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.
Гидротехнические сооружения и их воздействие на окружающую среду
... защиты берегов от воздействия волн и течений [2]. По целевому назначению гидротехнические сооружения разделяют на сооружения общего назначения и специальные. К сооружениям общего назначения относятся ... и нижнем бьефе непосредственно около сооружения называется напором на сооружении; водопроводяшие (каналы, трубопроводы, гидротехнические туннели, лотки и др.), служащие для подачи воды к местам ...
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.
Оборудование гидроэлектростанции
... гидроэлектростанция представляет собой взаимоувязанный комплекс гидротехнических сооружений, водохранилища ... ГЭС включает в себя все виды деятельности, связанной с возведением сооружений (гидроузлов) ... воды в реке в результате, например, дождей), осушения части русла и возведения сооружений за перемычками (водонепроницаемое ограждение ГТС или места работ ... невозможна гидроэлектростанция: плотина, ...
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
|
Водохранилище |
Река |
Объем, км3 |
||
|
Братское |
Россия |
Ангара |
169,3 |
|
|
Кариба |
Замбия, Зимбабве |
Замбези |
160,3 |
|
|
Насер |
Египет, Судан |
Нил |
157,0 |
|
|
Даниел-Джонсон |
Канада |
Маникуаган |
141,8 |
|
|
Красноярское |
Россия |
Енисей |
73,3 |
|
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=[H2+a/2(H1- H2)]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.
