Типы гидротехнических сооружений

В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехнические сооружения принято подразделять на группы, важнейшими из которых являются: водоподпорные, руслорегулирующие, водопроводящие, судо- и водопропускные (водосбросные).

Водоподпорные сооружения перегораживают русла рек, тем самым, существенно меняют уровень воды в потоке и создают подпор - разницу уровней воды до и после сооружения. Основное водоподпорное сооружение - плотина. Плотина полностью перегораживает русло реки. Уже отмечалось, что поток выше по течению плотины называют верхним бьефом (ВБ), ниже по течению - нижним бьефом (НБ). Уровни воды в верхнем и нижнем бьефах вблизи плотины обозначают соответственно УВБ и УНБ. Разность УВБ и УНБ называют напором и обозначают (Н). Максимальный уровень верхнего бьефа, который можно держать сколь угодно долго в условиях нормальной эксплуатации, принято обозначать НПУ - нормальный подпорный уровень, а минимальный УМО - уровень мертвого объема. Часть объема водохранилища между НПУ и УМО называют полезным, ниже УМО - мертвым объемом; форсированный подпорный уровень (ФПУ) - это уровень, до которого временно допускается заполнение водохранилища в период пропуска катастрофических половодий и паводков, что является чрезвычайными условиями эксплуатации подпорных сооружений.

На некотором расстоянии от плотины подпор исчезает (выклинивается). Подпертую часть реки называют водохранилищем. Если в плотине (или в обход её) имеются отверстия для пропуска воды, оборудованные затворами, то это позволяет регулировать сток реки - менять количество сбрасываемой воды из верхнего бьефа в нижний по определенному графику, выгодному водопотребителям и водопользователям. Если на подпертой части русла реки (в пределах водохранилища) нет притоков, то расходы воды в каждом сечении водохранилища постоянны (в силу неразрывности водного потока). В водохранилище существенно меняются ширина и глубина потока, а также скорости реки. Как правило, по мере приближения к плотине ширина и глубина возрастают, а скорости течения воды уменьшаются.

Изменение водного режима в зоне подпора существенно влияет на природно-климатические условия региона. Меняется режим подземных вод русла и берегов. Воды верхнего бьефа постепенно насыщают грунт берегов, что может привести к подтоплению и заболачиванию прилегающих земель. Фильтрация (движение воды от верхнего бьефа к нижнему в грунтах основания и берегов) может вызвать значительные потери воды из водохранилища и привести к выпору грунтов основания. В основании плотин в зоне вечной мерзлоты в силу положительной температуры воды, действующей на мерзлоту, происходит оттаивание грунтов, прилегающих ко дну водохранилища, при этом оттаявшие грунты основания могут потерять свою прочность и увеличить водопроницаемость. Вода нагревается и остывает медленнее, чем воздух. Поэтому крупное водохранилище делает климат окружающей местности «более морским и менее континентальным»: зима делается теплее, а лето прохладнее. Водохранилище затапливает часть плодородных земель (в частности, заливных лугов). В силу малости скоростей воды в водохранилище и относительно более высокой, чем в реке, температуры поверхностных вод, в водохранилище может произойти ухудшение качества воды (ее механическое, химическое и биологическое загрязнение). Водохранилище по своему водному режиму напоминает озеро с сильно меняющимся, в пределах цикла регулирования, уровнем воды. Это меняет условия жизни рыб в водохранилище. Водохранилище может повлиять на сейсмическую активность региона и вызвать наведенную сейсмичность. Эти, а также еще ряд факторов, необходимо иметь в виду при возведении плотин и проектировать специальные меры защиты от негативных воздействий водохранилищ на окружающую среду и соответствующие компенсационные мероприятия. Наибольший вред наносят водохранилища на равнинных реках, где зачастую имеются обширные площади мелководий, если не принять мер по обвалованию таких территорий.

Водоподпорные сооружения - наиболее ответственные, так как несут большую нагрузку - давление воды верхнего бьефа. Отказ водоподпорного сооружения может привести к прорыву напорного фронта и неконтролируемому переливу воды в нижний бьеф, что грозит катастрофическими последствиями. Основное водоподпорное сооружение - плотина. На гидроэлектростанциях с малыми и средними напорами (до 40 м) подпорными сооружениями могут быть и силовые здания ГЭС. При русловой компоновке ГЭС (см. ниже) здание ГЭС входит наряду с плотиной в состав напорного фронта. Водоподпорными сооружениями являются также шлюзы.

Руслорегулирующие сооружения не создают, как правило, подпора и служат для изменения направления и скоростей потока, обеспечивая необходимые условия для защиты берегов от размыва, улучшая условия для забора воды, судоходства, сплава леса. Основной тип руслорегулирующего сооружения - дамба - безнапорная плотина, которая не перегораживает и мало стесняет естественные русла рек.

Судопропускными сооружениями являются шлюзы и судоподъемники. Они сооружаются на судоходных реках для перехода судов из нижнего бьефа в верхний и обратно.

Из верхнего бьефа в нижний вода поступает через водопроводящие и водосбросные сооружения.

Водопроводящие сооружения - искусственные русла (каналы, туннели, лотки, трубопроводы). Эти сооружения подводят (отводят) воду к объектам водного хозяйства - к турбинам гидростанций, на орошаемые земли, в системы водоснабжения предприятий и населенных пунктов.

Водопропускные (водосбросные) сооружения предназначены для сброса «лишней» воды из верхнего бьефа в нижний через плотину или в обход её. Под «лишней» здесь понимается та вода, которую по каким-либо причинам (большой паводок, санитарный попуск, временные попуски для ирригации, судоходства) не удается удержать в водохранилище или использовать для получения электроэнергии. Иногда водосбросные сооружения не выделяют в отдельный класс, а относят либо к водопроводящим, либо к водосбросным плотинам.

Гидротехнические сооружения не исчерпываются рассматриваемыми ниже гидротехническими сооружениями гидроэлектростанций. В их число входят гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций, ирригационные и портовые сооружения, морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения и др. Полный перечень гидротехнических сооружений приведен в Строительных нормах и правилах (СНиП2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования»).

Согласно нормам, гидротехнические сооружения делятся на постоянные и временные. К временным относятся сооружения, используемые только в период строительства и ремонта. Постоянные сооружения подразделяются на основные и второстепенные. К основным относятся сооружения, разрушение или повреждение которых приводит к нарушению нормальной эксплуатации - прекращению или уменьшению электроснабжения, подачи воды на орошение или водоснабжение, подтоплению или затоплению территорий, нарушению судоходства, выбросу нефти или газа, ущербу рыбным запасам. К второстепенным относятся гидротехнические сооружения, повреждение которых не несет указанных последствий.

К основным гидротехническим сооружениям относятся:

- плотины;
- устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта;
- дамбы обвалования;
- водосбросы;
- водоприемники и водозаборные сооружения;
- каналы;
- туннели;
- трубопроводы;
- напорные бассейны и уравнительные резервуары;
- здания гидростанций и насосных станций;
- шлюзы, судоподъемники и судоходные плотины;
- гидротехнические сооружения портов (пристани, причалы);
- гидротехнические сооружения тепловых и атомных электростанций;
- рыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта;
- морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.