Основные сооружения гидроузла и их устройство

ЛЕКЦИЯ 1

Понятие о речных гидротехнических сооружениях.

Состав речных гидротехнических сооружений

Гидротехническими называются сооружения, которые строятся с целью решения водохозяйственных проблем. В процессе эксплуатации гидротехнические сооружения (ГТС) имеют контакт с водной средой.

ГТС подразделяются на речные, возводимые на внутренних водных путях и водотоках, и морские, возводимые на внешних водных путях, океанах, морях. Речные ГТС контактируют с пресной водой, морские — с соленой. Основным отличием морских транспортных ГТС являются их габариты, большие по сравнению с речными, поскольку их строят для обслуживания крупных морских судов.

На внутренних водных путях (ВВП) строятся различные ГТС для возможности комплексного использования водных ресурсов (для различных отраслей экономики):

судоходные — судоходные шлюза, каналы, судоподъемники, судоходные плотины;

энергетические — гидроэлектростанции (ГЭС);

водоподпорные — плотины, напорные дамбы;

лесопропускные — шлюзы, плотоходы, лесотаски, лотки;

рыбопропускные — шлюзы, рыбоходы, рыбоподъемники, каналы;

судоподъемные — доки, слипы, эллинги;

портовые — причалы, пирсы, набережные, пристани;

сельскохозяйственные — оросительные и осушительные каналы, шлюзы-регуляторы расходов воды;

защитные, оградительные — дамбы, молы, волноломы, стенки.

транспортные перепады — мосты, туннели, виадуки, акведуки, дюкеры, паромные переправы, нефте- и газопроводы;

водоподводящие и водоотводящие — водозаборы, водоводы, водосбросы, насосные станции, водоспуски.

Внутренние водные пути РФ включают в себя реки, озера, водохранилища, каналы.

Общая длина ВВП около 4 млн. км, из них 110 тыс. рек и 2 тыс. озер. Могут использоваться для судоходства около 500 тыс. км. Используются для судоходства 101,4 тыс. км, из них 16,7 тыс. км — искусственные водные пути (каналы), 48,3 тыс. км — с гарантированным габаритом водного пути, 74,5 тыс. км — с навигационным оборудованием.

На ВВП расположено 723 ГТС, в том числе 108 судоходных шлюзов, 98 ГЭС, 8 насосных станций, 1 судоподъемник, плотины, дамбы и др.

На 2004 г. в РФ ГЭС — 98, из них 63 имеют возраст более 30 лет. Доля ГЭС в общей энергетики России составляет около 20 %.

Гидроузлы

Речные ГТС строятся на ВВП как в виде отдельных сооружений, так и совместно с другими сооружениями.

Совокупность сооружений, объединенных местом расположения, решением задач и условиями работы, называются узлом гидротехнических сооружений или гидроузлом.

К основным сооружениям комплексного гидроузла относятся: плотины бетонные и земляные, судоходные шлюзы или судоподъемники, ГЭС, рыбопропускные сооружения, лесопропускные сооружения, насосные станции. Сооружения гидроузла строятся на реке в определенном, выбранном с учетом необходимых требований месте, называемом поперечным створом или створом гидроузла.

Вдоль створа располагаются оси бетонных и земляных плотин, верхней (как правило) головы шлюза и ось ГЭС. Все ГТС, входящие в состав гидроузла создают напорный фронт, разделяющий верхний (ВБ) и нижний (НБ) бьефы.

Компоновкой гидроузла называется взаимное расположение сооружений узла ГТС на плане местности.

Различают три основных вида компоновки: русловая, пойменная и береговая.

При русловой компоновке гидроузла (рис. 1.1) основные сооружения располагаются преимущественно в русле реки. Такой вариант компоновки отличается компактным расположением сооружений и удобством их обслуживания, сравнительно небольшой длиной напорного фронта и более низкой стоимостью сооружения.

Рис. 1.1. Русловая компоновка гидроузла (Волховский гидроузел):
1 — судоходный шлюз; 2 — бетонная водосливная плотина; 3 — здание ГЭС;
4 —подходные каналы судоходного шлюза;5 — ледозащитная стенка;
6 — аванкамера

Русловая компоновка также имеет ряд существенных недостатков, которые в основном проявляются в период строительства гидроузла. К ним можно отнести стесненные условия производства работ, пропуска судов, льда и паводков в период строительства сооружений. Именно поэтому строительство сооружений выполняют в два этапа: на первом этапе строятся судопропускные сооружения, а на втором — возводятся остальные сооружения, при этом судопропускное сооружение используется как для пропуска судов, так и для пропуска строительных расходов воды.

Пойменная компоновка (рис. 1.2) предусматривает расположение основных сооружений в пойме, где река может свободно меандрировать между коренными берегами. Пойменная компоновка имеет ряд существенных недостатков, к которым относятся большая протяженность сооружений, а, следовательно, увеличение стоимости сооружения, большие площади затопления земель, меньшие удобства в эксплуатации сооружений в связи с большой протяженностью напорного фронта. При этом пойменная компоновка обеспечивает более благоприятные условия для производства работ, пропуска судов и паводков. Сооружения гидроузла в этом случае могут возводиться независимо друг от друга, и поэтому общий срок строительства гидроузла может быть несколько меньшим, чем для русловой компоновки сооружений.

Рис. 1.2. Пойменная компоновка гидроузла (Самарский гидроузел):
1 — судоходный шлюз; 2 — бетонная водосливная плотина; 3 — гидроэлектростанция; 4 — земляная плотина; 5 — аванпорт; 6 — дамбы аванпорта; 7 — межшлюзовой бьеф; 8 — нижний подходной канал

Береговая или деривационная компоновка. При этой компоновке бетонные сооружения (здание ГЭС, водосброс) располагаются обычно на берегах или бортах долины, а русло реки перекрывается земляной или каменно-набросной плотиной.

На первом этапе для строительства этих сооружений возводятся перемычки, как правило, мало стесняющие русло. Особенностью II этапа перекрытия русла при таких компоновках является то, что русло реки перекрывается банкетом полностью на всю ширину, и для возведения основных сооружений (плотины) в русле реки не требуется устройства продольных перемычек. На III этапе пропуск строительных расходов осуществляется через построенные туннели или донные трубы. В основном русле реки, полностью перекрытом перемычками, возводится плотина. На IV и V этапах пропуск строительных расходов осуществляется через поочередно перекрываемые отверстия III этапа. Для уменьшения их пропускной способности и возможности их регулирования применяются решения, подобные тем, которые описаны при рассмотрении русловой компоновки.

Основные сооружения гидроузла и их устройство

К основным сооружениям гидроузла можно отнести бетонную водосливную плотину, ГЭС и судопропускные сооружения (например, судоходный шлюз).

Бетонная плотина (рис. 1.3, а) представляет собой подпорное сооружение, поддерживающее уровень верхнего бьефа (УВБ) и служащее для сброса паводковых вод. В таких плотинах можно выделить тело плотин, гребень, затвор для регулирования сбрасываемой воды, понур и противофильтрационную шпунтовую стенку для уменьшения фильтрации давления по подошве сооружений.

Для выработки электроэнергии в состав гидроузлов включают ГЭС, которые весьма разнообразны по своему устройству. ГЭС, здания которых поддерживают напор, называют плотинными, а ГЭС, расположенные ниже водонапорного сооружения и не воспринимающее гидростатическое давление воды со стороны ВБ — приплотинными.

На рис. 1.3, б изображен поперечный разрез наиболее распространенного типа ГЭС — плотинной, характерной для равнинных рек и применяемых на гидроузлах с напором до 30 м. Среди элементов этого сооружения можно выделить турбину, осуществляющую вращательное движение под воздействием потока воды; генератор, жестко связанный с турбиной ГЭС через вал; спиральную камеру, сконструированную специальной формы для равномерной подачи воды на лопасти турбины и отсасывающую трубу, отводящую воду из ГЭС.

а	б
в

Рис. 1.3. Схемы основных сооружений гидроузла:
а — бетонная водосливная плотина; б — гидроэлектростанция; в — шлюз; 1 — тело плотины; 2 — гребень; 3 — затвор; 4 — фильтрационный поток; 5 — турбина; 6 — пазы для затворов; 7 — генератор; 8 — вал; 9 — спиральная камера; 10 — отсасывающая труба; 11 — ворота верхней головы; 12 — камера;
13 — ворота нижней головы

Если гидроузел проектируется в том числе и для воднотранспортных целей, то для преодоления сосредоточенного перепада уровней воды, вызванного строительством гидроузла, в его состав включают и судопропускное сооружение. Строительство судоходного шлюза (рис. 1.3, в) является наиболее распространенным решением вопроса судопропуска через гидроузел. Судоходный шлюз состоит из верхнего и нижнего подоходных каналов, камер и голов, которые воспринимают напор воды и на которые располагают оборудование для выполнения операций шлюзования.

Выбор створа гидроузла

Сооружения гидроузла располагаются на реке в заранее установленных поперечных створах, которые тщательно выбираются путем сравнения ряда вариантов, отличающихся между собой природными особенностями, условиями строительства и эксплуатации сооружений.

На выбор створа гидроузла существенное влияние оказывают строительные свойства грунтов, на которых возводится напорное сооружение, и рельеф местности в районе строительства. Наиболее надежными и экономичными в эксплуатации считаются сооружения, возводимые на скальных грунтах, а на нескальных приходится возводить тяжелые гидротехнические сооружения, требующие значительных материальных затрат. При крутых берегах русла и долины реки существенно уменьшаются зона затопления земель и длина напорного фронта сооружений, а, следовательно, и их стоимость, но при этом может быть затруднено производство работ по возведению сооружений.

Во избежание затоплений значительных территорий, створы гидроузлов необходимо назначать выше крупных населенных пунктов, промышленных предприятий и территорий, используемых для различных целей (объекты сельского хозяйства, природные ископаемые и ресурсы, зоны заповедников и отдыха и т. п.)

При расположении створа ниже крупного притока реки увеличивается зона затопления поймы притока, однако при этом на притоке улучшаются судоходные условия. При расположении створа выше притока уменьшается зона затопления земель, но теряются дополнительные выгоды для энергетика и водного транспорта. Окончательный выбор створа в данном случае должен производиться путем сравнения затрат и полученных результатов по различным отраслям народного хозяйства.

При выборе створов необходимо учитывать наличие в районе строительства подъездных путей и других инженерных коммуникаций, жилых поселков, материальных и трудовых ресурсов, промышленных предприятий и производственных баз, а также условия для пропуска льда, паводков, судов и другие факторы.