В составе низко- и средненапорных гидроузлов с земляной плотиной могут устраиваться открытые и закрытые (трубчатые) водосбросные сооружения.
Открытые водосбросные сооружения могут располагаться в теле земляной плотины (это водосбросные плотины, которые здесь не рассматриваются, т.к. они являются предметом второго курсового проекта по гидротехническим сооружениям) и вне теле плотин (на берегу) - это береговые водосбросы.
Выбор типа водосбросного сооружения зависит от типа плотины и напора на ней, величины паводковых и строительных расходов, топографических, геологических и гидрологических условий района строительства, общей схемы организации работ и пропуска строительных расходов и др., и осуществляется на основании технико-экономического сравнения вариантов.
Береговые водосбросы применяются в составе гидроузлов низкого и среднего напоров с грунтовой плотиной при паводковых расходах, не превышающих 5000 м3/с. При тех же условиях и небольших паводковых расходах (до 100 м3/с, иногда больше), а также узких створах целесообразно применение трубчатых башенных водосбросов, т.к. они используются первоначально для пропуска строительных расходов, а в период эксплуатации они служат также и для смыва отложившихся наносов, и для опорожнения водохранилища.
Башенные водосбросы.
Башенные водосбросы (рис. 4.1а) состоят из: головной части (башни), одной или нескольких труб и концевого участка в виде водобойного колодца или носка-трамплина, который используется для отброса струи и применяется обычно в случае скального основания. Ось башенного водосброса трассируется по возможности перпендикулярно к оси плотины в русле или в пониженных местах поймы.
В башне размещаются ремонтные и рабочие затворы, перекрывающие входные сеченая труб, сороудерживающие решетки и механизмы для маневрирования ими, а также служебные помещения. Сечение башни в плане может быть круглым или прямоугольным. Размеры ее зависят от диаметра трубопроводов. Толщина стенок башни обычно уменьшается снизу вверх, но она не должна быть меньше 20 см.
Размещать башню можно в зоне подошвы верхового откоса плотины, в средней его части или у гребня плотины, но всегда она должна располагаться на прочном материковом грунте.
Трубы малого диаметра могут быть металлическими или железобетонными. Металлические трубопроводы чаще всего укладываются внутри железобетонных галерей, которые используются в период возведения гидроузла для пропуска строительных расходов.
Снаружи металлические трубопроводы покрываются антикоррозионным покрытием.
Трубы больших поперечных сечений выполняются из железобетона с круглыми, овальными или прямоугольными отверстиями. При устройстве нескольких труб они объединяются в общую многоочковую конструкцию. Внешние поверхности железобетонных труб делаются вертикальными.или наклонными, что целесообразнее с точки зрения сопряжения их с телом плотины. Трубы должны располагаться на плотном грунте основания на уровне подошвы плотины или ниже ее, в траншее. По длине трубы разрезаются температурно-осадочными швами на секции длиной не более I0...15 м. Для предотвращения фильтрации воды через швы они уплотняются шпонками, а для борьбы с контактной фильтрацией воды вдоль трубы, в местах стыков секций устанавливаются противофильтрационные ребра (диафрагмы).
Подходной участок к башенному водосбросу выполняется в виде канала, рассчитанного на пропуск строительного расхода. Дно и откосы его крепятся каменной неброской или бетонными плитами в зависимости от скорости течения.
Пропускная способность напорных башенных водосбросов (Q) определяется по формуле:
Q = m w 
, (4.1)
где w - площадь выходного поперечного сечения трубы;
- коэффициент расхода;
g - ускорение свободного падения;
Нq - действующий напор, принимаемый равным разности между расчетным уровнем воды в верхнем бьефе (НПУ) и центром тяжести выходного сечения трубы при незатопленном истечении, и разности НПУ и уровня нижнего бьефа, соответствующего пропуску расчетного расхода, - при затопленном выходном отверстии.
Коэффициент расхода напорного башенного водосброса
m = 
, (4.2)
где 
- сумма коэффициентов сопротивлений местных и по длине.
В глубинных водосбросах постоянного поперечного сечения, работающих в напорном режиме, надлежит учитывать следующие виды местных сопротивлений:
- на вход (коэффициент сопротивления для прямоугольного входа xвх = 0,42, при криволинейном очертании (по радиусу) - 0,10, для определения xвх других форм оголовков имеются специальные графики [10];
- в пазах плоских затворов при относительной ширине паза
bп/ b <0,1 следует приниматьxп = 0,05, при bп/ b > 0,2 xп = 0,1. Здесь b - ширина водосбросного отверстия на участке размещения затворов, bп - ширина паза. Для двух и более последовательно расположенных пазов затворов коэффициенты сопротивлений следует суммировать - на сороудерживающей решетке
xр = b(
)4/3sin a (4.3)
где s - толщина стержня решетки;
bc - величина просвета между стержнями;
b - коэффициент, зависящий от формы стержней (при круглой форме стержней b = 1,79);
a - угол наклона решетки к горизонту.
Если глубинные водосбросы имеют повороты, сужение, расширение и т.д. коэффициент сопротивления для них определяется по [10].
Коэффициент сопротивления по длине
xдл. = 
, (4.4)
где l - длина трубы;
R = 
- гидравлический радиус;
c- смоченный параметр.
Для круглого сечения R = 
, где d - диаметр трубы.
С - коэффициент Шези, может быть определен по формуле Манинга
С = 
, (4.5)
где n - коэффициент шероховатости (для бетонной поверхности, он может быть принят равным 0,012 [10]).
Гидравлический расчет башенного водосброса выполняется в следующем порядке:
На поперечном разрезе земляной плотины выбирают местоположение башни и определяют длину трубы.
Задаются формой и размерами поперечного сечения трубы, ее продольным уклоном и по формуле Шези
Qтр. = wс 
, (4.6)
находят пропускную способность одной трубы.
Здесь w - площадь живого сечения одной трубы;
С - коэффициент Шези;
R - гидравлический радиус;
J - уклон дна трубы.
Определяют необходимое количество труб для пропуска в безнапорном режиме строительного расхода
n = 
(4.7)
По зависимости (4.1) проверяют пропуск расчетного паводкового расхода через найденное (по условиям пропуска строительного расхода) количество труб. Если принятого количества труб и их размеров оказывается недостаточно для пропуска расчетного паводкового расхода, то увеличивают либо размер поперечного сечения трубы, либо количество труб.