Создание гидротехнических сооружений. Гидротехнические сооружения: что это такое, общие нормы при проектировании и расчете

Вода – это источник жизни. Но несмотря на то что испокон веков поселенцы селились возле рек и озер, они не переставали опасаться силы потока. Наводнения, половодья, изменения русла и другие природные напасти могут за один раз изменить всю привычную жизнь. Чтобы «одомашнить» воду необходимо строить плотины и другие заградительные конструкции. В этой статье мы расскажем про гидротехнические сооружения – что это такое и что относится к таким объектам.

Для чего устанавливают гидросооружения

Ответить на этот вопрос поможет СП 58.13330.2012 и СНиП 33-01-2003 – это основные документы, которые регламентируют все проектные и строительные работы. В разделе «Термины» свода правил есть указание на то, что такое водные конструкции. Они могут принадлежать к разным группам, в зависимости от чего будут помогать исполнять одну из следующих целей:

• Охрана водных ресурсов от негативного воздействия людей и их жизнедеятельности.
• Предотвращение влияния загрязненных вод на окружающую среду.
• Защита от разрушений берегов.
• Хранение жидких отходов после производства или сельского хозяйства.
• Для причаливания судов и купания населения.
• Сообщение с производством – подача воды из водоема и сброс использованной жидкости.

Таких целей множество. Фактически любое сооружение, которое находится частично или полностью на водном ресурсе естественного или искусственного заглубления, считается гидросооружением. Чаще всего, когда используется, например, речная вода на производстве, то комплексы мер и задач не сходятся на одной, производственной. Также обязательными являются охранительные функции гидротехники, которые компенсируют вред, нанесенный водоему.

Из-за обилия конструкций, которые можно отнести к этой категории, трудно дать четкую классификацию всех построек. Мы выделим основные черты, а затем приведем примеры проектов гидротехнических сооружений.

Проектирование построек невозможно без качественного софта. Компания «ЗВСОФТ» предлагает многофункциональный САПР . Его возможности также можно расширить, если установить модули – и . Эти программные продукты позволяют автоматизировать процесс создания проекта и сопутствующей документации.

Временная и постоянная гидротехника

Среди тех гидросооружений, которые работают круглосуточно, выделяют основные и второстепенные объекты. К первым относятся все конструкции, поломка которых повлечет за собой сбой работы крупных предприятий. Это может быть привязка водопровода, оросительной системы, перекрытие судоходной реки без такого рода дамб, и прочее.

Второй сорт построек обычно не влияет на производство или иной процесс, а только его регулируют. Однако из-за поломки не произойдет полной остановки работы.

Кроме перечисленных, есть временные гидроузлы. Это техника, которая устанавливается на определенный период, например, на время проведения ремонтных работ на основном гидросооружении.

Разновидности гидротехнических сооружений в зависимости от взаимодействия с водным ресурсом

Большинство конструкций представляет собой преграду, которая делает уровень между двумя водными потоками различным. Перепад обеспечивает силу напора, а участок между двумя дамбами может использоваться как водохранилище. Рассмотрим классификацию по признаку обращения с рекой.

Водоподпорные

Такие заграждения выстраиваются наперекор руслу. Они предназначены для того, чтобы перегородить течение, за счет чего добиться искусственного перепада уровней. Это несоответствие объему воды и нормальному течению приводит к появлению напора. Таким механизмом пользуются станции, которые используют гидротехническое сооружение как объект энергетики. Сила воды в напоре преобразуется в энергию.

Еще одна функция водоподпорной конструкции – создавать искусственные затоны, водохранилища. Нижним и верхним бьефом называются две точки с максимальной разницей в уровнях. Такие постройки обеспечивают контроль за климатическими изменениями, которые могут нарушить инфраструктуру целого города, если произойдет затопление. Поэтому такие дамбы считаются самыми опасными в случае неправильного проектирования или строительства, дальнейшего обслуживания.

Они же являются самыми необходимыми. Такая искусственная преграда дает возможность строить дома вдоль русла реки, не опасаясь наводнений и прочих напастей.

Водозаборные

Из названия уже понятно, что функция таких конструкций – руководить потоком. Не только забирать кубометры воды, но и перемещать их по определенным территориям, запуская в шлюзы и отводя от определенного русла. Такая система используется в судоходстве, когда нужно поставить на мель или, напротив, вывести из порта загруженное судно.

Небольшие водозаборы регулируют и выводят излишки жидкости из водохранилищ и других искусственных водных систем. Это небольшие клапаны, которые имеют отверстия в ниже располагающиеся стоки.

Кроме того, основное назначение водозаборных гидросооружений – поставлять необходимые объемы прохладной речной влаги на заводы и крупные предприятия. Кубометры необходимы для охлаждения, фильтрации или иных функций. Ряд производств производит вторичную фильтрацию и выводит жидкость обратно в водоканал. Для иных целей требуется только расход, например, для орошения. Полив крупных сельскохозяйственных угодий требует больших запасов воды. Вместе с тем осуществляется еще одна функция – очистка от льдов, мусора и иных примесей. На таких заборных пунктах устанавливается более крупная или мелкая фильтрация, которая убирает ненужные элементы.

Водозабор может осуществляться:

• с поверхности реки или озера – это легко в проектировании гидросооружения, но часто бывает неэффективно из-за поверхностных загрязнений, которые требуют более тщательной очистки;
• с глубины – уровень забора проходит значительно ниже поверхности, это труднее в строительстве, но это снимает необходимость строить защиту от наледи, а также гарантирует, что подача влаги будет осуществляться даже в засушливые периоды, когда уровень воды сильно падает;
• со дна – это самый устойчивый и монументальный вариант, который долго прослужит, но его особенность в мощности конструкции (сопротивление давлению водной массы) и глубокой фильтрации от ила; а также становится более затруднительным проводить ремонтные работы и техническое обслуживание.

Крупные предприятия чаще всего делают разноуровневый водозабор. Так трубы с насосами устанавливаются на разных расстояниях, что дает постоянный напор.

По способу забора также есть различные конфигурации систем:

• Береговые. Они монтируются на крутом, обрывистом берегу с выносом передней стенки на землю. Крупные, массивные железобетонные полукольца делают обрыв пригодным для эксплуатации. Из бетонной стены выходят на определенном уровне трубы, которые предназначены для откачки жидкости.
• Русловые. Это также системы, которые находятся на берегу реки, но в отличие от предыдущих они менее монументальные и затратные, не требуют таких крупных сооружений. Они располагаются на пологих берегах, а оголовок выносится в русло.
• Плавучие. Такие островки находятся на баржах. На них вмонтированы насосы, они качают воду с поверхности и отправляют ее по трубопроводу на берег.
• Ковшовые. В такой конструкции есть ковш, то есть крупный резервуар на большое количество литров, который опускается и поднимается. При этом переливается влага.

Все их можно совмещать с насосным оборудованием, подводить к ним водопроводы.

Регуляционные или выправительные конструкции

Их предназначают для искусственного вмешательства в направление течения реки, то есть они меняют русло. Строения называют струенаправляющими. Они возводятся в несколько этапов – регулируются берега, ширина реки, затем, при необходимости, глубина. Этого можно достичь путем выстилания дна на определенном участке. Ограничители и струенаправители формируют поток и его скорость в уже подготовленных рамках. Так поддерживается оптимальный уровень фарватера, водоем не выходит из своего места, а ближайшее производство может воспользоваться водным ресурсом.

Для строительства водозаборных конструкций или дамб, которые обеспечивают направленный поток высокой мощности, иногда требуется правильно подвести русло. Для этого по предыдущей схеме обустраиваются берега и дно.

По мощности различают регуляционные конструкции двух типов:

• постоянные – многоярусные установки по полному выправлению русла, кривизны и скорости потока;
• временные – более легкие устройства, которые скорее помогают реке найти более оптимальный изгиб, чем меняют ее.

Первые состоят из крупных дамб, плотин, запруд, валов. В случае необходимости могут также подключить насосную станцию. Такой комплексный подход практически полностью дает взять контроль над стихией в человеческие руки.

Вторые же – это легкие насыпи, укрепления берегов. Такие меры скорее предохраняют от неправильного течения, немного изменяют направление.

Оросительные системы

Среди водозаборных отдельно стоят конструкции ирригационные. Расчет гидротехнического сооружения по орошению определенных участков делается еще на период решения о расположении водоема, так как для этих целей часто искусственно выкапываются пруды, а также делаются запруды из русла ближайшей реки. Если гидросооружение располагается на естественном водном ресурсе, то различают два типа:

• бесплотинные – когда для отвода воды выбирается оптимальный изгиб, чтобы течение не мутило жидкость;
• плотинные – строится специальная дамба, которая направляет русло и перекрывает его, образуя напор.

Водопропускные системы

Это конструкции, которые освобождают замкнутые водохранилища от излишков дождевых осадков. Когда их становится слишком много, то жидкость перетекает через гребень линейного сооружения. При достижении более обширного спектра целей могут быть налажены автоматизированные процессы – открытие и закрытие клапана водосброса.

ГТС специального назначения

Среди них:

• рыболовные;
• гидроэнергетические;
• судоходные;
• мелиоративные;
• отстойники для жидких отходов.

Общие нормы и основные положения проектирования и строительства гидротехнических сооружений (ГТС)

Все требования представлены в документах:

• СП 58.13330.2012;
• СНиП 33-01-2003.

Они обеспечивают безопасность и техническое регулирование построек. Основаниями являются законопроекты N 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений», N 184-ФЗ «О техническом регулировании» и N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Также ссылки осуществляются на правила и ГОСТы по строительству:

• СП 14.13330.2011 «Строительство в сейсмических районах»;
• СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»;
• СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы»;
• СНиП 2.06.07-87 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения»;
• СНиП 2.06.15-85 «Инженерная защита территорий от затопления и подтопления»;
• ГОСТ 19185-73 «Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения»;
• ГОСТ 26775-97 «Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях» и другие.

Основные положения проектирования ГТС

При составлении проекта нужно учитывать:

• схему градостроительства и инженерной застройки;
• технические показатели сооружения в зависимости от назначения;
• результаты проектных изысканий: геологических, экологических, сейсмических, гидрологических, метеорологических и других;
• возможность проведения тех или иных методов работ, строительства в определенных условиях;
• влияние на окружающую среду и население, уровень загрязнения вод и прочее;
• интенсивность эксплуатации;
• материалы для строительства – железобетон, трубы и пр.;
• необходимость использования насосного оборудования, а значит, подведение электричества.

Так как количество разновидностей ГТС очень большое, то нельзя выделить типовой проект и привести условия его разработки. Все проектные решения будут применяться в зависимости от задач, целей и назначения.

– помогает в прокладке трубопровода, позволяет учитывать на чертеже все пересечения, колодцы и сечения труб.

Проектируйте легче и быстрее вместе с многофункциональными программами от «ЗВСОФТ».

Виды гидротехнических сооружений выделяют, прежде всего, по их функциональному назначению.

Различают следующие виды:

− водоподпорные сооружения;

− водосбросные сооружения;

− водоспускные и водовыпускные сооружения;

− водопроводящие сооружения;

− энергетические сооружения;

− судоходные сооружения;

− берегозащитные и берегоукрепительные сооружения и др.

Водоподпорные сооружения создают и поддерживают перепад уровней между верхним и нижним бьефами (напор).

Водосбросные сооружения должны обеспечивать:

− пропуск расходов половодья и дождевых паводков и других неиспользуемых расходов воды во избежание превышения проектных уровней воды в верхнем бьефе;

− пропуск льда, шуги, мусора и других плавающих предметов из верхнего бьефа в нижний, если это требуется по условиям эксплуатации гидроузла.

Эти функции водосбросных сооружений могут осуществляться как в период эксплуатации гидроузла, так и в период его строительства. В первом случае водосбросные сооружения называются эксплуатационными, во втором случае – строительными или сооружениями для пропуска строительных расходов.

Водоспускные сооружения необходимы для осуществления попусков воды из водохранилища, в частности, для поддержания в нижнем бьефе определенных санитарно-экологических условий (так называемые санитарные расходы воды, устанавливаемые санитарными правилами и нормами – СанПиН 3907-85).

Водопроводящие сооружения предназначены для передачи воды на некоторые расстояния.

Энергетические сооружения служат для использования энергии воды – это сооружения гидравлических (ГЭС), атомных (АЭС), тепловых (ТЭС) электростанций, а также сооружения насосных станций (НС).

Судоходные сооружения обеспечивают судоходство и лесосплав.

Берегозащитные и берегоукрепительные сооружения предназначены для защиты или укрепления берегов рек, каналов, водохранилищ от разрушения волнами, течением воды, льдом.

1.3. Гидротехнические сооружения городов

В условиях городов широко применяются:

– водоподпорные сооружения;

− водосбросные сооружения;

− водоспускные и водовыпускные сооружения;

− водопроводящие сооружения;

– водохранилища (пруды);

− берегозащитные и берегоукрепительные сооружения;

– сооружения для защиты территорий от оползневых явлений;

– сооружения для защиты территорий от затопления и подтопления.

2. Водоподпорные сооружения

2.1. Типы водоподпорных сооружений

В качестве водоподпорных сооружений наиболее широко применяются плотины. В зависимости от назначения гидроузла подпорными сооружениями могут быть здания ГЭС и насосных станций, устои, подпорные стенки и др.

Плотины возводят из различных материалов: грунта (камня), бетона и железобетона, дерева, синтетических материалов. В соответствии со СНиП 2.06.05-84* они подразделяются на типы (табл. 2.1).

Таблица 2.2

Типизация плотин из грунтовых материалов

Земляные насыпные плотины по конструкции тела и противофильтрационных устройств в теле и основании подразделяются (СНиП 2.06.05-84*) на основные виды (рис. 2.3 и табл. 2.3).

Таблица 2.3

Виды земляных насыпных плотин

Рис. 2.3. Виды земляных насыпных плотин:

1 – тело плотины; 2 – поверхность депрессии; 3 – дренаж; 4 – крепление откосов; 5 – верховая грунтовая противофильтрационная призма; 6 – диафрагма; 7 – верховая призма; 8 – низовая призма; 9 – переходный слой; 10 – экран из негрунтовых материалов; 11 – грунтовое ядро; 12 – центральная грунтовая противофильтрационная призма; 13 – шпунт или стенка; 14 – понур; 15 – инъекционная (цементационная) завеса (висячая); 16 – зуб; 17 – грунтовый экран; h – высота плотины; b – ширина плотины понизу; b um – ширина противофильтрационного устройства понизу; b up – ширина плотины по гребню; m h – коэффициент верхового откоса; m t – коэффициент низового откоса

Намывные плотины в зависимости от грунтов тела плотины и способов возведения подразделяют (СНиП 2.06.05-84*) на основные виды (рис. 2.4 и табл. 2.4).

Таблица 2.4

Виды земляных намывных плотин

Для организации отвода воды, фильтрующейся через тело и основание плотины, предотвращения выхода фильтрационного потока на низовой откос, снижения депрессионной поверхности и для других целей в теле земляных плотин могут устраиваться дренажи (рис. 2.7).

Каменно-земляные и каменно-набросные плотины по конструкции противофильтрационных устройств и способу производства работ подразделяют (СНиП 2.06.05-84*) на основные виды (рис. 2.5 и 2.6, табл. 2.5).

Рис. 2.4. Виды намывных плотин:

1 – крепление верхового откоса; 2 – дренаж; 3 – намывное ядро; 4 - намывные промежуточные зоны; 5 – намывные боковые зоны; 6 – намывная центральная слабоводопроницаемая зона; 7 – боковые насыпные призмы (банкеты); 8 – сейсмостойкое крепление откоса; 9 – насыпное глинистое ядро

Таблица 2.5

Виды плотин из камня

Кроме плотин из грунтовых материалов, в качестве водоподпорных сооружений гидроузлов на малых реках иногда применяются плотины бетонные и железобетонные. В зависимости от конструкции и технологического назначения эти плотины подразделяются (СНиП 2.06.06-85) на основные виды (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Виды плотин из бетона (железобетона)

Гидротехни́ческие сооруже́ния (ГТС) – вид инженерных сооружений, предназначенных для обеспечения разных видов пользования водами (водопользования) и/или для борьбы с вредными воздействиями вод посредством воздействия на режим и свойства природных водных объектов и содержащейся в них воды.

Первые гидротехнические сооружения

Строительство первых гидротехнических сооружений относится к эпохе IV и III тысячелетий до н. э., к эпохе цивилизации шумеров. Поселившись в Месопотамии, постепенно освоили ирригацию, мореплавание и судоходство по рекам и каналам . Были построены каналы Итурунгаль и И-нина-гена, Арахту, Апкаллату и Ме-Энлила, канал Зуби. Появление первых ирригационных систем относительно рано сформировало экономическую базу для возникновения в Двуречье разветвлённой системы хозяйственных отношений. Следствием сооружения каналов стало также строительство на их берегах новых городов, ставших экономическими, политическими и культурными центрами шумеров. Существует легенда, что разрушение Вавилона в VII в. до н. э. ассирийским царём Синахерибом было произведено с помощью специально созданного, а затем спущенного (путём разрушения плотины) водоёма на Евфрате.

В Европе первые водохранилища, насколько можно судить по имеющимся данным, появились ещё до нашей эры. Так, в Испании предположительно во II в. до н. э. на р. Альбаррегас была построена плотина Карнальбо с водохранилищем объёмом 10 млн м 3 (существует до сих пор). Вероятно, в эту эпоху водохранилища создавались в Греции, Италии, Южной Франции и других средиземноморских странах, однако конкретных сведений о них мы не имеем. Косвенно об этом можно судить, например, по сохранившимся остаткам гидротехнических сооружений в районе Рима. Подпорные сооружения возводились и в I тысячелетии н. э. в связи со строительством мельниц и для ирригации. В Галлии первые мельницы появились в III–IV вв.; так, вблизи г. Арля сохранились остатки комплекса из 16 мельниц. Широкий размах строительство мельничных плотин получило в VIII–IX и особенно в XII–XIII вв. Водоёмы, образованные мельничными плотинами, имели, конечно, небольшой объём и по современной классификации искусственных водоёмов их можно отнести большей частью к прудам . Более крупные водохранилища в Европе появились позднее, при развитии добычи руды, обработки металлов, лесопиления и т. д.

Значительные гидротехнические сооружения строились ацтеками, майя и инками в доколумбовой Америке. Несколько водоёмов для сбора талых вод существовало у подножья Анд, как, например, водохранилище в долине Непенья длиной 1,2 км и шириной 0,8 км. Много плотин для забора воды строилось народом майя; хорошо известно водохранилище у древнего города Тикаль. Для водоснабжения городов майя строили многочисленные открытые резервуары с противофильтрационным покрытием дна; некоторые из них сохранились до XIX в. Грандиозные по тем временам гидротехнические сооружения строили ацтеки, например дамбу Нецоуалькойотль длиной 16 км, которая разделила оз. Тескоко и образовала водохранилище Мехико. Испанские конкистадоры разрушили большинство древних гидротехнических сооружений ацтеков, инков, майя. Создававшиеся испанцами подобные сооружения по сложности и размерам часто уступали прежним. Всё же в этот период были построены некоторые большие водохранилища: Журурия объёмом 220 млн м 3 и площадью зеркала 96 км 2 (используется до сих пор) и Чалвири объёмом 3 млн м 3 для водоснабжения серебряных рудников в Потоси.

Россия богата водами, поэтому в древности надобности в гидротехнических сооружениях не ощущалось. Вместе с тем с Х–ХI вв. в городах сооружались водопроводные и канализационные системы. А поскольку реки использовались как пути сообщения, нередки были устройства каналов, спрямляющих излучины – под названием прость. Такие каналы, приобретшие за столетия вполне естественный облик, существуют в разных местах и поныне. Древнейшим гидротехническим проектом на Волге было расширение и углубление русла в районе озера Стерж (Волга представляет здесь собою маленький ручеёк) для обеспечения проводки судов в р. Полу и далее к Новгороду.

С глубокой древности широкое распространение получили гидросиловые установки – водяные мельницы. Они нередко приводили в действие не только мукомольные механизмы, но и лесопильные, металлургические и иные производства, всё равно сохраняя название мельниц («пильные мельницы» и др.). Устройство мельниц предполагало сооружение перегораживающей реку плотины, что на судоходных реках запрещалось (по Соборному Уложению 1649 г. – «чтобы по тем рекам судового ходу не переняти»), однако обилие малых рек, не пригодных для использования в качестве путей сообщения, открывало широкие возможности для использования их водной энергии. Водяных мельниц было в XVIII–XIX вв. очень много, они были настолько привычным атрибутом жизни и ландшафтов, что статистики и географы в своих описаниях их просто не замечали. Во второй половине XIX в. обмеление Волги стало угрожать России утратой её главного пути сообщения, «артерии земли Русской». И причиной обмеления определённо называли не только сведение лесов и распашку земель в её бассейне, но и уничтожение после реформ 1861 г. десятков тысяч мельничных прудов. Несмотря на это, в начале ХХ в. в бассейне Волги было 13326 гидросиловых установок, и по их суммарной мощности Россия, по данным ГОЭЛРО, занимала третье место в мире после США и Канады.

Крупномасштабное гидротехническое строительство началось при Петре I – для снабжения Петербурга хлебом с Волги была построена Вышневолоцкая судоходная система. В её состав входили каналы, плотины, судоходные шлюзы . С начала XIX в. вплоть до железнодорожного «бума» 1860–1880-х гг. строительство судоходных гидротехнических систем было чрезвычайно активным. Тогда Волга, в дополнение к Вышневолоцкой судоходной системе, получила ещё два соединения с Петербургом: Тихвинскую (1811) и Мариинскую (1810) системы (последняя с середины ХIХ в. приобрела доминирующее значение). Был построен канал имени герцога Александра Вюртембергского (ныне – Северо-Двинский канал), соединивший Волгу с Северной Двиной (1825–1829); закончена Северо-Екатерининская система (соединение Камы с Северной Двиной через р. Вычегду); возобновлено строительство начатого и брошенного Петром I в 1711 г. из-за потери Азова Ивановского канала (соединение Оки с Доном); строилось соединение Волги с Москвой по рекам Сестре и Истре и каналу между ними; построены соединения Днепра с Западной Двиной (Березинская система), Неманом (Огинская система) и Вислой (Днепро-Бугская система). Проектировались соединения Камы с Иртышом , Волги с Доном в районе Царицына, и т. д.

Поскольку и в грузоперевозках, и в заботах правительства Мариинская система (нынешний Волго-Балтийский канал) с середины XIX в. доминировала, за столетие её ремонтов и реконструкций несколькими поколениями инженеров были выработаны оптимальные типы деревянных гидротехнических сооружений – плотины и шлюзы «русского», или «мариинского» типа.

В XVIII–XIX вв. в России развивались торговые и военные порты на Балтике, Чёрном и Белом морях. В связи с эти были сооружены крупные оградительные и причальные сооружения.

Классификация ГТС

Согласно современной классификации гидротехнические сооружения можно разделить на следующие виды и типы:

В зависимости от водного объекта, на котором расположены гидротехнические сооружения , они могут быть речными, озёрными, морскими.

По расположению относительно земной поверхности различают наземные и подземные гидротехнические сооружения.

В соответствии с обеспечиваемыми видами водопользования гидротехнические сооружения разделяют на гидромелиоративные (осушительные, обводнительные, оросительные), воднотранспортные, гидроэнергетические, рыбохозяйственные, для водоснабжения и водоотведения, для использования водных недр, спортивных целей и др.

По характеру взаимодействия с водным объектом различают водоподпорные, водопроводящие, регуляционные, водозаборные и водосбросные гидротехнические сооружения.

Водоподпорные сооружения, подпирая водоток , создают напор или разность уровней воды в водотоке перед сооружением и за ним и воспринимают давление воды, возникающее вследствие возникновения напора. Это, прежде всего, плотины – сооружения, перегораживающие речные русла (а нередко и вышерасположенные части речных долин), с целью повышения уровня воды (например, для нужд судоходства) или создания резервирующего объёма воды водоёма (пруда, водохранилища). Подпорными могут быть защитные дамбы, отгораживающие прибрежную территорию и предотвращающие её затопление при паводках, при приливах, нагонах и штормах на морях и озёрах . Подпорными сооружениями являются также русловые здания гидроэлектростанций, судоходные шлюзы, некоторые водозаборные сооружения .

Водопроводящие сооружения (водоводы) служат для передачи воды (её подвода или отвода) из одних пунктов в другие. Это каналы, туннели (гидротехнические), лотки, трубопроводы.

предназначены для целенаправленного воздействия на условия протекания водотоков, защиты их русел и берегов рек от размывов, отложения наносов, воздействия льда и др. При регулировании рек используют струенаправляющие сооружения (дамбы, полузапруды и др.), дно- и берегоукрепительные сооружения («одежды»), сооружения, регулирующие движение льда и плавающих тел (запани, ледозащитные стенки, ледорезы и др.).

Водозаборные (водоприёмные) сооружения устраивают для забора воды из водоисточника и направления её в водовод. Их обычно снабжают устройствами, защищающими водопроводящие сооружения от попадания льда, шуги, наносов, плавающих тел и др.

Водосбросные сооружения (водосбросы) служат для выпуска («сброса») излишков воды из водохранилищ, каналов, напорных бассейнов и пр. Они могут быть русловыми и береговыми, поверхностными и глубинными, позволяющими частично или полностью опорожнять водоёмы. Для регулирования количества выпускаемой (сбрасываемой) воды водосбросные сооружения часто снабжают гидротехническими затворами.

По назначению различают общие гидротехнические сооружения, обеспечивающие все виды (или несколько видов) использования вод, и специальные, возводимые для какого-либо одного вида водопользования.

К гидротехническим сооружениям общего назначения относят все водоподпорные и водосбросные сооружения и, отчасти, водопроводящие, регуляционные и водозаборные сооружения – если они не являются частями сооружений специального назначения.

К числу специальных (отраслевых) гидротехнических сооружений относят следующие:

В некоторых случаях общие и специальные гидросооружения удаётся совместить: например, водосброс помещают в здание гидроэлектростанции, гидроэлектростанцию помещают в теле водосливной плотины («совмещённая ГЭС»), судоходный шлюз может служить водосбросом и т.д.

При осуществлении комплексных водохозяйственных мероприятий гидротехнические сооружения, объединённые функционально и располагаемые в одном месте, составляют комплексы, называемые узлами гидротехнических сооружений, или гидроузлами .

В настоящее время (с 1 января 2014 г.) действует классификация гидротехнических сооружений по степени их опасности. В соответствии с ней все гидротехнические сооружения делятся на четыре класса: низкой, средней, высокой и чрезвычайно высокой опасности.

В зависимости от класса назначается степень надёжности гидротехнических сооружений, т.е. запасы их прочности и устойчивости, устанавливаются расчётные максимальные расходы воды, качества материалов сооружений и т.п.

От всех гражданских и промышленных зданий гидротехнические сооружения отличаются наличием воздействий на них водного потока, льда, наносов и др. факторов. Эти воздействия могут быть механическими (статические и гидродинамические нагрузки, вынос частиц грунта фильтрационным потоком (суффозия) и др.), физико-химическими (истирание поверхностей, коррозия металлов, бетона), биологическими (гниение деревянных конструкций, истачивание древесины живыми организмами и пр.).

Кроме того, в отличие от гражданских и промышленных зданий, условия возведения гидротехнических сооружений осложняются необходимостью пропуска через русло реки и недостроенные сооружения в период их постройки (обычно – нескольких лет) так называемых строительных расходов реки, а также льда, сплавляемого леса, судов и пр.

Особенностью содержания и функционирования гидротехнических сооружений в Российской Федерации является их раздробленность по ведомственно-отраслевой принадлежности и формам собственности. Так, по суммарной балансовой стоимости сельскому хозяйству принадлежат 29% всех гидротехнических сооружений, промышленности – 27%, ЖКХ – 20%, гидроэнергетике – около 15%, водному транспорту – около 6%, рыбному хозяйству – 2%, на балансе структур Федерального агентства водных ресурсов – менее 2%. Кроме того, из 29,4 тыс. напорных гидротехнических сооружений 1931 объект (7%) относится к федеральной собственности, 7675 объектов (26%) – к региональной собственности, 16087 объектов (54%) – к муниципальной собственности, около 4 тыс. объектов (13%) являются бесхозными.

Ю.В. Богатырёва, А.А. Беляков

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ, инженерные сооружения, предназначенные для осуществления различных водохозяйственных мероприятий. В зависимости от места расположения гидротехнические сооружения могут быть морскими, речными, озёрными, прудовыми.

Различают гидротехнические сооружения общие, обеспечивающие нужды практически всех отраслей водного хозяйства, и специальные, возводимые для какой-либо одной отрасли. В зависимости от характера воздействия на речной поток общие гидротехнические сооружения разделяют на водоподпорные, регуляционные, водопроводящие, водопропускные и водозаборные.

Водоподпорные сооружения существенно влияют на гидрологический режим водного потока (изменяются глубины, скорости течения, расходы воды, содержание наносов и тому подобное). К ним относятся плотины и дамбы (валы). Плотина (важнейший и наиболее распространённый тип гидротехнических сооружений) перегораживает речное русло и создаёт напор или разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, что позволяет получать гидравлическую энергию, облегчает отвод воды для орошения полей и водоснабжения, перераспределяет речной сток во времени (регулирует его). Высота плотин в 1970-х годах превысила 300 м (плотина Нурекского гидроузла), длина по гребню - несколько километров. По материалу изготовления плотины могут быть грунтовыми (самый распространённый тип плотин), бетонными и железобетонными. Ранее сооружались также плотины из каменной кладки, ряжевые и деревянные (ныне встречаются крайне редко). Дамбы (валы) отличаются от плотин тем, что их строят не с целью образования напора, а для ограждения участков суши (от затопления паводками) или территорий и акваторий в портах (от воздействия приливов, ветровых нагонов воды). С помощью дамб сооружают искусственные бассейны (например, на гидроаккумулирующих и приливных электростанциях, так называемых хвостохранилищах и т.п.) и русла каналов.

Функции водоподпорного сооружения при небольших напорах могут выполнять и специальные гидросооружения - здания ГЭС, шлюзы, рыбоходы.

Регуляционные (руслорегулирующие) сооружения изменяют местный (в пределах русла) режим потока. Они предназначены для обеспечения необходимой глубины, скорости течения и формы русла для судоходства и сплава (леса) на реках; изменения направления и формы русла в интересах, например, судоходства (создание так называемых русловых каналов или судовых ходов); регулирования эрозионной деятельности водотока; защиты русла и берегов от размывов, отложения наносов, воздействия льда и др. Регуляционные сооружения представляют собой дамбы и каналы, возводимые в руслах; струенаправляющие устройства (буны, щиты и т.п.); берегоукрепительные сооружения и др.

Водопроводящие сооружения создают искусственные водные потоки; служат для переброски воды в заданные пункты. К ним относятся каналы, лотки, безнапорные трубопроводы, акведуки, гидротехнические туннели. Эти сооружения, длиной от нескольких метров до десятков и сотен километров, создают водные пути для судоходных, сплавных и других целей, подают воду в системы водоснабжения и орошения, а также к турбинам гидроэлектростанций и тому подобное.

Водопропускные сооружения обеспечивают отвод из водного объекта (водохранилища, канала, напорного бассейна и пр.) излишков воды, преимущественно во время весенних или дождевых паводков, с целью обеспечения безопасной эксплуатации гидроузла. Водопропускные сооружения (водосбросы, быстротоки, ступенчатые перепады и др.) изготавливаются из бетона, железобетона, металла, реже из дерева. По эксплуатационному признаку они разделяются на регулируемые и нерегулируемые (автоматического действия); по гидравлическому режиму - на безнапорные (с открытой водной поверхностью) и напорные.

Водозаборные сооружения обеспечивают отбор воды из водоисточника и направление её в водопроводящие или водосбросные сооружения. Наряду с обеспечением бесперебойного снабжения потребителей водой в нужном количестве и в требуемые сроки водозаборные сооружения защищают водопроводящий тракт от сора, наносов, льда, предотвращают попадание в него рыбы. В водозаборе предусматривается (устройством задвижек или затворов) возможность прекращения доступа воды из водного объекта.

Специальные гидротехнические сооружения - здания ГЭС, шлюзы, судоподъёмники, причальные стенки, пирсы, опоры морских буровых установок, очистные сооружения коммунального, промышленного и поверхностного стоков и др. - разнообразны и характеризуются многими индивидуальными особенностями.

Гидротехнические сооружения разного назначения объединяются в составе единого гидротехнического узла (гидроузла), состав которого определяется его назначением. Часто гидроузлы сооружаются для обеспечения нужд одновременно нескольких отраслей народного хозяйства; тогда их принято называть комплексными.

Комплекс гидротехнических сооружений, охватывающий значительную территорию и включающий в себя ряд гидроузлов, называется водохозяйственной (или гидротехнической) системой (гидроэнергетические, оросительные, осушительные, судоходные и др.). Многие водохозяйственные системы, как и отдельные гидроузлы, имеют комплексное назначение.

От других инженерных сооружений гидротехнические сооружения отличаются рядом особенностей, связанных с постоянным воздействием на них водного потока. Это воздействие может быть механическим (статические и гидродинамические нагрузки, суффозия грунтов и др.), физико-химическим (истирание поверхностей, коррозия металлов, выщелачивание бетона), биологическим (гниение деревянных конструкций, истачивание дерева живыми организмами и пр.). Условия возведения гидротехнических сооружений осложняются необходимостью пропуска через сооружения в период их постройки (обычно в течение нескольких лет) так называемых строительных расходов реки, льда, сплавляемого леса, судов и пр. Для возведения гидротехнических сооружений необходима широкая механизация строительных работ. Используются преимущественно монолитные и сборно-монолитные конструкции, реже сборные и типовые, что обусловливается различными неповторяющимися сочетаниями природных условий - топографических, геологических, гидрологических и гидрогеологических. Влияние гидротехнических сооружений, особенно водоподпорных, распространяется на обширную территорию, в пределах которой происходит затопление отдельных земельных площадей, подъём уровня грунтовых вод, обрушение берегов и тому подобное. Поэтому строительство таких сооружений требует высокого качества работ и обеспечения большой надёжности конструкций, так как аварии гидротехнических сооружений вызывают тяжёлые последствия - человеческие жертвы и потери материальных ценностей (например, аварии на плотине Мальпассе во Франции в 1959 и водохранилище Вайонт в Италии в 1963 году привели к человеческим жертвам, разрушению городов, мостов и промышленных сооружений).

Лит. смотри при ст. Гидротехника.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Общие положения

Отрасль науки и техники, которая с помощью разработки специальных комплексов сооружений, оборудования и устройств занимается использованием водных ресурсов и ведет борьбу с их вредным действием, называется гидротехникой.

В гидротехнике определились следующие основные отрасли ее применения:

использование водной энергии, при котором энергия движущейся (падающей) воды преобразуется в механическую, а затем в электрическую;

мелиорация (улучшение) земель путем орошения (ирригации) засушливых районов и осушения заболоченных, а также путем защиты от вредного действия вод (затопления, подтопления, эрозии и т.п.);

водный транспорт - улучшение судоходных условий рек и озер, строительство портов, шлюзов, каналов и т.п.;

водоснабжение и канализация населенных мест и промышленных предприятий.

Все перечисленные отрасли гидротехники не являются обособленными, а тесно связаны между собой и переплетаются при комплексном решении проблем водного хозяйства.

По своему назначению гидротехнические сооружения подразделяются на общие и специальные. К первым, используемым во всех отраслях гидротехнического строительства, относятся: водоподъемные сооружения, создающие напор и поддерживающие его, - плотины, дамбы и т.п.; водопропускные, служащие для полезного водозабора или сброса излишних вод; водопроводящие - каналы, лотки, трубопроводы и тоннели; регуляционные - для регулирования русел, защиты берегов от подмыва и т.п.; сопрягающие, служащие для сопряжения бьефов и различных гидротехнических сооружений, - перепады, быстотоки, устои, раздельные быки; льдо- и шугосбросные и наносоудаляющие. К специальным гидротехническим сооружениям, применяемым только в определенных условиях, относятся: гидроэнергетические - машинные здания ГЭС, деривационные сооружения; воднотранспортные - шлюзы, каналы, портовые сооружения; гидромелиоративные - водозаборы, водоводы, очистные сооружения.

Гидротехнические сооружения возводят обычно в виде комплекса сооружений, включающих водоподъемные, водопропускные, водосборные, транспортные, энергетические и др. Такой комплекс сооружений называют гидроузлом. В зависимости от назначения могут быть энергетические, ирригационные или судоходные (транспортные) гидроузлы. Однако в большинстве случаев строят комплексные гидроузлы, решающие одновременно несколько водохозяйственных задач.

Гидротехническое строительство создает интенсивное инженерное воздействие на природные условия, меняя на участке водохранилища положение базиса эрозии окружающей территории, вызывая изменение условий питания и движения подземных вод, активизируя склоновые процессы (оползни), меняя микроклимат района и т.д. Кроме того, создание водохранилищ с большим запасом вод может вызвать при аварии катастрофические затопления долины реки ниже сооружения. Все это требует особенно тщательного изучения территории размещения гидроузлов.

В процессе проектирования, исходя из назначения сооружений и конкретных природных условий, производится выбор наиболее рационального створа расположения основных сооружений гидроузла, его компоновки, выбор типа и параметров водонапорных сооружений, глубины врезки и опирания на породы основания, сопряжения с массивом пород в примыканиях к бортам долины, а также схемы производства строительных работ.

История плотин показывает, что те из них разрушение которых вызвало ужасные катастрофы, обрушились в 2/3 случаях не благодаря допущенным ошибкам в расчетах или в выборе материала, а из-за недостатков оснований - на плохих грунтах, часто водонасыщенных, что являлось следствием недостаточной осведомленности о геологических и гидрогеологических условиях грунтов основания. Пример этому катастрофа на водохранилище Вайонт в Италии.

В 1959 г. на VI конгрессе по большим плотинам, итальянские гидротехники Л. Семенца, Н. Биадене, М Панчини докладывали о самой высокой в мире арочной плотине на р. Вайонт, высотой 265,5 м (70 км севернее Венеции). В докладе очень подробно освещались конструктивные особенности плотины. Для сброса паводковых вод на гребне плотины предусматривался водослив с 10 отверстиями, каждый по 6,6м, два туннельных и один донный водоспуски. Для укрепления основания плотины предусмотрена площадная цементация скалы, с объемом буровых работ 37000 м3. Для предотвращения фильтрации под плотиной и в берегах была устроена цементационная завеса с объемом буровых работ 50000 м3. Расчет плотины проводился 4 аналитическими методами (независимых арок, пробных нагрузок и др.). Кроме того конструкция плотины была подвергнута изучению на двух моделях в институте в г. Бергамо (в масштабе 1:35). Модельные испытания позволили облегчить плотину за счет некоторого сокращения ее толщины. Про геологические условия было лишь сказано, что долина Вайонт сложена известняками и доломитами, характерными для восточных Альп, что пласты падают вверх по течению реки и это благоприятно для опирания плотины (рис. 1).

Постройка плотины была закончена в 1960 г., а 9 октября 1963 г. произошла одна из самых ужасных катастроф в истории гидротехнического строительства, в результате которой погибло более 2600 человек. Причиной послужил оползень, обрушившийся в водохранилище. Высочайшая в мире тонкая арочная плотина уцелела, все расчеты проектировщиков оказались правильными. Как показал анализ материалов после катастрофы: геологи не учли того, что слои известняков образуют синклинальную складку, ось которой совпадает с направлением долины. При этом северное крыло рассечено разломом. В 1960 г. на левом берегу вблизи плотины образовался оползень объемом 1 млн. м3.

В 1960-1961 гг. был пробит 2-километровый тоннель катастрофического водосброса, если оползни возобновятся. Для наблюдения за развитием оползневых процессов была заложена сеть геодезических реперов, но как оказалось репера не подсекли главную поверхность скольжения. С 1961-1963 гг. наблюдался непрерывный гравитационный крип. Поздно вечером 9 октября 1963 г. 240 млн. м3 грунта сместилось в водохранилище за 30 секунд, со скоростью 15-30 м/с. Огромная волна высотой 270 м за 10 секунд пересекла 2-километровой резервуар водохранилища, перехлестнула через плотину и, сметая все на своем пути, обрушилась на долину. Сейсмические сотрясения были зарегистрированы в Вене и Брюсселе.

Рис. 1. Геологический разрез долины р. Вайонт (Италия): 1 - верхний мел; 2 - нижний мел; 3 - мальм; 4 - доггер; 5 - лейас. Цифры в кружках: 1- главная поверхность скольжения; 2 - оползший блок; 3 - разлом; 4 - дно ледниковой долины; 5 - направление древних трещин; 6 - направление молодых трещин; 7 - водохранилище

2. Гидроузлы

Гидроузел энергетического назначения на равнинной реке включает гидроэлектростанцию. Для того чтобы турбины гидроэлектростанции работали, требуются не только непрерывный расход воды, но и напор - разность уровней между верхним и нижним бьефами, т.е. участками реки выше и ниже гидроэлектростанции по течению. Напор концентрируется в удобном для использования месте в результате возведения плотины или другого водоподпорного сооружения и наполнения водохранилища. Эти два элемента являются важными составными частями гидроузла. Водохранилище необходимо также для регулирования неравномерного стока реки, приведения его в соответствие с водопотреблением, т.е. в данном случае с графиком электрической нагрузки гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции на многоводных равнинных реках располагаются в их русле и носят названия или русловых низконапорных, или приплотинных, если напор достаточно большой.

Поскольку аккумулировать в водохранилище редкие многоводные паводки экономически нецелесообразно и поскольку потребление электрической энергии, т.е. использование запаса воды, может вследствие аварии прерваться, в составе гидроузла должен быть водосброс для пропуска воды из верхнего бьефа в нижний помимо турбин во избежание переполнения водохранилища и перелива воды через плотину с вытекающими разрушительными последствиями. Пропуск воды в нижний бьеф помимо турбин в случае остановки агрегатов гидроэлектростанции может быть необходим также и при ненаполненном водохранилище, если без поступления этой воды потерпят ущерб расположенные ниже по реке водопользователи - гидроэлектростанции, водный транспорт, оросительные системы и т.д. Для решения этой задачи в составе гидроузла строят водопропускные сооружения с глубинными отверстиями - водовыпуски.

Пропуск воды в нижний бьеф может понадобиться также с целью опорожнения водохранилища для осмотра и ремонта сооружений гидроузла. Тогда в его составе должны быть предусмотрены водоспуски с глубинными или донными отверстиями. Чтобы подать большое количество воды по основному назначению - к турбинам гидроэлектростанции, очистив ее от опасных включений - льда, шуги, наносов, сора и т.п., необходимы специальные сооружения - водоприемники.

Гидроэлектростанция может быть расположена на горной реке не у плотины, а ниже по течению на берегу; вода к ней подводится от водоприемника специальным водоводом и отводится от нее в реку тоже специальным водоводом, которые в совокупности называют деривацией, а порознь - подводящей и отводящей деривациями. Цель устройства деривации та же, что и постройка плотины, концентрация напора для удобного его использования. В горных реках вода ниспадает с большим уклоном поверхности, рассеивая свою потенциальную энергию. Проложенный по берегу с минимальным уклоном канал подводит воду к гидроэлектростанции с уровнем поверхности, мало отличающимся от уровня верхнего бьефа.

В результате станция использует больший напор, падение большего участка реки не только благодаря подпору плотины, но и за счет разности уклонов реки и канала. Аналогична роль отводящей деривации; уровень воды в ней мало отличается от уровня воды в реке в конце деривации, так что в начале отводящей деривации у гидроэлектростанции уровень оказывается ниже, чем рядом в параллельно текущей реке. Так, станция приобретает еще больший напор, используя падение дополнительного участка реки. Деривационные гидроузлы имеют большое протяжение, поэтому в их составе выделяют головной узел с плотиной, водосбросом и водоприемником, станционный узел с напорным бассейном, завершающим подводящую деривацию, трубопроводами, подводящими воду к турбинам, и зданием гидроэлектростанции и упомянутые ранее элементы деривации.

Рис. 2. Русловой низконапорный гидроузел с гидроэлектростанцией и судоходным шлюзом

На рис. 3 изображена гидроэлектростанция с коротким деривационным каналом на горной реке. В составе головного узла - бетонная водосливная плотина, водоприемник с отстойником для наносов. В составе станционного узла - напорный бассейн и холостой водосброс. На рис. 9 изображена, частично в разрезе, подземная гидроэлектростанция с туннельной деривацией. Видны высокая водосливная плотина, глубинный водоприемник, а также уравнительный резервуар в конце напорной подводящей части деривации.

Рис. 3. Гидроэлектростанция с деривационным каналом

В составе гидроузла при наличии плотины должны быть водосбросы, а также водовыпуски, необходимые судоходству. Обе эти функции часто совмещаются в одном сооружении. Вследствие постройки плотины между бьефами возникает перепад (разность уровней), для преодоления которого судам как идущим вверх по течению, так и спускающимся вниз необходимы судопропускные сооружения (шлюзы, судоподъемники. Часто рядом с гидроузлом строят порт с защищенной от штормовых волн акваторией, причалами, затоном для зимовки судов.

Подходные каналы к судопропускному сооружению, верховой и низовой, образуют своего рода деривацию, по которой идут суда, но течет мало воды, только для наполнения и опорожнения камеры шлюза в процессе шлюзования судов. Иногда эти каналы приобретают значительную длину, если необходимо миновать неудобный для судоходства участок реки - спрямить крутую излучину, обойти пороги. Каналы большой протяженности с многими шлюзами соединяют разные реки между собой.

Использование водных ресурсов для орошения сельскохозяйственных земель и обводнения засушливых территорий требует возведения своих комплексов гидротехнических сооружений, предъявляет свои требования к регулированию стока реки. Площадь орошаемых земель обычно очень велика, а расположенные на ней гидротехнические сооружения столь многочисленны, что комплекс их нельзя назвать гидроузлом, их называют оросительной системой. Часть сооружений, компактно расположенная на используемой реке, в составе плотины, образующей водохранилище для регулирования стока реки, водосброса для пропуска паводка, водоприемника и отстойника для осаждения наносов из воды, взятой на орошение, называется головным узлом оросительной системы.

От головного узла к орошаемым землям вода подается магистральным водоводом, чаще всего каналом. Его длина измеряется десятками и сотнями километров, по пути от него ответвляются распределители, от них - оросители. Неиспользованные остатки воды с полей собираются коллекторам и отводятся в водоток. Если часть орошаемых земель расположена выше уровня воды в магистральном канале, вода для этих земель подается насосными станциями. На самой оросительной сети располагаются регуляторы, перепады, сбросные сооружения и т.д.

Осушительные системы в районах избыточного увлажнения земель, распространения болот, естественно, не требуют возведения плотин. В комплекс сооружений этих систем входят дренажи, малые и большие каналы, различные сооружения на осушительной сети; выполняются выправительные работы на водотоках (спрямление, расчистка, углубление, береговые дамбы). Осушительная система может быть самотечной, однако, если рельеф территории слишком ровный, могут потребоваться насосные станции на сети и для перекачки воды в водоток.

Весьма сложны и разнообразны комплексные системы водоснабжения - водоотведения (канализации). Разнообразие зависит в основном от вида водопотребителя - коммунально-бытовое или промышленное водоснабжение. Для многих отраслей промышленности требуется непрерывная подача больших масс воды, к ним относятся, например, целлюлозно-бумажная, металлургическая, химическая, тепловые (и атомные) электростанции (для охлаждения конденсаторов). Прежде чем оставшаяся часть этой воды, измененная в своем качестве (сточные воды), будет сброшена в водоток или возвращена на производство (оборотное водоснабжение), она должна быть очищена, обеззаражена, охлаждена и т. п. В состав комплексной системы водоснабжения-водоотведения, кроме головного узла сооружений на реке и сети водоводов у потребителя, входят насосные станции и система очистки воды, забираемой из водотока, а также более сложная система очистки воды, отводимой от потребителя.

3. Водохранилища

Водохранилище - искусственный водоем значительной вместимости, образованный обычно в долине реки водоподпорными сооружениями для регулирования ее стока и дальнейшего использования в народном хозяйстве. В табл. 1 приведены крупнейшие водохранилища мира.

Таблица 1. Крупнейшие водохранилища мира

В водохранилище различают следующие основные элементы и зоны (рис. 4).

Рис. 4. Основные элементы и зоны водохранилища. Основные элементы режима: 1 - меженный уровень воды до подпора; 2 - половодный уровень до подпора; 3 - нормальный подпорный уровень; 4 - половодный уровень в условиях подпора

Пропускная способность гидроузла (его турбин, водосливных пролетов, донных отверстий, шлюзов) по экономическим и реже техническим соображениям ограничена. Поэтому когда по водохранилищу идет расход очень редкой повторяемости (раз в сто, тысячу, а то и десять тысяч лет), гидроузел не в состоянии пропустить всю массу воды, идущую по реке. В этих случаях уровни воды на всем водохранилище и у плотины повышаются, увеличивая его объем иногда на значительную величину; одновременно увеличивается пропускная способность гидроузла. Такой подъем уровня выше НПУ в период прохождения высоких половодий редкой повторяемости называется форсированием уровня водохранилища, а сам уровень - форсированным подпорным (ФПУ). На водохранилищах, используемых для водного транспорта или лесосплава, сработка уровня в период навигации ограничивается уровнем, при котором речной флот по состоянию глубин может продолжать нормальную работу. Этот уровень, находящийся между НПУ и УМО, называется уровнем навигационной сработки (УНС). Уровни воды, в особенности при НПУ и ФПУ, у плотины, в средней и верхней зонах водохранилища не одинаковы. Если у плотины уровень соответствует отметке НПУ, то по мере удаления от нее он повышается вначале на сантиметры, а затем и на десятки сантиметров. Это явление носит название кривой подпора.

Помимо большой и несомненной пользы, которую приносят водохранилища, после их наполнения возникают сопутствующие, часто негативные последствия. К ним относятся следующие. Наибольший ущерб народному хозяйству приносит постоянное затопление территорий с расположенными на них населенными пунктами, промышленными предприятиями, сельскохозяйственными угодьями, лесами, недрами, железными и автомобильными дорогами, линиями связи и электропередачи, археологическими и историческими памятниками и другими объектами. Под постоянно затопляемыми подразумеваются территории, расположенные ниже нормального подпорного уровня. Временное затопление территорий, находящихся на берегах водохранилищ в пределах от нормального до форсированного подпорного уровня, тоже приносит ущерб, но происходит редко (1 раз в 100 - 10 000 лет).

Повышение уровня грунтовых вод на прилегающей к водохранилищу территории ведет к ее подтоплению - заболачиванию, затоплению подземных сооружений и коммуникаций, что также убыточно.

Переформирование (переработка) берегов водохранилищ волнами и течениями может привести к разрушению больших участков полезной, освоенной территории. По берегам водохранилищ возникают или активизируются оползневые процессы. Коренным образом изменяются условия судоходства и лесосплава на реке, река превращается в озеро, глубины возрастают, скорости падают. Уменьшаются подмостовые габариты, требуемые для водного транспорта.

Сильно изменяется зимний режим реки, удлиняется ледостав на водохранилище, пропадает шуга, если она была. Мутность уменьшается, так как наносы осаждаются в водохранилище.

В числе мероприятий по компенсации ущерба, приносимого затоплением и подтоплением земель, осуществляют перенос и восстановление на новых незатопляемых местах городов, рабочих поселков, колхозных усадеб, а также промышленных предприятий. Переносят отдельные участки дорог, наращивают их полотно, укрепляют откосы насыпей и т.п. Переносят или защищают памятники истории и культуры, а если это невозможно, изучают и описывают их. Поднимают пролетные строения мостов и переустраивают мостовые переходы. Речные суда заменяют озерным флотом, молевой сплав - буксировкой плотов. Производят лесосводку и лесоочистку территории водохранилища. Заканчивают разработку полезных ископаемых (например, угля, руды, строительных материалов и пр.) или обеспечивают возможность их последующей разработки при наличии водохранилища. Иногда оказывается экономически целесообразным вместо выноса хозяйственных объектов и населенных пунктов из зоны затопления водохранилища осуществить меры их инженерной защиты.

В комплекс гидротехнических и мелиоративных мероприятий, объединяемых названием инженерная защита, входят обвалование или ограждение объектов и ценных земель, осушение подтопленных или обвалованных территорий с помощью дренажа и откачки воды, укрепление берегов на отдельных участках водохранилища и др.

4. Плотины

Плотиной называется перегораживающее водоток сооружение, которое подпирает воду до более высокого, чем бытовой, уровня и концентрирует, таким образом, в одном месте удобный для использования напор, т. е. разность уровней воды перед и за плотиной. В составе любого напорного гидроузла плотина занимает важное место.

Плотины возводятся в различных климатических и природных условиях - в северных широтах и в районах вечной мерзлоты, а также на юге, в тропических и субтропических зонах, с высокими положительными температурами. Местом их расположения бывают многоводные равнинные реки, текущие в руслах, сложенных нескальными грунтами - песками, супесями, суглинками и глинами, а также горные реки, протекающие в глубоких скалистых ущельях, где часто повторяются сильные землетрясения. Разнообразие природных условий, целей создания плотин, масштабов и технической оснащенности строительства привело к множеству их типов и конструкций. Как и другие сооружения, плотины можно классифицировать по многим признакам, например по высоте, материалу, из которого они возводятся, возможности пропуска воды, характеру их работы как подпорных сооружений и др.

Гидротехнические водоподпорные сооружения, к которым относятся плотины, воспринимают различные по происхождению, характеру и продолжительности действия силы, суммарное воздействие которых значительно больше и сложнее, чем воздействие сил на здания и сооружения промышленно-гражданского типа.

Чтобы понять условия работы водоподпорных сооружений, рассмотрим схему бетонной плотины с основными нагрузками, действующими на нее. Как и все протяженные бетонные сооружения, плотина разрезается на секции швами, позволяющими секциям свободно деформироваться при температурных воздействиях, усадке и осадках, что предотвращает образование трещин. На каждую секцию плотины длиной L, высотой Н и шириной по основанию В действуют следующие силы.

Вес секции плотины G определяется по геометрическим ее размерам и удельному весу бетона g=rґg (как известно, удельный вес вещества равен произведению его плотности на ускорение свободного падения).

Рис. 5. Поперечные профили современных плотин в сопоставлении с силуэтами других сооружений (размеры в метрах): 1 - Днепровская; 2 - Бухтарминская; 3 - Красноярская; 4 - Братская; 5 - Чарвакская; 6 - пирамида Хеопса; 7 - Токтогульская; 8 - Чиркейская; 9 - Саяно-Шушенская; 10 - Усойский завал; 11 - Нурекская; 12 - Московский госуниверситет; 13- Ингурская

Давление фильтрующейся воды на подошву плотины возникает благодаря подземному току воды, протекающей под напором по порам и трещинам в грунте основания плотины из верхнего бьефа в нижний. Приближенно значение этой силы, называемой противодавлением, равно:

U=ґgBL,

где Н1, Н2 - глубины воды в бьефах; g- удельный вес воды; a - понижающий коэффициент, учитывающий влияние противофильтрационных устройств и дренажа в основании плотины.

Гидростатическое давление воды со стороны верхнего и нижнего бьефов определяется формулами:

W1=gH12L/2; W2 =gH22L/2.

Перечисленные выше силы относятся к категории главнейших и постоянно действующих. Помимо них, в необходимых случаях по особым формулам учитывают динамическое давление волн, давление льда, наносов, отложившихся в водохранилище, а также сейсмические силы. Дополнительное влияние на прочность бетонной плотины оказывают неравномерные колебания температуры. Охлаждение поверхностей плотины вызывает в них растягивающие напряжения, и в бетоне, слабо им сопротивляющемся, могут образоваться трещины. В условиях действия перечисленных сил и напора воды плотина должна быть прочной, устойчивой против сдвига и водонепроницаемой (это требование распространяется и на ее основание). Кроме того, плотина должна быть экономичной, т.е. из всех вариантов, удовлетворяющих упомянутым требованиям, должен быть выбран вариант, характеризуемый минимумом затрат.

Особое место в гидротехнике занимают вопросы, связанные с фильтрацией воды из верхнего бьефа в нижний. Явление это неизбежно, и задача гидротехники заключается в ее прогнозировании и организации, и предотвращении опасных или убыточных последствий при помощи инженерных мероприятий. Путями фильтрационных токов могут быть: тело сооружения, даже если оно возведено из бетона; основание сооружения, особенно когда оно представляет собой нескальные или трещиноватые скальные породы; берега в местах примыкания к ним напорных сооружений. Вредными последствиями фильтрации являются непроизводительные потери воды из водохранилищ, которая не используется, таким образом, для народнохозяйственных целей, противодавление, снижающее степень устойчивости напорного сооружения, и фильтрационные нарушения или деформации тела грунтовой плотины или нескального основания, в частности, в виде суффозии или выпора.

Суффозией обычно называется вынос фильтрационным потоком мелких частиц через поры между более крупными частицами; она происходит в несвязных (сыпучих) грунтах - разнозернистых песчаных, песчано-гравелистых. При химической суффозии растворяются соли, залегающие в скальных породах. Выпор - это вынос подземным потоком, фильтрующимся из-под напорного сооружения в нижний бьеф, значительных объемов грунта основания, состоящего из связных пород, например суглинков, глин и т п.

Для обеспечения нормальной работы сооружения и ликвидации опасных явлений при проектировании сооружения предусматривают рациональный подземный контур (рис. 6). Это достигается увеличением пути фильтрации под сооружением, созданием водонепроницаемого покрытия в верхнем бьефе (понура) и мощного водобоя в нижнем бьефе, закладкой шпунтовых или иных завес, зубьев или другими мероприятиями.

Рис. 6. Схема плотины на фильтрующем основании (по С.Н. Максимову, 1974): 1 - тело плотины, 2 - водобой, 3 - рисберма, 4 - понур, 5 - линии тока, 6 - шпунты

Плотины из грунтовых материалов.

Древний тип напорных гидротехнических сооружений - это плотины из грунтовых материалов. В зависимости от используемых грунтов плотины бывают однородные и неоднородные, в поперечном профиле тело последних состоит из нескольких видов грунтов. Для возведения однородной грунтовой плотины используются различные маловодопроницаемые грунты - пески, морена, лесс, супеси, суглинки и др. По конструкции плотины и ее сопряжению с основанием - это наиболее простой тип напорного сооружения.

Неоднородные грунтовые плотины, в свою очередь, делятся на плотины с экраном из маловодопроницаемого грунта, укладываемого со стороны верхового откоса плотины, и плотины с ядром, у которых маловодопроницаемый грунт располагается в середине профиля плотины. Вместо грунтового ядра могут применяться негрунтовые диафрагмы из асфальтобетона, железобетона, стали, полимеров и др. Экраны также могут выполняться из указанных негрунтовых материалов.

В зависимости от способа производства работ грунтовые плотины бывают насыпные, с механическим уплотнением насыпаемого грунта, и намывные, возводимые с помощью средств гидромеханизации; последний способ возведения грунтовых плотин при наличии соответствующих условий (обеспечение водой, энергией и оборудованием, наличие подходящего состава грунтов и пр.) отличается высокой производительностью, доходящей до 200 тыс. м3/сут.

Каменно-земляные плотины возводятся в основной части объема из наброски камня; их водонепроницаемость достигается устройством экрана или ядра, укладываемых из маловодопроницаемых грунтов (суглинков и т.п.). Между камнем и мелкозернистым грунтом устраиваются обратные фильтры - переходные слои из песка и гравия с возрастающей в сторону камня крупностью, чтобы предотвратить суффозию грунта противофильтрационных устройств.

Такие плотины нашли широкое применение в высоконапорных гидроузлах на горных реках. Так, высота плотины Нурекской ГЭС на р. Вахше составляет 300 м.

Преимуществом их, по сравнению с другими типами плотин, является использование имеющихся на месте строительства камня и грунта, возможность широкой механизации основных видов работ (наброска камня и отсыпка грунтов), а также доста точная сейсмостойкость. По сравнению с другими типами грунтовых плотин каменно-земляные отличаются большей крутизной откосов, т.е. меньшим объемом материалов.

Малая ширина малопроницаемого контакта каменно-земляной плотины с основанием усложняет конструкцию их водонепроницаемого сопряжения. В нескальных грунтах требуется забивка шпунтового ряда или закладка бетонной шпоры, а в скальных устраивают цементационную завесу путем нагнетания цементного раствора через пробуренные скважины в трещины породы. Подобные сопряжения предотвращают опасные фильтрационные явления в основании напорных сооружений.

Каменно-набросные плотины возводятся путем наброски или отсыпки камня, а их водонепроницаемость обеспечивается экраном на верховом откосе или диафрагмой в середине профиля, сооружаемыми из негрунтовых материалов (железобетон, дерево, асфальтобетон, сталь, пластмассы и др.). Каменные плотины возводятся из сухой каменной кладки, что также требует устройства экранов, или из каменной кладки на растворе. Эти плотины в настоящее время строят редко.

Плотины из искусственных материалов.

Деревянные плотины являются одним из старейших типов напорных сооружений, насчитывают много сотен лет существования. В этих плотинах основные нагрузки воспринимаются деревянными элементами, а устойчивость их против сдвига и всплывания обеспечивается закреплением деревянных конструкций в основании (например, забивкой свай) или загрузкой балластом из камня или грунта (в ряжевых конструкциях). Деревянные плотины строят для малых напоров, от 2 до 20 м.

Тканевые плотины начали возводить сравнительно недавно в связи с появлением прочных водонепроницаемых синтетических материалов. Основными элементами конструкции тканевых плотин являются сама оболочка, наполненная водой или воздухом и играющая роль затвора (водослива), анкерные устройства для прикрепления оболочки к бетонному флютбету, система трубопроводов и насосное или вентиляторное оборудование для наполнения и опорожнения оболочки. Область применения тканевых плотин редко выходит за предел напоров в 5 м.

Бетонные плотины имеют широкое применение в гидротехническом строительстве. Они строятся в различных природных условиях и допускают перелив воды через специальные пролеты на их гребне (водосбросные плотины), что невозможно или нерационально в плотинах из грунтовых материалов. Конструктивные формы их весьма различны, что зависит от многих факторов. Наибольшая высота бетонной плотины гравитационного типа Гранд Диксанс (Швейцария) составляет 284 м. В России возведена Саяно-Шушенская плотина арочно-гравитационного типа на Енисее высотой 240 м. Плотина имеет скальное основание. Водосбросные плотины гидроузлов Свирского и Волжского каскадов возведены на нескальном основании в сложных геологических условиях. Облегченные бетонные плотины появились позже массивных и имеют в России сравнительно небольшое распространение. По конструкции бетонные плотины подразделяются на три разновидности: гравитационные, арочные и контрфорсные. Наиболее известной разновидностью этих плотин являются контрфорсные плотины. Преимуществом их перед массивными является меньший объем бетонных работ. В то же время они требуют более прочного бетона, усиления его арматурой.

Гравитационные плотины при воздействии на них основных сил гидростатического давления обеспечивают достаточное сопротивление сдвигу, в основном благодаря большому собственному весу. В целях борьбы с фильтрацией воды в основании плотины устраивают цементационные завесы (в скальных основаниях), забивают шпунтовые ряды (в нескальных основаниях). Для повышения устойчивости плотины организуют дренажи, устраивают полости, снижающие противодавление, и другие мероприятия.

Арочные плотины криволинейные в плане с выпуклостью в сторону верхнего бьефа, сопротивляются действию гидростатического давления и других горизонтальных сдвигающих нагрузок в основном за счет упора их в берега ущелья (или устои). При возведении арочных плотин обязательным требованием является наличие достаточно прочных и мало податливых скальных пород в береговых примыканиях. Эти плотины не требуют подобно гравитационным значительного веса бетонной кладки, они экономичнее гравитационных плотин. Радиусы кривизны их арочных элементов увеличиваются снизу вверх.

Контрфорсные плотины состоят из ряда контрфорсов, форма которых в боковом фасаде близка к трапеции, расположенных на определенном расстоянии друг от друга; на контрфорсы опираются напорные перекрытия, воспринимающие действующие со стороны верхнего бьефа нагрузки. На контрфорсы сверху опираются пролеты мостового перехода. В свою очередь контрфорсы передают нагрузку на основание. Наиболее известны следующие разновидности контрфорсных плотин: массивно-контрфорсные, с плоскими перекрытиями, многоарочные. Контрфорсные плотины бывают как глухими, так и водосбросными. Они возводятся на скальных и нескальных грунтах; в последнем случае у них появляется дополнительный конструктивный элемент в виде фундаментной плиты, назначение которой - уменьшить напряжения в грунте основания. Для придания большей сейсмостойкости контрфорсам в условиях поперечного сейсма (поперек реки) они иногда связываются между собой массивными балками.

Особенностью контрфорсных плотин являются увеличенная ширина по основанию и наклон верховой грани, что приводит к тому, что на последнюю передается значительная вертикальная составляющая давления воды, прижимающая плотину к основанию и обеспечивающая ей устойчивость против сдвига, несмотря на уменьшенный вес. Противодавление в таких плотинах меньше, чем в массивных гравитационных.

Контрфорсные плотины требуют меньших объемов бетона, чем гравитационные, однако затраты на повышение качества бетона, арматуру и усложнение производства работ делает их по экономическим показателям достаточно близкими друг к другу. Самая высокая контрфорсная (многоарочная) плотина Даниэль-Джонсон высотой 215 м. построена в Канаде.

5. Водосбросы

В составе гидроузла, помимо глухой плотины, большое значение имеют водосбросы, т.е. устройства для сброса излишков паводковых вод или пропуска расходов другого назначения. Имеется несколько различных решений расположения водосбросов в гидроузле.

Водосбросные пролеты могут быть устроены в гребне бетонной плотины в русле или на пойме реки; тогда сооружение примет вид водосбросной плотины. Водосброс может быть устроен независимо от плотины в виде специального сооружения, располагаемого на береговом склоне и потому называемого береговым водосбросом.

Как в теле плотины, так и на береговом склоне водосбросные отверстия могут быть размещены близко к отметке гребня плотины или глубоко под уровнем верхнего бьефа. Первые носят название поверхностных, вторые - глубинных или донных водосбросов.

Поверхностные пролеты водосбросных плотин могут быть открытыми (без затворов), но обычно они имеют затворы, регулирующие уровень воды верхнего бьефа. Для предотвращения переполнения водохранилища затворы открывают частично или полностью, не допуская повышения уровня воды выше отметки нормального подпорного уровня (НПУ). Для улучшения условий пропуска воды через плотину гребню ее придают плавное, округленное очертание, которое далее переходит в круто падающую поверхность, заканчивающуюся вблизи уровня нижнего бьефа еще одним обратным закруглением, направляющим поток в русло реки. Вся длина водосбросного фронта делится при помощи быков на ряд пролетов. Быки, кроме того, воспринимают давление воды от затворов, а также служат опорами мостов, предназначаемых для обслуживания подъемных механизмов и затворов и транспортной связи между берегами.

Вода, сбрасываемая через плотину, обладает большим запасом потенциальной энергии, которая переходит в кинетическую. Борьба с разрушительной энергией сбрасываемого через плотину потока ведется различными способами. За водосбросной плотиной на водобойной массивной бетонной плите устраивают гасители энергии в виде отдельных бетонных массивов - шашек, пирсов или железобетонных балок. Иногда в нижнем бьефе водосбросной плотины организуют поверхностный режим путем устройства в нижней части водослива уступа и носка, срываясь с которого с большей скоростью, поток концентрируется у поверхности, а под ним образуется валец с умеренными обратными скоростями у дна.

За водосливными плотинами, имеющими в основании нескальные породы, за водобоями делается рисберма - укрепленный водопроницаемый участок русла реки.

Обычно на берегу водосбросы располагают в гидроузлах с плотинами из грунтовых материалов, не допускающими пропуска расходов воды через их гребень, а также в гидроузлах с бетонными плотинами в узких ущельях, где русло занято приплотинным зданием ГЭС. Типы их весьма разнообразны. Наиболее часто применяются поверхностные водосбросы, в которых сбрасываемый поток течет по поверхности берега в открытой выемке. Они размещаются на одном или на двух берегах, часто рядом с плотиной, и имеют следующие составные части: подводящий канал, собственно водосброс с водосливными пролетами, быками и затворами (или автоматического действия без затворов), отводящий канал в виде быстротока или ступенчатого перепада (применяется редко). Завершаются береговые водосбросы водобойными устройствами, аналогичными тем, которые устраиваются в нижнем бьефе водосбросных плотин - водобойным колодцем.

Если местные условия препятствуют трассировке отводящего канала, то его можно заменить отводящим туннелем; получится береговой водосброс туннельного типа. Туннельные береговые водосбросы имеют следующие составные части: подводящий канал, расположенный на высоких отметках берегового склона в верхнем бьефе, само водосбросное сооружение с затворами и отводящий туннель, заканчивающийся участком канала и водобойным устройством.

Глубинные и донные водосбросы размещаются на отметках, близких к дну водотока, на котором возводится гидроузел. Они устраиваются для следующих целей: для пропуска речного расхода в период строительства плотины в русле реки (строительные водосбросы), а в некоторых случаях для пропуска всего или части сбросного расхода. Основные разновидности их - туннельные и трубчатые водосбросы. Водосбросные туннели располагаются в скальных береговых массивах, в обход плотины, длина их составляет несколько сотен метров, размеры поперечного сечения определяются пропускаемым расходом. Форма сечения строительных водосбросов обычно подковообразная. Остальные туннели, работающие под большим напором, имеют круглое сечение.

Трубчатые водосбросы располагаются в гидроузле в зависимости от типа плотины. Если плотина бетонная (гравитационная, контрфорсная или арочная), то водосбросы представляют собой трубы, прорезающие ее тело от верхнего бьефа до нижнего и снабженные затворами. Если плотина грунтовая, то трубчатые водоспуски устраивают под плотиной, заглубляя их в основание. Они представляют собой башню, от которой берут начало стальные или железобетонные трубы круглого или прямоугольного сечения в зависимости от напора. Они могут быть одиночные или собранные в своеобразные "батареи" в зависимости от расхода. Во входной и выходной части труб размещают затворы и механизмы управления ими.

Затворы и подъемники. 0сновные затворы служат для регулирования сбросных расходов и уровней воды в верхнем бьефе, а также для пропуска в отдельных случаях леса, льда, сора, наносов. Ими можно полностью или частично закрывать водопропускные отверстия. Конструкция затворов зависит от их местоположения; затворы поверхностных отверстий, часто больших размеров, воспринимают сравнительно небольшое гидростатическое давление; затворы глубинных отверстий, имеющие значительно меньшие размеры, испытывают большое гидростатическое давление. Затворы изготовляют чаще всего из стали, при небольших напорах и пролетах перекрываемых отверстий - из дерева, в низконапорных неответственных сооружениях с большими пролетами -- из тканевых материалов (тканевые плотины). Наибольшее распространение в гидротехнических сооружениях получили плоские затворы, которые представляют собой металлическую конструкцию в виде щита, перемещающегося в вертикальных пазах быков и устоев. Составными частями плоского затвора являются: водонепроницаемая обшивка, воспринимающая давление воды верхнего бьефа, далее система балок, ферм и опорных конструкций, катящихся или скользящих по специальным рельсам, заложенным в пазах. Масса подвижной части затворов довольно существенна, при больших высотах и пролетах она превышает 100 т, что требует мощных подъемных механизмов. Чтобы уменьшить подъемное усилие механизмов, применяют сегментные затворы, которые при подъеме их и опускании вращаются вокруг шарниров, заделанных в быках и устоях. Такие затворы имеют также широкое применение, но стоимость их превышает стоимость плоских затворов.

6. Водоприемники

гидроузел плотина равнинный водохранилище

Назначение водоприемника. Водоприемниками называют части водозаборных сооружений, основное назначение которых - забор воды из водотока (реки, канала) или водоема (озера, водохранилища); действие, для которого они предназначены, можно называть водозабором.

Регулирует расход воды обычно потребитель. Забор воды должен быть обеспечен при любом подпорном уровне - от нормального (НПУ) до наинизшего - уровня мертвого объема (УМО).

В функции водозаборного сооружения входит очистка воды от примесей и инородных тел.

Конструкции водоприемника. Конструкция и оборудование водоприемника в значительной степени зависят от типа гидроузла и от вида водовода напорный или безнапорный. Поэтому описание конструкций и оборудования водоприемников и их работы возможно лишь отдельно для каждого типа. Размеры водоприемника характеризуются габаритами его входного сечения, где располагаются сорозадерживающие решетки (часто их называют сороудерживающими). Для облегчения очистки решеток и уменьшения потерь напора на решетках скорости течения на входе принимаются не более 1,0 м/с. Площадь входа водоприемников больших турбин измеряется сотнями квадратных метров.

Водоприемник этого типа, индивидуальный для каждой турбины, представляет собой прямоугольное отверстие в массиве плотины, постепенно суживающееся и переходящее в круглое сечение турбинного водовода.

Верхняя часть входа закрывается железобетонной стенкой - забралом, опущенным ниже УМО. Забрало воспринимает давление льда, задерживает плавающие предметы. В передней части входа в водоприемник устанавливается решетка 1 из стержней полосовой стали для задержания взвешенного в воде сора, могущего повредить турбину. В процессе эксплуатации накапливающийся у водоприемника и на решетке сор убирается механическими граблями, грейфером, так как при засорении решетки существенно возрастет ее сопротивление течению воды.

За решеткой в быках устраиваются пазы для установки затвора 3 и прекращения подачи воды в турбинный водовод. Чтобы иметь возможность содержать в исправности и ремонтировать быстродействующий затвор, впереди него устраиваются пазы 2 для ремонтного затвора. Попасть к затвору для осмотра и ремонта можно через смотровой люк 6.Ремонтный затвор проще, от него не требуют быстродействия, он опускается не в поток, а в спокойную воду. За затвором устраивается воздуховод 7 - труба для подачи в турбинный водовод воздуха, замещающего воду, уходящую через турбину в случае закрытия водоприемника аварийно-ремонтным затвором. Для удобства эксплуатации над водоприемником возводится здание, оборудованное мостовым монтажным краном. В благоприятных климатических условиях здание не строят и применяют монтажный кран портального типа.

Основной затвор регулирует расхода воды в соответствии с графиком водопотребления. Движение затвора осуществляется с помощью гидропривода.

При малых колебаниях уровня верхнего бьефа водозаборное сооружение располагают на высоких отметках берега, это так называемый поверхностный береговой водоприемник. При большом диапазоне эксплуатационных уровней водохранилища необходимо устраивать глубинный береговой водоприемник, располагая его немного ниже УМО.

7. Водоводы

Назначение водоводов. Вода, поступившая в водоприемник и очищенная от примесей, должна оставляться потребителю в соответствии с графиком потребления. Одно из основных требований к водоводам (напорным и безнапорным) - водонепроницаемость их стенок. Вода не должна теряться по пути, и эти потери не должны заболачивать прилегающую территорию. Для гидроэлектростанции необходимо также, чтобы потенциальная энергия потока возможно меньше терялась по пути, уклон его свободной или пьезометрической поверхности был невелик. Для этого стенки водовода должны быть гладкими, характеризоваться малым сопротивлением течению. Гладкие стенки нужны водоводам и оросительных систем и систем водоснабжения - чем выше будет подведена вода, тем легче обеспечить ее самотечную подачу потребителям, тем меньше затраты энергии на работу насосных станций. Только для судоходных каналов шероховатость стенок не имеет значения, поскольку скорости в них малы или равны нулю.

Стенки водоводов не должны размываться скоростями течения и волнением (волны возникают, например, при движении судов по каналам).

Размеры поперечного сечения водовода определяются на основе технико-экономических расчетов. Тип и конструкцию водовода также определяют на основе технико-экономических сопоставлений. В зависимости от назначения водовода, его размеров, природных условий и условий строительства и эксплуатации в качестве водовода могут применяться каналы, лотки, трубопроводы, туннели. Первые два типа - безнапорные, третий - напорный; туннель может быть и напорным и безнапорным (если он не заполнен водой доверху). Часто оптимальное решение достигается последовательным сочетанием участков водовода разного типа.

Простейшим и наиболее дешевым типом водовода является обычно канал. Каналы распространены во всех областях гидротехнического строительства. Трассу канала желательно прокладывать на плане так, чтобы вода в нем находилась в выемке, высота дамб была небольшая. Форма сечения - трапецеидальная (иногда более сложного очертания), крутизна откосов определяется их устойчивостью; грунт не должен оползать.

В скальном грунте сечение канала приближается к прямоугольному. Ширина сечения канала больше его глубины, чтобы уменьшить потери воды на фильтрацию из канала, увеличить скорость течения и снизить сопротивление течению, т.е. уклон поверхности, дно и откосы канала покрывают облицовкой чаще всего бетонной или железобетонной. Под облицовкой укладывается слой крупнозернистого грунта (гравия) в качестве дренажа.

Туннель - самый дорогой тип водовода в расчете на единицу его длины. Если туннель прокладывается в слабых, нескальных грунтах, то его стоимость особенно возрастает. В связи с этим его можно предпочесть поверхностным типам деривации только в том случае, если он значительно короче, позволяет спрямить трассу или если береговой склон, по которому может быть проложена трасса, малопригоден для поверхностной деривации - сильно пересеченный рельеф, большая крутизна, оползни, лавины.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Классификация промышленных гидротехнических сооружений. Проектирование гидротехнических сооружений. Влияние различных факторов на качество строительства. Современные материалы для строительства. Мероприятия, обеспечивающие требуемое качество воды.

реферат , добавлен 21.03.2012


Понятие о гармонизации - системной методологии проектирования гидросооружений. Основные принципы и методология инженерных расчетов. Вероятностный метод расчета гидротехнических сооружений. Решение гидротехнических задач в вероятностной подстановке.

реферат , добавлен 11.01.2014


Классификация гидротехнических сооружений и их применение. Разведочное и эксплуатационное бурение. Островные сооружения, платформы для глубин более 50 м. Конструкции систем подводной добычи. Опыт эксплуатации ледостойких нефтегазопромысловых сооружений.

реферат , добавлен 12.02.2012


Компоновка гидроузла, выбор удельного расхода. Проектирование водобойного колодца. Выбор числа и ширины пролётов плотины. Конструирование водосливного профиля. Устройство и применение плоских затворов. Техническая безопасность гидротехнических сооружений.

курсовая работа , добавлен 29.07.2012


Характеристика района возведения гидроузла. Выбор основных размеров профиля плотин. Определение отметки гребня в глубоководной зоне. Откосы, бермы и дренажные устройства. Фильтрационный расчет грунтовой плотины. Проектирование водовыпускного сооружения.

курсовая работа , добавлен 25.04.2015


Физико-географические условия формирования стока. Водные объекты Краснодарского края: реки, озера, лиманы, водохранилища. Загрязнение водных объектов. Проблема нецентрализованных источников водоснабжения. Современное состояние гидротехнических сооружений.

дипломная работа , добавлен 20.07.2015


Географическое положение Березовского водохранилища. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка реконструкции. Определение объемов земляных работ и организация строительства проектируемых сооружений при реконструкции водохранилища.

курсовая работа , добавлен 25.01.2015


Расчет магистрального канала гидротехнического сооружения, определение равномерного движения жидкости по формуле Шези. Определение канала гидравлически наивыгоднейшего сечения, глубин для заданных расходов. Вычисление многоступенчатого перепада.

курсовая работа , добавлен 12.07.2009


Трассирование линейных сооружений. Цели инженерно-геодезических изысканий для линейных сооружений. Геодезические работы при проектировании линейных коммуникаций и при прокладке трасс сооружений. Установление положения автодороги в продольном профиле.

контрольная работа , добавлен 31.05.2014


Гидрологические характеристики района проектирования. Определение полезного, форсированного и мертвого объемов водохранилища. Выбор створа плотины, трассы водопропускных сооружений. Построение плана и поперечного профиля плотины. Расчет входного оголовка.