Гидроузлы на реках, их назначение и устройство

2

Гидроузлы на реках, их назначение и устройство

Содержание

1. Гидротехнические сооружения: виды, устройство и назначение

2. Гидроузел: понятие, устройство и назначение

3. Проект гидроузла

4. Эксплуатация гидроузлов

5. Охрана окружающей среды

6. Список использованной литературы

1. Гидротехнические сооружения: виды, назначение и устройство

Гидротехнические сооружения, сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов (рек, озёр, морей, грунтовых вод) или для борьбы с разрушительным действием водной стихии. В зависимости от места расположения гидротехнические сооружения могут быть морскими, речными, озёрными, прудовыми. Различают также наземные и подземные гидротехнические сооружения. В соответствии с обслуживаемыми отраслями водного хозяйства сооружения бывают: водно-энергетические, мелиоративные, воднотранспортные, лесосплавные, рыбохозяйственные, для водоснабжения и канализации, для использования водных недр, для благоустройства городов, спортивных целей и др.

Различают гидротехнические сооружения общие, применяемые почти для всех видов использования вод, и специальные, возводимые для какой-либо одной отрасли водного хозяйства. К общим относятся: водоподпорные, водопроводящие, регуляционные, водозаборные и водосбросные. Водоподпорные сооружения создают напор или разность уровней воды перед сооружением и за ним. К ним относятся: плотины (важнейший и наиболее распространённый тип Г. с.), перегораживающие речные русла, и речные долины, поднимающие уровень воды, накапливаемой в верхнем бьефе, дамбы (или валы), отгораживающие прибрежную территорию и предотвращающие её затопление при паводках и половодье на реках, при приливах и штормах на морях и озёрах.

Водопроводящие сооружения (водоводы) служат для переброски воды в заданные пункты: каналы, гидротехнические туннели, лотки, трубопроводы. Некоторые из них, например каналы, из-за природных условий их расположения, необходимости пересечения путей сообщения и обеспечения безопасности эксплуатации требуют устройства других гидротехнических сооружений, объединяемых в особую группу сооружений на каналах (акведуки, дюкеры, мосты, паромные переправы, заградительные ворота, водосбросы, шугосбросы и др.).

Регуляционные (выправительные) гидротехнические сооружения предназначены для изменения и улучшения естественных условий протекания водотоков и защиты русел и берегов рек от размывов, отложения наносов, воздействия льда и др. При регулировании рек используют струенаправляющие устройства (полузапруды, щиты, дамбы и др.), берегоукрепительные сооружения, ледонаправляющие и ледозадерживающие сооружения.

Водозаборные (водоприёмные) сооружения устраивают для забора воды из водоисточника и направления её в водовод. Кроме обеспечения бесперебойного снабжения потребителей водой в нужном количестве и в требуемое время, они защищают водопроводящие сооружения от попадания льда, шуги, наносов и др.

Водосбросные сооружения служат для пропуска излишков воды из водохранилищ, каналов, напорных бассейнов и пр. Они могут быть русловыми и береговыми, поверхностными и глубинными, позволяющими частично или полностью опорожнять водоёмы. Для регулирования количества выпускаемой (сбрасываемой) воды водосбросные сооружения снабжают гидротехническими затворами. При небольших сбросах воды применяют также водосбросы-автоматы, автоматически включающиеся при подъёме уровня верхнего бьефа выше заданного. К ним относятся открытые водосливы (без затворов), водосбросы с автоматическими затворами, сифонные водосбросы.

Специальные гидротехнические сооружения -- сооружения для использования водной энергии -- здания гидроэлектрических станций, напорные бассейны и др.; сооружения водного транспорта -- судоходные шлюзы, судоподъёмники, маяки, и др. сооружения по обстановке судового хода, плотоходы, бревноспуски и пр.; портовые сооружения -- молы, волноломы, пирсы, причалы, доки, эллинги, слипы и др.; мелиоративные -- магистральные и распределительные каналы, шлюзы-регуляторы на оросительных и осушительных системах; рыбохозяйственные -- рыбоходы, рыбоподъёмники, рыбоводные пруды и т.п.

В ряде случаев общие и специальные сооружения совмещают в одном комплексе, например водосброс и здание гидроэлектростанции (т. н. совмещенная ГЭС) или др. сооружения для выполнения нескольких функций одновременно. При осуществлении водохозяйственных мероприятий гидротехнические сооружения, объединённые общей целью и располагаемые в одном месте, составляют комплексы, называемые узлами гидротехнических сооружений или гидроузлами. Несколько гидроузлов образуют водохозяйственные системы, например энергетические, транспортные, ирригационные и т.п.

В соответствии с их значением для народного хозяйства гидротехнические сооружения (объекты гидротехнического строительства) делятся по капитальности на 5 классов. К 1-му классу относятся основные постоянные Г. с. гидроэлектрических станций мощностью более 1 млн. квт; ко 2-му -- сооружения ГЭС мощностью 301 тыс. -- 1 млн. квт, сооружения на сверхмагистральных внутренних водных путях (например, на р. Волге, Волго-Донском канале и др.) и сооружения речных портов с навигационным грузооборотом более 3 млн. условных т; к 3-му и 4-му классам -- сооружения ГЭС мощностью 300 тыс. квт и менее, сооружения на магистральных внутренних водных путях и путях местного значения, сооружения речных портов с грузооборотом 3 млн. условных т и менее. К 5-му классу относятся временные ГЭС. Объекты мелиоративного строительства также делятся по капитальности на 5 классов. В зависимости от класса в проектах назначают степень надёжности гидротехнических сооружений, т. е. запасы их прочности и устойчивости, устанавливают расчётные максимальные расходы воды, качество стройматериалов и т.п. Кроме того, по классу капитальности гидротехнических сооружений определяется объём и состав изыскательских, проектных и исследовательских работ.

Характерные особенности гидроузлов связаны с воздействием на них водного потока, льда, наносов и др. факторов. Это воздействие может быть механическим (статические и гидродинамические нагрузки, суффозия грунтов и др.), физико-химическим (истирание поверхностей, коррозия металлов, выщелачивание бетона), биологическим (гниение деревянных конструкций, истачивание дерева живыми организмами и пр.). Условия возведения гидротехнических сооружений осложняются необходимостью пропуска через сооружения в период их постройки (обычно в течение нескольких лет) т. н. строительных расходов реки, льда, сплавляемого леса, судов и пр.

Для возведения сооружений необходима широкая механизация строительных работ. Используются преимущественно монолитные и сборно-монолитные конструкции, реже сборные и типовые, что обусловливается различными неповторяющимися сочетаниями природных условий -- топографических, геологических, гидрологических и гидрогеологических. Влияние гидротехнических сооружений, особенно водоподпорных, распространяется на обширную территорию, в пределах которой происходит затопление отдельных земельных площадей, подъём уровня грунтовых вод, обрушение берегов и т.п. Поэтому строительство таких сооружений требует высокого качества работ и обеспечения большой надёжности конструкций, т.к. аварии гидроузлов вызывают тяжёлые последствия -- человеческие жертвы и потери материальных ценностей (например, аварии плотины Мальпассе во Франции и водохранилища Вайонт в Италии привели к человеческим жертвам, разрушению городов, мостов и промышленных сооружений).

Совершенствование гидротехнических сооружений связано с дальнейшим развитием гидротехники, особенно теоретических и экспериментальных исследований воздействия воды на сооружения и их основания (гидравлика потоков и сооружений, фильтрация), с изучением поведения скальных и нескальных грунтов в качестве основания и как материала сооружений (механика грунтов, инженерная геология) с разработкой новых типов и конструкций гидроузлов (облегчённые высоконапорные плотины, приливные ГЭС и др.), требующих меньших затрат времени и средств на их возведение.

2. Гидроузлы: понятие, устройство и назначение

Гидроузел, узел гидротехнических сооружений, группа гидротехнических сооружений, объединённых по расположению и условиям их совместной работы. В зависимости от основного назначения гидроузлы делятся на энергетические, водно-транспортные, водозаборные и др. Гидроузлы чаще всего бывают комплексные, одновременно выполняющие несколько водохозяйственных функций.

Различают гидроузлы: низконапорные, -- когда разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (напор) не превышает 10 м, -- устраиваемые на равнинных реках, преимущественно в пределах их русла (главным образом для транспортных или энергетических целей), и на горных реках (для забора воды с целью получения электроэнергии или орошения земель); средненапорные (с напором 10 - 40 м) -- на равнинных или предгорных участках рек, предназначенные главным образом для транспортно-энергетических, а также ирригационных целей (создаваемый ими подпор приводит к затоплению поймы реки в верхнем бьефе, образуя водохранилище, используемое для суточного и сезонного регулирования стока реки, осветления воды, борьбы с наводнениями и т.п.); высоконапорные (с напором более 40 м), служащие обычно для комплексных целей -- энергетики, транспорта, ирригации и др.

Сооружения, входящие в состав гидроузла, подразделяются на основные и вспомогательные. Основные сооружения, обеспечивающие нормальную работу гидроузла, в свою очередь, делятся на общие (плотины, поверхностные и глубинные водосбросы, сооружения для удаления льда, шуги, наносов, регуляционные, сопрягающие и др.), обеспечивающие необходимые напор и ёмкость водохранилища, а также гидравлические условия, отвечающие измененному гидрологическому режиму реки, и специальные (ГЭС, судоходные шлюзы, судоподъёмники, рыбоходы, бревноспуски, плотоходы и т.д.), выполняющие те функции, для которых был создан гидроузел.

К вспомогательным сооружениям относятся жилые, административно-хозяйственные и культурно-бытовые здания, сооружения водопровода и канализации, дороги и т.п. Временные сооружения (перемычки, склады строительных материалов, бетонные и арматурные заводы, мастерские, подъездные пути и пр.) обычно функционируют в период строительства гидроузлов, но некоторые из них иногда совмещают с постоянными (например, путём включения перемычек в состав плотины).

Прочие сооружения -- транзитные дороги и мосты, проходящие в зоне гидроузла (например, пересечение Калининской ж. д. с каналом им. Москвы в районе расположения шлюза № 8), промышленные предприятия, возникшие на его базе и использующие его электроэнергию и т.п., связываются с гидроузлом главным образом территориально.

Место размещения гидроузла, т. е. тех его сооружений, которые образуют т. н. напорный фронт, называется створом. Створ платины выбирают в узком месте поймы реки с таким расчетом, чтобы обеспечить удобный сбор излишек воды. Тип и место водосбросного сооружения выбирают методом сравнения при сопоставлении различных вариантов и от величины сбрасываемой воды. Водозаборные сооружения располагают в местах сопряжения плотин с берегами на крупных реках России. ГТУ - являются комплексными, т. е. предназначенными для полной энергии, обеспечения судоходства, осуществления орошения, водоснабжения городов и поселков и пропуска рыбы к местам нереста. Следовательно, гидроузел обязательно входит в рыбопропускное сооружение.

Взаимное расположение основных сооружений, называемое компоновкой гидроузла, представляет собой сложную инженерную задачу, решаемую с учётом эксплуатационных, строительных и технико-экономических требований. Большое разнообразие природных и местных условий не позволяет установить единые правила для размещения и компоновки гидроузла. Эти вопросы решаются каждый раз индивидуально с учётом всего комплекса условий, требований и характера взаимодействия сооружений.

Помимо разрешения водохозяйственных задач, сооружения гидроузла должны отвечать и эстетическим требованиям; они служат созданию архитектурного ансамбля, органически связанного с окружающей природой. Вся территория гидроузла имеет чёткое архитектурно-функциональное зонирование. Нередко гидротехнический комплекс влияет на планировку и застройку расположенных поблизости старых и вновь возникающих городов, посёлков, заводов (Волховская ГЭС и г. Волхов, Днепрогэс и г. Запорожье).

Гидроузлы, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, могут иметь единое архитектурно-стилевое решение (каскад Верхневолжских гидроузлов). Главные сооружения, организующие архитектурный ансамбль гидроузла, -- плотина, гидроэлектростанция, судоходный шлюз с подходными каналами.

3. Проект гидроузла

Для выполнения проекта гидроузла необходимо иметь топографический материал соответствующих масштабов. На нём выявляют основные формы рельефа (возвышенности, котловины, овраги, крутые и пологие склоны, террасы и пр.).

Створ головной плотины, как правило, назначают в самом узком месте поймы реки.

Все ГТС, плотины, дамбы, водосбросы проектируются в соответствии с инструкцией по разработке проектов и смет для промышленного строительства (СН 20276) и соответствующими главами строительных норм и правил.

Плотина входит в состав ГТС, построена на водотоке, делит его на верхний и нижний бьеф. Верхний бьеф - участок реки, прилегающий к подпорному сооружению с верховой стороны (по направлению течения), нижний бьеф участок реки с низовой стороны. Верхний и нижний бьефы различаются по своим режимам. В верхнем бьефе создается чаша водохранилища с расчетной повышенной отметкой уровня воды. Течение воды в водохранилище замедляется, в результате происходит отложение ила. В нижнем бьефе расходы воды уменьшаются, скорость течения значительная. Возможны размывы русла ниже плотины, поэтому рекомендуется выход водосбросных каналов относить не менее 15-20 метров от низового откоса.

Плотины сооружают из различных материалов. Из местных строительных материалов строят:

- земляные плотины из суглинка, супеси, песка;

- каменно-набросные плотины;

- смешанные (каменно-земляные) плотины;

- каменные и деревянные плотины;

Из долговечных материалов строят плотины бетонные, железобетонные, металлические.

По водохозяйственному назначению плотины делятся на водоподъемные и водохранилищные. Водоподъемные создают подпор воды в верхнем бьефе, позволяющий подавать воду самотеком и улучшающий судоходство реки. Водохранилищные плотины создают определенный запас воды. По способу пропуска воды в нижнем бьефе плотины делятся на - глухие, водосливные, смешанные. В глухих плотинах нет отверстий для пропуска воды, и излишки паводковых вод сбрасываются через водосбросные каналы в обход плотины. В водосливных плотинах вода переливается через гребень плотины. В смешанных имеется как глухая, так и водосливная часть. Земляные плотины по высоте делятся на высокие (более 50м), средние (15-50м), низкие (менее 15м).

Паводковые водосбросные сооружения строят в глухих плотинах нагульных (русловых) и головных прудов. Водосбросные сооружения (водосбросы) служат для сброса излишка паводковых вод из головного пруда или водохранилища в нижний бьеф. При помощи таких сооружений регулируют уровень воды в головном пруду, в котором вода должна находится на определенной расчетной отметке.

Через водосбросные сооружения сбрасывают излишки весенних и летне-осенних паводковых вод и воду из головного пруда в нижний бьеф.

Паводковые водосбросные сооружения проектируют двух основных типов: автоматические и управляемые с затворами. Тип водосброса и место расположения его в головном гидротехническом узле выбирают в зависимости от величины пропускаемого расхода, топографических и геологических условий и наличия местных строительных материалов.

При проектировании и строительстве паводковых водосбросов широко используют типовые проекты. Паводковые водосбросы проектируют, руководствуясь гл. 50 СНиП П-50-74.

Проходные и полупроходные рыбы для размножения идут из моря в реки. Нередко места нереста рыб расположены на большом расстоянии от моря и на пути к ним рыба встречает плотины, преграждающие ей путь вверх по реке.

На таких реках как Дон, Волга, Днепр, Обь, Тулома, Кура, Енисей, Даугава и др., имеющих рыбохозяйственное значение, построено по несколько гидротехнических узлов, через которые рыба должна пройти к местам размножения.

Для обеспечения прохода промысловых рыб из нижнего в верхний бьеф к нерестилищам в плотинах гидротехнических узлов строят рыбопропускные сооружения.

Рыбопропускные сооружения различаются по конструкции и бывают двух типов: рыбоходы и рыбоподъёмники.

Рыбоход. Рыбоход - сооружение в виде лотка, устраиваемое в обход плотины или в теле плотины. В рыбоход из верхнего бьефа постоянно подаётся поток воды со скоростями течения, которые может преодолеть рыба при проходе по рыбоходу из нижнего в верхний бьеф.

Особым видом рыбохода является сооружение, пропускающее молодь угря вверх по реке, - угреход.

Рыбоподъемники. Рыбоподъемники- сооружения располагаемые в теле платины и пропускающие рыбу из нижнего бьефа в верхний при помощи подъемных механизмов или методом шлюзования.

Особым типом рыбопропускных сооружений является рыбопропускной шлюз и плавучая установка для привлечения и транспортировки рыбы.

4. Эксплуатация гидроузлов

Эксплуатация гидротехнических сооружений рыбоводных хозяйств - это комплекс мероприятий, обеспечивающих бесперебойную подачу и сброс воды из водоёмов в расчётном количестве и в определённое время, для создания наилучших условий обитания рыбы в водоёмах в различные периоды её развития.

Основные задачи эксплуатации гидротехнических сооружений:

- обеспечение безопасного забора воды из источника водоснабжения, наблюдение и уход за гидротехническими сооружениями и обеспечение их сохранности (от воздействий льда, воды, деформаций грунта и пр.);

- Ремонт, восстановление, реконструкция гидротехнических сооружений;

- борьба с потерями воды в прудах и каналах;

- разработка и осуществление мероприятий по пропуску паводка во избежание разрушения сооружений головного гидротехнического узла и выхода из строя всего хозяйства;

составление паспортов сооружений, в которые заносят все данные о работе сооружений -- их повреждения, ремонт, возможное изменение размеров сооружения и пр.

5. Охрана окружающей среды

При компоновке речных гидроузлов наряду с обеспечением нормальных условий для строительства и эксплуатации, входящих в их состав сооружений, следует предусматривать мероприятия по охране окружающей среды, как в районе расположения гидроузла, так и вдоль береговых линий верхнего и нижнего бьефов.

К числу таких мероприятий относится:

1) сохранение и улучшение общего природного ландшафта в районе створа гидроузла и вдоль трасс водосборных и водозаборных сооружений;

2) размещение отвалов грунта и карьеров строительных материалов в зоне водохранилища;

3) создание благоприятных условий для миграции рыб к нерестилищам и обратного ската их и рыбьей молоди в нижний бьеф;

4) предотвращение переформирования русла реки и берегов в верхнем и нижнем бьефе;

5) обеспечение возможности использования ценных природных ископаемых в случае их затопления или подтопления;

6) поддержание нормальных санитарных условий в зонах расположения и влияния гидроузла;

Особое влияние при компоновке гидроузла и выборе отметки НПУ следует уделять внимание отрицательному воздействию создаваемого гидроузлом подпора на бытовые гидрологические условия в зоне влияния водохранилищ, в том числе предотвращению подтопления и заболачивания сельскохозяйственных земель и территорий, занятых пунктами и промышленными предприятиями.

Список использованной литературы

1. Бочкарев Я.В. "Гидротехнические сооружения".

2. Иванов П.Л. "Грунты и основания"

3. Гидротехнические сооружения/ Под ред. М.М. Гришина.- Ч.1. М.: Высшая школа, 1979.- 615 с.

4. Гидротехнические сооружения/ Под ред. М.М. Гришина.- Ч.2. М.: Высшая школа, 1979.- 336 с.

5. Гидротехнические сооружения/ Под ред. Н.Р. Розанова. - М.: Агропромиздат, 1985.- 432 с.