Система защиты водосбросной плотины
Объект полезной модели - система защиты водосбросной плотины. Полезная модель относится к области гидротехнического строительства и эксплуатации плотин и может быть использована для их защиты от разрушения неконтролированным потоком воды при прорыве плотины в результате аварийных ситуаций или террористических актов с целью предотвращения катастрофического затопления территорий и расположенных на них населенных пунктов и хозяйственных объектов, что находятся ниже водохранилища, а также для обеспечения свободного прохода рыбы через плотину. Система защиты включает тело плотины с основанием. В теле плотины создана полость, а в торцевых частях основания плотины расположены водоотводные каналы, соединяющие его с водоприемными сооружениями. Полость соединена с водосбросным коллектором-распределителем, размещенным в основании плотины и отделенным от водоотводных каналов управляемыми задвижками. Полость снабжена поперечной перегородкой, в которой выполнено регулируемое задвижкой отверстие и которая делит полость на две половины. В каждой из них созданы регулируемые задвижками верхние водосбросные и нижние водовыпускные отверстия. Общий размер регулируемых сечений верхних и нижних отверстий подобран в соответствии с заявленным соотношением. В результате обеспечивается повышение надежности системы защиты плотины от разрушения путем ограничения, или прекращения, потока воды через проран, а также ускоренного регулируемого снижения уровня воды верхнего бьефа, при одновременном снижении материальных затрат.
1 незав. п. ф-лы; 5 завис, п. ф-лы; 2 илл.
Полезная модель относится к области гидротехнического строительства и эксплуатации плотин и может быть использована для их защиты от разрушения неконтролированным потоком воды при прорыве плотины в результате аварийных ситуаций или террористических актов с целью предотвращения катастрофического затопления территорий и расположенных на них населенных пунктов и хозяйственных объектов, что находятся ниже водохранилища, а также для обеспечения свободного прохода рыбы через плотину.
Общеизвестным решением этих проблем является аккумуляция речного стока и его регуляция с помощью водохранилищ-регуляторов или противопаводковых емкостей. Однако, такие решения имеют общий недостаток, который заключается в том, что для аккумуляции речного стока, в любом виде, необходимо затопление значительных территорий, как правило, наиболее плодородных земель сельскохозяйственного назначения, что приводит к значительным убыткам природноэкономической системы землепользования.
На решение этого недостатка направлен способ регуляции речного стока, сущность которого заключается в том, что часть стока при паводке подают в старое обезвоженное русло, а с наступлением спада паводка, воду сбрасывают в главное русло через дополнительную плотину, которую одновременно используют для обезвоживания старого русла в период наибольшего падения воды (см. декларационный патент Украины №46419, МПК 6 Е02В 3/32, Бюлл. №5, 2002 г.).
Существенным недостатком этого изобретения является обязательное наличие вблизи главного русла и плотины старого и достаточно глубокого рукава, что не дает возможность полноценно использовать это изобретение в конкретно подобранных для плотины местах и, особенно, для использования при модернизации уже существующих плотин, и может использоваться только на небольших водоемах и реках. Кроме того, это изобретение невозможно использовать в качествах приемной емкости при катастрофическом прорыве плотины, если старый рукав находится ниже плотины, поскольку основной поток воды направится по наименьшему сопротивлению - по главному руслу, а не в боковой водосброс старого русла, что делает невозможным его использование для защиты городов и объектов ведения хозяйства, что расположены вблизи нижнего русла реки.
Наиболее близким к предложенному является техническое решение, описанное в декларационном патенте Украины №54998, МПК 7 Е02В 3/02, Бюл. №3, 2003 г., в соответствии с которым избыток воды в водохранилище, который может привести к разрушению плотины и, как следствие, затоплению ниже расположенных территорий, задерживается в специальном сооружении - противопаводковом заплавном регуляторе (поймере). Такая противопаводковая емкость создается в заводи реки рядом с водохранилищем гидроузла и отделяется от последнего распределительной плотиной с регулируемым боковым водосбросом.
Кроме описанных выше общих недостатков создания противопаводковых емкостей, что приводит к затоплению значительных территорий, предложенное сооружение имеет дополнительные существенные недостатки - необходимость привязки к профилю местности для создания противопаводковой емкости, неоправданное увеличение финансовых и материальных расходов на строительство дополнительной распределительной плотины, которая по объему работ и размерам значительно превышает непосредственно плотину, что слишком не эффективно с экономической точки зрения для таких дорогих гидротехнических сооружений.
Кроме того, противопаводковая емкость используется ограниченное время - 2-3 месяца в году с большими перепадами глубин и пойменных площадей, что приводит к неоправданно большим потерям рыбных запасов во время нереста.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача повышения надежности системы защиты плотины от разрушения неконтролированным потоком воды через проран, образованный в результате аварийной ситуации или террористического акта, путем ограничения, или прекращения, потока воды через проран, обеспечения ускоренного регулируемого снижения уровня воды верхнего бьефа, при одновременном снижении материальных затрат.
Кроме того, решается задача обеспечения свободного прохода рыбы через плотину на места нереста в нормальном режиме ее работы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в известной системе защиты плотины, что включает тело плотины с основанием, водосброс избыточной воды в водоприемные сооружения, в соответствии с полезной моделью, в теле плотины создана полость по всей ее длине, а в торцевых частях основания плотины расположены водоотводные каналы, соединяющие его с водоприемными сооружениями.
Полость соединена с водосбросным коллектором-распределителем, размещенным в основании плотины и отделенным от водоотводных каналов управляемыми задвижками.
При этом, полость снабжена поперечной перегородкой, в которой выполнено регулируемое задвижкой отверстие и которая делит полость на две половины.
В каждой из них созданы регулируемые задвижками верхние водосбросные и нижние водовыпускные отверстия, расположенные, соответственно, в верхней части полости со стороны уровня воды верхнего бьефа реки и в нижней части полости со стороны уровня воды нижнего бьефа.
Общий размер регулируемых сечений верхних и нижних отверстий подобран в соответствии с соотношением:
где: S1, S 2 - площади сечений верхних и нижних отверстий соответственно, м2;
Pat - атмосферное давление, 
- плотность воды, 
h - разница высот между уровнями воды верхнего и нижнего бьефов, м;
- переменный параметр, который определяет изменение скорости через отверстия;
1 - скорость потока воды через верхние отверстия, 
.
В приведенной формуле параметр определяет регулируемое соотношение скоростей 1, и 2 потоков воды через, соответственно, верхние и нижние отверстия, является безразмерным и постоянным для конкретно проектируемой плотины, и задается отношением:
,
где 1 - скорость потока воды через верхние отверстие плотины, которая определяется дебитом водного потока на данном участке реки (изменения дебита водного потока в течение года корректируется регулируемыми заслонками), a 2 задается при проектировании плотины.
Соответственно, =1 при 1=2, когда высота плотины h=0.
При этом, согласно заявляемому техническому решению, верхние отверстия выполнены так, что, в обычных условиях, их верхняя кромка расположена на уровне, или ниже уровня верхнего бьефа реки, а нижние отверстия расположены в придонной части плотины со стороны нижнего бьефа реки.
Водоприемные сооружения могут быть созданы искусственно в удобных местах ниже уровня водохранилища, независимо от их расстояния от плотины. И/или в их качестве могут быть использованы существующие водоемы (в том числе реки) в местах их естественного расположения, независимо от их расстояния от плотины.
Откосы и дно водоотводных каналов, укреплены твердым покрытием, при этом, покрытие дна выполнено в соответствии с требованиями к покрытию автомагистралей.
Совокупность признаков в предложенном техническом решении позволяет комплексно решить поставленную задачу:
а) при небольших повреждениях участка плотины - путем ограничения/прекращения потока воды через проран, за счет перераспределения основного водотока мимо аварийного участка плотины, путем перекрытия отверстия в центральной перегородке полости плотины и с помощью регулируемых задвижек (заслонок) системы верхних и нижних отверстий, находящихся на поврежденной стороне плотины. Одновременно увеличивается пропускная способность потока воды через систему верхних и нижних отверстий, находящихся на стороне неповрежденного участка плотины.
б) при повреждениях плотины, дальнейшее неуправляемое разрушение которой может привести к катастрофическим последствиям - путем обеспечения ускоренного регулируемого снижения уровня воды верхнего бьефа к нижней кромке прорана через коллектор-распределитель и регулируемые отверстия, находящиеся в его торцах.
Наличие коллектора-распределителя позволяет с помощью его заслонок оперативно управлять большим избыточным водным потоком при катастрофических ситуациях (водным валом), во-первых, не допуская образования, в результате аварии, прорана, увеличение которого может быстро привести к катастрофическому разрушению дамбы с тяжелыми последствиями. Во-вторых, при аварийном сбросе через коллектор, поток воды верхнего бьефа направляется в специально построенные водоотводные каналы - водотоки, по которым избыточная вода, не попадая в основное русло нижнего бьефа, направляется в одно или несколько водоприемных сооружений, что расположены ниже уровня водохранилища. Что, в свою очередь, исключает затопление городов и хозяйственных объектов, расположенных вблизи нижнего русла реки.
Водоприемные сооружения (в том числе - реки) могут находиться на значительном расстоянии от плотины, но в оптимальном месте рельефа с точки зрения социально-экономической целесообразности. То есть, такая система заслонок и водотоков исключает необходимость строительства очень дорогих дополнительных гидротехнических сооружений для противопаводковых емкостей, привязанных к рельефу местности возле водохранилища.
В обычных условиях стабильного водотока реки, поток основного русла реки, в соответствии с системой защиты, которая заявляется, проходит сквозь плотину через систему заслонок, которые регулируют и поддерживают необходимый уровень воды в верхнем бьефе водохранилища и естественную скорость потока воды через плотину. К тому же, заявленное соотношение общего сечения верхних отверстий S1 и общего сечения нижних отверстий S2, которые расположены, как максимум, на противоположных краях плотины, по расчетам, обеспечит в полости плотины и на выходе из нее равномерность потока воды с естественной (или расчетной большей) скоростью реки.
Наличие в системе верхних и нижних отверстий, с регулируемой заслонками площадью их сечений, позволяет управлять избыточным водным потоком при небольших повреждениях поверхности плотины со стороны водохранилища или с противоположной стороны нижнего уровня реки, соответственно как гребня, так и придонной части плотины.
При этом, верхние отверстия между кромкой плотины и емкостью в ее полости, расположенные со стороны водохранилища, в обычном состоянии находятся ниже уровня верхней кромки воды водохранилища на такой глубине, что их общее сечение обеспечивает естественную скорость потока воды в полость плотины, постоянно поддерживая в них одинаковый уровень воды, что дает возможность рыбе, которая находится в полости, без препятствий проходить через верхние отверстия в водохранилище по потоку воды, направленному в полость со скоростью, что присуща данному участку реки.
Нижние отверстия, расположенные в придонной части кромки плотины со стороны нижнего бьефа, при подобранной, согласно предоставленной формуле, площади их общего сечения, также обеспечивают поток воды из полости плотины с естественной, или заранее заданной большей скоростью реки, что дает возможность рыбе, которая находится в русле реки нижнего бьефа, без препятствий проходить по течению в полость через них и дальше, по потоку воды, постепенно подниматься внутри полости в водохранилище.
Схема системы защиты, которая заявляется, представлена на чертежах:
- на фиг.1 - общий вид системы защиты плотины, представленный в виде разреза В-В фиг.2;
- на фиг.2 - разрез А-А фиг.1.
На фигурах изображено водохранилище 1, плотина 2, в теле которой по всей ее длине выполнена полость 3, связанная с верхним 4 и нижним 5 бьефами реки соответственно верхними водосбросными 6 и нижними водовыпускными 7 отверстиями, регулируемыми задвижками (заслонками), соответственно 8 и 9. Полость 3 по середине разделена поперечной перегородкой 14, в которой выполнено отверстие с регулируемым задвижкой сечением и которая делит полость на две половины, в каждой из которых расположены не менее двух пар верхних 6 и нижних 7 отверстий, регулируемых соответствующими задвижками.
В основании 10 плотины 2 размещен коллектор-распределитель 11, соединенный с полостью 3 и отделенный от водоотводных каналов 12, расположенных в торцевых частях основания плотины 2, водосбросными задвижками (заслонками) 13.
Система защиты функционирует следующим образом.
В обычных условиях задвижки 8 и 9, находящиеся на противоположных сторонах плотины (в разных ее половинах), открыты на заданном уровне таким образом, что бы поток проходил через тело плотины сквозь открытое отверстие в перегородке 14, а
задвижки 13 - закрыты. Благодаря чему, в полости 3 поддерживается уровень воды верхнего бьефа 4. Этот уровень постоянно контролируется путем регуляции пропускной способности отверстий 6 и 7 с помощью задвижек 8 и 9. Таким образом, обеспечивается обычный водосброс с верхнего бьефа 4 к нижнему 5, естественное (ускоренное) для рыбы течение реки и свободный проход рыбы через плотину.
Количество отверстий 6 и 7 и их сечения, а также сечение регулируемого отверстия в перегородке 14, выполняют, исходя из необходимой скорости течения реки, массы прохода воды через плотину в единицу времени, высоты плотины, то есть, разницы между уровнями воды верхнего и нижнего бьефов и заданной скорости истока воды из нижних отверстий.
Соотношение сечений отверстий 6 и 7 рассчитывается с помощью выше приведенной формулы. Например, для поддержки заданного уровня воды в полости, при разнице между уровнями воды верхнего и нижнего бьефов двадцать метров и заданной максимальной скорости истока воды из нижнего водотока не более как в два раза от скорости потока на входе в полость, сечение нижнего водотока должно быть в шесть раз меньше верхнего.
В случае аварийной ситуации или террористического акта, когда появляется угроза прорыва плотины 2 через проран со стороны верхнего 4 или нижнего бьефа 5, немедленно перекрывается отверстие в перегородке 14 полости 3 плотины 2 и нижняя 9 или верхняя 8, соответственно, задвижка поврежденной половины плотины для полного прекращения потока воды через поврежденный участок. При этом одновременно открываются задвижки 8 и 9 на исправной стороне плотины для обеспечения обычного водосброса.
В случае же возникновения аварийной ситуации, которая может привести к катастрофическим последствиям, например, в результате одновременного повреждения, в результате террористического акта, на двух противоположных участках плотины 2 со стороны нижнего бьефа 5 реки, большой неконтролируемый поток воды может хлынуть в нижнее русло реки и нанести миллиардный ущерб с человеческими жертвами на его прилегающих участках. В этом случае, немедленно закрывают водоходы 7 задвижками 9 и максимально открывают водосбросные задвижки 13. Таким образом, основной поток воды из полости 3 будет направлен через коллектор 11 в водоотводные каналы 12. Это, в свою очередь, значительно снизит давление воды на аварийные участки плотины, замедлит процесс размывания ее в месте прорана до начала аварийно-ремонтных работ.
Этот процесс будет длиться до тех пор, пока уровень воды верхнего бьефа 4 не достигнет уровня нижней кромки прорана аварийного участка плотины. Последнее обеспечит быструю приостановку последующего размывания тела плотины неконтролируемым потоком воды через проран.
В нормальном режиме работы плотины, когда водоотводные каналы 12 обезвожены, они могут быть использованы как часть транспортных магистралей,
благодаря укреплению их откосов и дна твердым покрытием, и выполнением покрытия дна в соответствии с требованиями к строительству автомагистралей.
Таким образом, с использованием системы защиты плотины, которая заявляется, будет достигнута главная конечная цель - повышение, как минимум, в два раза надежности плотины от разрушения, при ее повреждении в случае аварийных ситуаций или террористического акта, и предотвращение возможных катастрофических последствий с человеческими жертвами и нанесением миллиардного ущерба в нижнем русле реки и на его прилегающих участках за счет контролируемого отвода основной массы воды водохранилища, в случае необходимости, в водоприемные сооружения (емкости) через водоотводные каналы.
При этом, уменьшаются финансовые и материальные затраты на строительство такой системы, так как с практической точки зрения она соответствует полному дублированию гидротехнического сооружения и не требует создания дополнительных противопаводковых емкостей.
Наличие в данной системе водоотводных каналов, сооружение которых значительно дешевле, позволяет направить критический поток воды в естественные или искусственные водоприемные сооружения, которые могут быть расположены в удобных местах, независимо от их расстояния от плотины. Это, в свою очередь, позволит эффективнее использовать имеющийся рельеф местности, где построена плотина и, как следствие, избежать затопления земель перспективного землепользования и сельскохозяйственного назначения.
Строительство водоотводных каналов с возможностью их использования в нормальный период работы плотины в качестве транспортных магистралей, позволит получить дополнительный экономический эффект от многофункционального использования этих каналов и компенсации затрат на их строительство, а в отдельных случаях, еще приносить прибыль.
Обеспечение свободного прохода рыбы сквозь плотину решает целый ряд проблем природопользования, в частности, защиты рыбных запасов, а также решает часть экологических и социальных проблем прилегающих территорий.
1. Система защиты водосбросной плотины, включающая тело плотины с основанием, водосброс и водоприемные сооружения, отличающаяся тем, что в теле плотины создана полость по всей ее длине, соединенная с водосбросным коллектором-распределителем, размещенным в основании плотины, а в торцевых частях основания расположены водоотводные каналы, соединяющие его с водоприемными сооружениями, отделенные от коллектора-распределителя управляемыми задвижками, при этом полость в теле плотины дополнительно снабжена поперечной перегородкой, в которой выполнено регулируемое задвижкой отверстие и которая делит полость на две половины, в каждой из которых расположены регулируемые задвижками верхние водосбросные и нижние водовыпускные отверстия, расположенные, соответственно, в верхней части полости со стороны уровня воды верхнего бьефа и в нижней части полости со стороны уровня воды нижнего бьефа, а общий размер регулируемых сечений верхних и нижних отверстий подобран в соответствии с соотношением
где S1, S2 - площади сечений верхних и нижних отверстий соответственно, м2;
Pat - атмосферное давление, Н/м 2, [Н]=кгм/с2;
- плотность воды, кг/м3;
h - разница высот между уровнями воды верхнего и нижнего бьефов, м;
- переменный параметр, который определяет изменение скорости через отверстия;
1 - скорость потока воды сквозь верхние отверстия, м/с.
2. Система защиты плотины по п.1, отличающаяся тем, что верхние водосбросные отверстия выполнены так, что в обычных условиях их верхняя кромка расположена на уровне или ниже уровня верхнего бьефа.
3. Система защиты плотины по п.1, отличающаяся, тем, что нижние водовыпускные отверстия расположены в придонной части плотины со стороны нижнего бьефа.
4. Система защиты плотины по п.1, отличающаяся тем, что водоприемные сооружения созданы искусственно и расположены ниже уровня водохранилища в оптимальных местах рельефа с точки зрения экономической целесообразности.
5. Система защиты плотины по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водоприемных сооружений использованы существующие водоемы в местах их естественного расположения независимо от их расстояния от плотины.
6. Система защиты плотины по п.1, отличающаяся тем, что откосы и дно водоотводных каналов укреплены твердым покрытием, при этом покрытие дна выполнено в соответствии с требованиями к покрытию автомагистралей.
