный мостик.
Рисунок 70 - Консольный железобетонный перепад
Вода с консоли сбрасывается непосредственно на грунт. Под действием падающей воды грунт размывается и образуется так называемая воронка размыва. Для уменьшения глубины и ширины воронки размыва и боковых водоворотов за ней в конце консоли устраиваются зубчатые трамплины, которые расщепляют струю на нижние и верхние струи. Верхние струи, насыщаясь воздухом, имеют меньшую размывающую способность. Чтобы вода не затекала под дно лотка, в конце его устраивается слив. Лоток быстротока в той части, где он опирается на опоры, делается из дерева или железобетона.
Несущими элементами (балками) являются боковые стенки лотка консоли. В небольших лотках для получения более жесткой конструкции сверху через каждые 1,5-3 м укладываются поперечные балки, на которых устраивается служебный мостик. В больших лотках кроме двух боковых балок (стенок) под дном лотка укладываются еще дополнительные, соединяющиеся между собой поперечными балками. Служебный мостик в этом случае делается на боковых стенках. Дополнительные балки иногда размещаются над дном лотка консоли: в этом случае они образуют многоструйную консоль [10].
При легкоразмываемых (илистых и мелкопесчаных) грунтах устраивать консольные перепады не рекомендуется, так как в этом случае образуется воронка размыва большой ширины и глубины.
Гидравлический расчет консольных перепадов аналогичен расчету обычных быстротоков. Следует только иметь в виду, что при небольшой ширине лотка быстротока будут большие удельные расходы, что способствует образованию глубокой воронки размыва.
Железобетонные лотки консолей располагают на опорах: свайных, стоечных, рамных, сплошных и консольных. Подошву крайних опор закладывают с учетом глубины воронки размыва. Подошву остальных опор определяют из условия устойчивости, принимая во внимание глубину промерзания грунтов, если они пучинистые.
Преимущество свайных опор: в процессе их погружения не нарушается массив грунта, примыкающий к воронке размыва.
Для надежной эксплуатации консольного сброса необходимо:

• располагать опоры консоли на надежном основании;
• подошву опор, если это железобетонные рамы, располагать не выше наинизшей точки дна воронки размыва, а если это сваи, то на такой же отметке должен находиться верх их расчетной глубины после размыва;
• укреплять грунт под концом консоли, чтобы не допустить подмыва опоры со стороны воронки размыва;
• предотвращать подмыв берегов справа и слева от консоли путем устройства защитных запаней и берегоукрепительных мероприятий.

Шахтный перепад состоит из вертикальной шахты и горизонтальной трубы. К шахте вода может подводиться каналом (открытый тип) или по трубе (закрытый тип). При устройстве такого перепада не требуется мощного крепления нижнего бьефа, а также устройства специального проезжего моста через канал. Материалом для сооружения перепада могут быть отдельные звенья железобетонных труб.
Щелевой перепад - стенка, установленная поперек канала с одной или несколькими щелями, трапецеидального сечения. Ниже стенки устраивают водобойный колодец, а участок ниже водобойного колодца укрепляют мощением. Сооружение строят из бетона.