ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

Освоение водных ресурсов сопряжено с необходимостью строительства сооружений и оснащения их различным оборудованием. Такие сооружения называют гидротехническими, а прикладную науку, занимающуюся описанием их назначения и конструкций, а также разработкой теории расчетов и проектирования, строительством и эксплуатацией, гидротехникой. Соответствующая область техники тоже называется гидротехникой.

Задача гидротехники создать условия для экономичного хозяйственного использования водных объектов (реки, озера, моря, подземные воды). Гидротехнические сооружения, служащие для экономичного водохозяйственного использования рек, озер, морей и подземных вод или создания искусственных водных потоков и водоемов, когда естественных вод недостаточно, и являющиеся общими для всех отраслей водного хозяйства, называются общими (например, плотины, водосбросные сооружения различных типов, каналы и т. д.). Сооружения, которые предназначены только для использования в отдельных видах водного хозяйства (гидроэнергетике, судоходстве, сплаве, ирригации, водоснабжении и пр.), называются специальными. Специальные гидросооружения рассматриваются в специальных курсах (использование водной энергии, водоснабжение, гидромелиорация, водные пути).

Гидротехнические сооружения, возводимые на реках, называют речными, на озерах и морях озерными и морскими. В данном курсе рассматриваются в основном общие речные гидросооружения. В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехнические сооружения делят на:

В соответствии с изложенным рассмотрим типы сооружений.

1. Водоподпорные. Основным водоподпорным сооружением является плотина, перегораживающая русло и создающая подпор, т. е. существенную разность уровней воды у сооружения. Поток выше по течению плотины (рис. 1.3. ) называется верхним (или подпертым) бьефом (ВБ), а ниже его нижним бьефом (НБ). Подпор, т. е. подъем уровня воды, распространяется вверх по течению, постепенно уменьшаясь, а уровни воды приближаются к бытовым уровням в реке и на известном расстоянии от сооружения подпор исчезает, или полностью «выклинивается» (сечение 55 на рис. 1.3, а, в). На всем участке подпора L происходит изменение глубин воды h и скоростей течения v (при одном и том же расходе воды) вследствие изменения площади живых сечений потока. При этом, как показано на рис. 1.3, а, соблюдается соотношение т. e. средние скорости течения в верхнем бьефе по мере приближения к подпорному сооружению уменьшаются, а глубины возрастают. В результате повышения уровня в реке покрываются водой площади земель, до того бывшие сухими, т. е. происходит затопление территорий. Вся площадь водной поверхности в подпертом верхнем бьефе очерчена пунктиром на рис. 1.3, б, изображающим план реки, площадь же затоплений, вызванных собственно подпором, является разностью общей площади и площади водной поверхности бытового русла.

Подпор воды изменяет не только уровни, скорости течения и глубины в реке, но и режим подземных вод русла и берегов. На рис. 1.3, г показан поперечный профиль реки и ее долины. При уровне I воды в реке до постройки подпорного сооружения уровень грунтовых вод занимал положение ас. При подпоре (уровень II) вода верхнего бьефа, фильтруясь к реке, постепенно насыщает грунты долин (рис. 1.3, г), и спустя некоторое время поверхность фунтовых вод займет положение ас (рис. 1.3, г), приближаясь к поверхности земли. На некоторых участках глубина залегания подземных вод h„ может стать столь малой (1-1,5 м и меньше), что вышележащая зона окажется непригодной для сельскохозяйственного использования или даже заболоченной; подобная зона носит название зоны подтопления.

Благодаря подпору частица воды, например, в точке т водопроницаемого основания, будет испытывать со стороны верхнего бьефа больший напор h9, чем с низовой стороны и будет двигаться в сторону нижнего бьефа. Происходит явление, называемое фильтрацией воды в основании сооружения; частицы воды в основании движутся из верхнего бьефа в нижний по некоторым траекториям (пунктир на рис. 1.3, д), в результате часть воды из водохранилища уходит в нижний бьеф подземным путем.

Аналогично возникает движение подземных вод по берегам, в обход подпорного сооружения (рис. 1.3, е), вызванное разницей уровней воды в верхнем (кривая П на рис. 1.3, г) и нижнем (кривая I) бьефах. Это создает дополнительные потери воды из водохранилища.

Благодаря подпору и постепенному изменению скоростей течения в ВБ изменяется и способность потока транспортировать наносы, взвешенные и влекомые по дну. Известно, что способность эта пропорциональна квадрату скорости потока v2 и для частиц разных диаметров скорость течения, при которой они прекращают движение и выпадают на дно, различна. Поэтому по мере уменьшения скорости течения в верхнем бьефе начинают выпадать на дно потока сначала наиболее крупные наносы, затем более мелкие и у самого сооружения, где средние скорости течения близки к нулю, мельчайшие частицы наносов, при этом вода становится практически чистой.

Наибольший эффект очищения воды от наносов наблюдается на реках Средней Азии, которые несут очень много наносов и вода часто имеет цвет черного кофе, а после строительства плотины приобретает синий или бирюзовый цвет морской глади (Чарвакское и Нурекское водохранилища).

Освобожденная от наносов вода, попадающая в НБ, снова насыщается ими за счет грунтов ложа реки, вызывая его размывы и общее понижение уровней воды в нем на некотором участке вниз по течению до тех пор, пока не наступит равновесие между размывающей способностью реки и сопротивлением фунта дна и берегов размыву. Таким образом, водоподпорное сооружение влияет на все элементы потока и его русла, а также и на подземные воды. Но больший эффект достигается, когда регулируется расход воды, пропускаемой в НБ реки. Если в сооружении (плотине) сделать отверстия с затворами, позволяющими регулировать выпуск воды из ВБ в НБ по требуемому потребителем графику (режиму), то можно в периоды избытка воды в реке, например в паводок, задерживать часть ее в ВБ, накапливая запасы с тем, чтобы в нужные периоды выпускать воду в НБ с расходом, требуемым потребителю. В этом случае ВБ называется водохранилищем. Водоподпорные сооружения (плотины) обладают чрезвычайно ценной способностью изменять режим стока реки, все ее гидравлические элементы в таком направлении, которое необходимо для водохозяйственного ее использования. Водоподпорные сооружения (плотины) широко используют во многих отраслях народного хозяйства. Кроме плотин, перегораживающих реки, водоподпорными сооружениями являются дамбы (или валы), отгораживающие территории от затопления паводками или ограждающие территории и акватории (в портах) от воздействия приливов, ветровых нагонов воды, и дамбы, образующие искусственные бассейны (например, бассейны гидроаккумулирующих электростанций ГАЭС) и русла каналов. В составе низко или средненапорных гидроузлов (например, на р. Волга) могут находиться и многие специальные гидротехнические сооружения (здания ГЭС, шлюзы, рыбоходы).

Для удобства изучения плотины классифицируют по характерным признакам. Наиболее распространена классификация по материалу, из которого построена плотина. Материалом для плотин служат грунт, бетон, железобетон, дерево, водонепроницаемая ткань. Плотины, выполненные из грунта, называются грунтовыми, из бетона бетонными, из дерева деревянными и т.д.

Грунтовые плотины (рис. 1.4) самый распространенный тип плотины; в свою очередь в зависимости от грунтов тела плотины делятся на земляные, каменноземляные и каменные. По конструкции противофильтрационных устройств эти плотины делятся на однородные, с ядром, с экраном, с диафрагмой. Более подробно классификация грунтовых плотин изложена в гл. 11.

Бетонные (железобетонные) плотины (рис. 1.5) по конструкции делятся на гравитационные (массивные), контрфорсные и арочные. Гравитационные в поперечном разрезе имеют форму, близкую к треугольнику с шириной основания, равной —2/3 высоты и более, их низовая грань прямолинейна или криволинейна (рис. 1.5, а, б); в плане плотина обычно прямолинейна; контрфорсные плотины представляют собой стены 1, усиленные контрфорсами 2 то же стенками, расположенными со стороны НБ или ВБ нормально к основной и подпирающими ее (рис. 1.5, в); арочные плотины имеют в плане криволинейное очертание (откуда и название плотин) с выпуклостью, обращенной к ВБ, а в поперечном (вертикальном) разрезе это сравнительно тонкие стенки криволинейной формы (рис. 1.5, г).

Конкретные примеры бетонных плотин приведены в гл. 810.

Бетонные плотины бывают глухими, если они не пропускают воду в НБ, и водопропускными (водосбросными), если они имеют отверстия для сброса воды.

В первом случае вода из ВБ удаляется через другие сооружения, возводимые рядом с глухой плотиной (например, через здание гидроэлектростанции, береговые водосбросы), или отводится из ВБ с помощью водопроводящих сооружений (каналов, трубопроводов, туннелей) к потребителям, например, в системы водоснабжения или орошения. В водопропускных плотинах вода пропускается в НБ через отверстия, которые могут быть поверхностными или водосливными (рис. 1.6, а) и погруженными под уровень воды верхнего бьефа глубинными 4 (рис. 1.6, б), в частности донными (рис. 1.6, в). С помощью водосливных отверстий уровень верхнего бьефа может быть снижен до гребня водослива, а глубиные до уровня их порога, на рис. 1.6 показаны быки 2 водосливных отверстий.

2. Регуляционные. Руслорегулирующие сооружения должны регулировать эрозионную деятельность потоков в их руслах, а также изменять режим потока в пределах его русла в направлении, требуемом потребителем, и защищать русла от вредных воздействий потока. Регуляционные сооружения представляют собой дамбы, возводимые в руслах, и специальные покрытия, защищающие берега от размыва. Дамбы, как правило, не перегораживают всей ширины реки, а возводятся от берегов в поперечном, а иногда продольном направлении по отношению к руслу. Они иногда представляют собой пороги на дне русла или же искусственные выемки руслового грунта.

Регуляционные сооружения не создают, как правило, подпора воды, но воздействуют на направление и величину скоростей потока, перераспределяя их и тем самым воздействуя на формирование русла его глубину, размеры и форму в плане.

Эти сооружения обслуживают различные отрасли водного хозяйства: обеспечивают необходимые глубины, скорости течения и форму русла для судоходства и сплава (леса) на реках, создают нормальные условия для забора воды из рек, обеспечивают стабильность речных берегов, необходимую для населенных пунктов и различных предприятий по берегам рек.

3. Водопроводящие. Водопроводящие сооружения представляют собой искусственные русла, выполненные в фунте, каналы, подземные туннели и на поверхности земли лотки и трубы из различных материалов. Эти сооружения подают воду к турбинам гидроэлектростанций, на орошаемые земли, в системы водоснабжения городов, промышленных и других предприятий, а также отводят воды с осушаемых земель и от других водопользователей. Кроме того, они используются и в качестве водных путей судоходных и сплавных и для других разнообразных целей. По существу, это искусственные водные потоки, подчиняющиеся тем же законам гидравлики, что и естественные потоки.

К числу водопроводящих сооружений относят и водосбросы, служащие для сброса воды из водоемов и верхних бьефов в нижние бьефы через отверстия в плотинах или в обход плотин в береговых сооружениях.

4. Гидроузлы. Комплекс гидротехнических сооружений, объединенных общей водохозяйственной целью и расположенных территориально в определенном месте, носит название узла гидротехнических сооружений или гидроузла (гидротехнического узла).

При наличии в узле водоподпорных сооружений, создающих напор в реке или канале, гидроузел называют напорным (подпорным), в противном случае безнапорным. По величине создаваемого напора гидроузлы делятся на следующие:

В соответствии с водохозяйственными целями напорные узлы разделяют на: гидроэнергетические или энергетические; воднотранспортные или транспортные; водозаборные, обеспечивающие забор воды из реки; водохранилшцные или регулирующие сток. Гидроузлы в большинстве случаев бывают комплексными и в зависимости от составляющих их элементов называются транспортноэнергетическими, транспортноводозаборными и т. д.

В состав гидроузлов входят общие и специальные сооружения, которые делятся еще на основные, вспомогательные и временные. Основные сооружения обеспечивают нормальную работу гидроузла, создавая необходимый напор, объем ВБ и благоприятные гидравлические условия протекания воды через сооружения гидроузла (плотины, водосбросы и т.д.).

Вспомогательные сооружения, не являющиеся гидротехническими, необходимы для эксплуатации основных сооружений. Это жилые и административнохозяйственные здания (эксплуатационный поселок), системы водоснабжения, канализации, связи и освещения, мастерские, подъездные и эксплуатационные дороги на территории узла и др.

Комплекс гидротехнических сооружений, охватывающий значительную территорию и включающий ряд гидроузлов, объединенных общностью задач, называют водохозяйственной системой или гидросистемой. Существуют гидроэнергетические системы (например, комплекс гидростанций на р. Раздан Се ваноРазданский каскад, каскад ГЭС на р. Ангара), оросительные и осушительные системы, системы водоснабжения (например, система, водоснабжения Донбасса), судоходные системы (например, ВолгоБаптийский путь и др.). Существуют и комплексные водохозяйственные системы, такие, как каналы им. Москвы и ВолгоДонской канал, ВолжскоКамский каскад и др.

5. Гидросооружения и водный поток. Гидротехнические сооружения строятся и эксплуатируются в условиях взаимодействия с водным потоком. Водный поток оказывает разнообразное воздействие на эти сооружения: механическое в создании статического давления воды на поверхности сооружения, динамическое за счет движения по сооружению. Лед, как и вода, оказывает на сооружение и статическое, и динамическое (при движении) воздействие.

Фильтрующаяся вода оказывает статическое давление на подошву сооружения, называемое фильтрационным давлением (его называют также противодавлением). Вода может воздействовать на тело и основание плотины химически, растворяя и вынося в НБ соли и гипс, имеющиеся в породах, постепенно ослабляя основание. Это явление называется химической суффозией грунта (например, бетонные плотины могут разрушаться за счет выщелачивания из них несвязанной извести). При механической суффозии, когда фильтрационный поток выносит мелкие и мельчайшие частицы основания или тела грунтовой плотины, ослабляется основание (и тело плотины). Вода, содержащая твердые частицы, при своем движении истирает поверхность водосбросных и водопроводящих сооружений. Металлические части сооружений подвергаются коррозии, из-за чего толщина конструкций уменьшается на 0,020,06 мм в год.

Биологическое действие воды выражается в разрушительной работе различных организмов, живущих в ней: разрушение камня камнеточцем, бактериальная коррозия материалов, гниение дерева и т. д.

Гидротехнические сооружения обычно служат столетия, а иногда и тысячелетия (как мы видели в §1.1. Для их успешной работы необходимо глубоко изучать все аспекты взаимодействия сооружений и водного потока и учитывать их при проектировании и эксплуатации.

Гидротехнические сооружения. Часть 1. Учебник для вузов. - Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2008. - 576 с.