Общие сведения о гидротехнических сооружениях
Особенности и условия работы гидротехнических сооружений.
Основная особенность гидротехнических сооружений и отличие их от других видов инженерных сооружений состоит в том, что они работают (эксплуатируются), находясь в стоячей или движущейся воде, которая оказывает на них силовое (механическое), физико-химическое и биологическое воздействия.
Механическое воздействие воды на сооружение сказывается в виде давления – гидростатического и гидродинамического. Давление воды является основной нагрузкой большинства гидротехнических сооружений, определяющей их размеры и формы.
Но вода оказывает механическое давление на гидротехнические сооружения не только как жидкость. В холодный период ледяной покров, образующийся в водоемах, может производить статическое давление при повышении температуры льда и динамическое – в виде ударов плывущих льдин.
Наносы, влекомые потоком, осаждаясь перед гидросооружениями, также создают на них статическое давление, действующее в ту же сторону, что и напор воды.
Физико-химическое действие воды сказывается на материале сооружения и на водонепроницаемом грунте основания. Так, движущаяся с большими скоростями вода, особенно если она влечет с собой наносы, истирает поверхности сооружения, разрушает речное ложе; металлические части подвергаются коррозии, вследствие чего полезная толщина их постепенно уменьшается. Бетонные части сооружений, находясь под действием фильтрующейся через них воды, могут разрушаться в результате выщелачивания из них несвязной (свободно) извести, если вода обладает агрессивными (по отношению к бетону) свойствами.
Биологическое действие сказывается в разрушительной деятельности живущих в воде различных микроорганизмов. Последняя выражается в гниении дерева и истачивании его морской шашелью, в разрушении камня в морской воде камнеточцем.[2, с. 13-14]. Кроме того, в определенных условиях (в глубоких водохранилищах) наличие некоторых микроорганизмов приводит к появлению органической серы (сероводорода), которая в присутствии воды превращается в серную кислоту, разрушающую бетон.
Классификация гидротехнических сооружений.
Гидротехнические сооружения классифицируют по нескольким признакам.
В зависимости от того, воспринимают ли они напор воды, их делят на напорные и безнапорные. У напорных сооружений уровень воды перед сооружением всегда выше, чем за ним; эту разность уровней называют напором. У безнапорных сооружений уровни воды перед сооружением и за ним практически равны.
Часть реки или водоема по ту сторону напорного сооружения, где уровень воды более высок, называют верхним бьефом (сокращенно – в. б.), а по другую сторону – нижним бьефом (н. б.); в некоторых случаях вода в нижнем бьефе может отсутствовать.
Одни гидротехнические сооружения применяют во всех отраслях водного хозяйства, другие только в некоторых из них. В зависимости от этого их делят на сооружения общего и специального назначения.
К гидротехническим сооружениям о б щ е г о назначения относятся следующие.
Водоподпорные (водоподъемные) сооружения, создающие и поддерживающие подпор воды, т.е. поднимающие уровень в реках и озерах до заданных отметок; к ним относятся все типы плотин и дамб, которыми перегораживают естественные и искусственные водотоки, приплотинные здания ГЭС, напорные водозаборы.
Водозаборные (водоподводящие) сооружения строятся для подачи воды из рек, озер, водохранилищ, прудов к местам ее потребления и использования; в зависимости от природных условий они бывают в виде каналов, лотков различных сечений и конструкций, трубопроводов туннелей.
Регуляционные и берегоукрепительные сооружения предназначены для регулирования речных русел в целях создания благоприятных условий для протекания в них водного потока и предотвращения его разрушающего действия на русло, защиты населенных пунктов и земельных угодий от затоплений; улучшения условий пропуска шуги, внутриводного и поверхностного льда на зажорно-заторных участках рек и селей на селеопасных участках рек; улучшения условий подхода водных потоков к отверстиям мостовых переходов и дорожных труб. К этим сооружениям относятся струенаправляющие дамбы, запруды и полузапруды, траверсы, прокопы, а также подпорные стенки, ограждения и укрепления для предохранения берегов от размыва и др.
Сопрягающие сооружения служат для безопасного сопряжения потоков, озер, водохранилищ, расположенных на разных отметках, при их соединении между собой; для сопряжения с нижним бьефом потоков, протекающих через водосбросы плотин. Эти сооружения возводят при прокладке каналов в местах сосредоточенного падения местности, где возникает угроза размыва русел. Сопрягающие сооружения устраивают при некоторых типах ГЭС, используя как аварийные сбросы воды.
Водосбросные (водосливные) сооружения предназначены для сброса излишков воды из водохранилищ в н. б. Во избежание их переполнения в периоды половодий и паводков, а также для опорожнения водохранилищ.
К гидротехническим сооружениям общего назначения могут быть отнесены следующие типы, изредка встречающиеся в основных отраслях водного хозяйства. Это ледосбросные сооружения (ледосбросы и шугосбросы) применяют в составе гидроузлов на реках с тяжелыми условиями ледохода и шугоносных реках при необходимости пропуска льда и шуги из верхних бьефов (при малой их емкости) в нижние; отстойники и промывные устройства, служащие для улавливания речных наносов перед входами в водозаборные сооружения и для удаления промыва задержанных наносов из отстойников в нижний бьеф; рыбопропускные сооружения (рыбоходы, рыбоподъемники), служащие для обеспечения прохода рыб к нерестилищам через напорные сооружения.[6, с. 20-24]
Гидроэнергетические (здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при некоторых ГЭС и т.п.).
Воднотранспортные (судоходные шлюзы, судоподъемники, пристани, лесоплавильные лотки и т.п.).
Гидросооружения водоснабжения и канализации (насосные станции, очистные сооружения и т.п.).
Гидромелиоративные, предназначенные для целей инженерных мелиораций (шлюзы–регуляторы, дренажные устройства и т.п.).
Гидросооружения рыбного хозяйства (рыбоходы, рыбоводные пруды и т.п.).
Гидротехнические сооружения, выполняющие защитные функции (от наводнений, селей, эрозии, оползней и т.п.).
Особую группу специальных гидротехнических сооружений составляют гидрологические расходомеры, т.е. устройства для измерения расходов воды на малых и средних водотоках.
По основному строительному материалу, используемому при создании гидросооружений, они подразделяются на сооружения:
а) из местных строительных материалов (земляные, деревянные, каменные);
б) из дальнепривозных материалов (бетонные, железобетонные, металлические).
Гидроузлы.
Широко практикуемое в нашей стране комплексное использование водных ресурсов приводит к тому, что перечисленные выше различные по водохозяйственному назначению гидротехнические сооружения обычно группируются в те или иные комплексы по несколько сооружений для совместного выполнения ряда водохозяйственных функций. Такие комплексы называются гидроузлами. [2, с. 10-11].
По величине напора гидроузлы делят на низконапорные (с напором 2-10 м), перегораживающие речные русла и поймы, средненапорные (с напором 10-40 м) и высоконапорные (с напором более 40 м), перегораживающие речные русла, поймы и долины.
Постоянные гидротехнические сооружения по значению и роли в гидроузлах разделяют на основные и второстепенные. К первым относятся сооружения, прекращение работы которых в случае аварии или капитального ремонта приводит к полной остановке или значительному снижению мощности гидроэлектростанции, пропускной способности водозаборов, водопроводящих сооружений, сокращению судоходства, лесосплава, водоснабжения. При строительстве к ним предъявляются повышенные требования.
Второстепенные – это сооружения, прекращение работы которых не приносит значительного ущерба водному хозяйству. К ним относятся подпорные и раздельные стенки, облицовки каналов и берегов, струенаправляющие дамбы, ледозащитные сооружения. [6, с. 25-26].
Если несколько гидроузлов совместно и взаимосвязанно решают комплекс водохозяйственных проблем на значительной территории, т.е. являются объединенными (географически, экономически, организационно) в общую систему или гидросистемы. Ярким примером гидросистемы может служить река Волга с расположенными в её бассейне крупными гидротехническими комплексами. [2, с.11]. (Схемы гидроузла представлены на рис. 1.1.1, 1.1.2)