Міністерство освіти і наукиУкраїни
Національний університетводного господарства та природокористування
Кафедра гідротехнічнихспоруд
Кафедра гідроенергетики і гідромашин
Климук А.С., РябенкоО.А.Основи гідротехнікиі гідроенергетики
Інтерактивнийкомплекс навчально-методичного забезпечення до курсу «Основи гідротехнікиі гідроенергетики»
Рівне 2008
1. Загальні відомості про гідротехніку
Гідротехніка це галузь науки і техніки,зв’язана з використанням водних ресурсів для потреб народного господарства та ззаходами боротьби зі шкідливими проявами водної стихії.
Гідротехніка – водна майстерність (перекладз давньогрецької) – одна з найбільш складних галузей будівельного мистецтва [1,2]. Природні тагосподарські умови (топографія і геологія місця будівництва, гідрологічні умови,клімат, призначення об’єкта) настільки різні, що кожен гідровузол чи гідросистема,особливо значні, проектується, будується і експлуатується індивідуально.
В використанні водних ресурсів зацікавленіпрактично всі галузі народного господарства, які можна розділити на споживачів ікористувачів. Перші – це господарсько-питне і комунальне постачання, технічне водопостачанняпромислового і сільськогосподарського виробництва. До них також відносять системизрошення і обводнення сільськогосподарських земель. Для споживачів водні об’єктипотрібні не тільки як джерела води, але і як місця прийому води, що побувала в технологічнихпроцесах і пройшла очищення.
До другої групи (водокористувачі) відноситьсягідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, використання шельфу тощо.Підприємства цих галузей не споживають воду безповоротно і практично не змінюютьїї властивостей.
Відповідно до видів використання воднихресурсів змінюється профіль гідротехнічної спеціальності. Найважливіші з них – цеводопостачання та водовідведення, гідромеліорація, гідроенергетика, будівництвоводних шляхів і портів, а також загальна спеціальність – гідротехнічне будівництворічкових споруд, що орієнтована на любу різновидність гідротехніки.
Інженерна діяльність гідротехніків,крім ділення за спеціальностями, також розділяється за видами роботи. Вони можутьактивно приймати активну участь у вишукуваннях – гідрологічних і метеорологічних,топографічних та інженерно-геологічних, включаючи гідрогеологічні і сейсмічні, ів інженерно-економічних вишукуваннях. Ці вишукування дають вичерпні відомості проумови будівництва, що буде основою проектування гідровузлів і гідросистем.
Ведучу роль грають гідротехніки в проектуванніоб’єктів галузевого чи комплексного призначення з участю електриків, машинобудівників,корабелів, агрономів, архітекторів, економістів та інших спеціалістів.
Проектування проводиться в такій послідовності:спочатку вирішуються принципові питання, що впливають на об’єми робіт, строки будівництвагідровузла і економічний ефект його експлуатації, включаючи його вплив на природнесередовище. Намічається з використанням аналогів і співставляється необхідне числоваріантів – водного джерела, схем гідровузлів, складу і типів споруд і обладнання,способів виконання робіт. Приймається і затверджується проектне рішення. В подальшомупроект деталізується за вибраним варіантом, компоновка і параметри споруд і обладнанняуточнюються на основі відповідних розрахунків – продуктивності, міцності і стійкості,довговічності, економічності. Уточнюються на основі розрахунків і діючих норм тривалістьетапів виконання робіт і строки будівництва, потреба в матеріалах, будівельних машинах,складається календарний план будівництва, кошторис і план фінансування. В подальшому,паралельно з будівництвом і з необхідним випередженням виготовляються робочі креслення,за якими створюються реальні споруди.
Основний вид роботи гідротехніків –це будівництво, тому для любої діяльності їх роботи потрібний будівельний досвід.Особливо це важливо для проектувальників. Гідротехніки на будівництві працюють разомз монтажниками, електричного, гідросилового і механічного обладнання (турбін, насосів,затворів, обладнання шлюзів і суднопідіймачів) і представниками багатьох інших спеціальностей.Різновидності робіт на будівництві багато чисельні – це земляні та скельні виїмки,розробка кар’єрів, насипи та намиви різних грунтів в споруди, проходка тунелів,бетонні та залізобетонні роботи на землі, під землею та в воді, буріння свердловинта нагнітання розчинів в основу споруд.
Гідротехніки будують також промисловіта цивільні будівлі, дороги, мости та інші споруди, що відносяться до гідровузлачи гідросистеми. Особливістю роботи гідротехніків є зведення споруд там, де течевода, де є потреба відводити води в сторону на період будівництва, проводити роботипід захистом тимчасових споруд.
Гідротехніки працюють і на експлуатаціїгідроспоруд разом з електриками, механіками. Хоч керують роботою гідрооб’єкта енергетикичи робітники водного транспорту або сільгосппідприємств, робота гідротехніків такожскладна та відповідальна. Вони стежать за станом і функціюванням величезних споруді потужного обладнання, проводять профілактичний та капітальний ремонти, здійснюютьреконструкцію. Їх обов’язок – підготовка споруд до екстремальних режимів, пропускупаводків, форсування рівня води тощо.
Значну роль відіграють гідротехнікив забезпеченні безпеки гідротехнічних об’єктів. Аварія на гідротехнічних спорудах,особливо напірних, таких як греблі, шлюзи, гідроелектростанції може мати катастрофічнінаслідки включаючи загибель людей. Попередження аварій, контроль розвитку аварійноїситуації, локалізація і ліквідація наслідків – це також в значній мірі компетенціягідротехніків.
Важливу роль в гідротехніці займаютьнаукові дослідження, тематика яких є досить широкою, а ефективність відповідає величиніта трудоємкості споруд. Дослідження проводять на стадії вишукувань, проектування,будівництва і експлуатації.
2. Загальні відомості про гідротехнічніспоруди
Гідротехнічні споруди – це інженерніспоруди, що призначені для використання природних водних ресурсів (грунтових вод,річок, озер, морів)) або для попередження шкідливої дії води на оточуюче середовище(розмив берегів, повені, селі). За їх допомогою можна безпосередньо керувати водотокамиі водоймами у відповідності з вимогами користувачів (регулювати рівень і витратуводи, режим наносів, змінювати напрямок водного потоку тощо) [1].
Гідротехнічні споруди класифікуютьза місцем розташування, за характером функцій, що ними виконуються, за цільовимпризначенням, за умовами використання, за капітальністю, за основним матеріалом,способом зведення, висотою і конструктивними прикметами [1, с.10…11].
Гідровузлом називається група гідротехнічнихспоруд, об’єднаних умовами сумісної роботи та розташуванням. Гідровузли класифікуютьсяза рядом ознак: за місцем розташування, за основним призначенням, за створеннямнапору [1, с.12].
Гідросистема – це комплекс гідротехнічнихспоруд, що розташовані на значній віддалі одна від одної, але виконують спільніводогосподарські завдання. [1, с.12].
За особливостями і умовами роботи гідротехнічніспоруди відрізняються від інших інженерних споруд [1, с.12…13].
Розрахункові витрати, що пропускаютьсяв період експлуатації через постійні гідротехнічні споруди, визначаються з розрахунковоїмаксимальної витрати річки з врахуванням її трансформації водосховищем [1, с.13…14].
Проектування – найбільш важливий етапв створенні будь-якого гідротехнічного об’єкта, що визначає як хід його будівництва,так і наступну його експлуатацію [1, с.14].
Гідротехнічна споруда, що створює різницюрівнів води в б’єфах і розташована на водопроникній основі, викликає рух грунтовогопотоку як в основі споруди, так і в її обхід (фільтрація). В залежності від міриводопроникності грунту основи і самої споруди виникає різний характер взаємодіїміж потоком і спорудою [1, 2]. Особливе місце в гідротехніці займають питання, пов’язаніз фільтрацією води. Явище це неизбежно і задача гідротехніки в її прогнозуванні,організації і попередженні небезпечних її наслідків за допомогою інженерних міроприємств.
3. Греблі з грунтових матеріалів.Водоскиди при грунтових греблях
Греблею називається споруда, що перегороджуєводотік, підпирає воду до більш високого, ніж побутовий, рівня і концентрує такимчином в одному місці зручний для використання напір, що є різницею рівнів води передта за греблею. В складі любого напірного гідровузла гребля займає важливе місце[2].
Греблі зводяться в різноманітних кліматичнихі природних умовах – в північних широтах і в районах вічної мерзлоти, а також напівдні, в тропічних і субтропічних зонах, з високими позитивними температурами.Місцем їх розміщення бувають багатоводні рівнинні річки, що протікають в руслах,зложених нескельними грунтами – пісками, супісками, суглинками і глинами, а такожгірські річки з руслами в скельних ущелинах, де часто повторюються сильні землетруси.
Різноманітність природних умов, цілістворення гребель, масштабів і технічного оснащення будівництва призвело до багаточисельності їх типів і конструкцій. Як і інші споруди, греблі можна класифікуватиза різними ознаками, наприклад, за висотою, матеріалом, з якого вони зводяться,можливості пропуску води, характеру їх роботи як підпірних споруд тощо. На рис.1наведені поперечні розрізи деяких сучасних гребель в співставленні з іншими крупнимиспорудами і природними об’єктами.
Давній і найбільш поширений тип напірнихгідротехнічних споруд – це греблі з грунтових матеріалів.
Грунтова гребля (рис.2) – це насипз грунту, в поперечному перерізі має форму нерівнобокої трапеції [1, 2]. Верхня частинанасипу називається гребенем, нижня – підошвою. Бокові сторони називаються укосами.Укіс, що розташований зі сторони верхнього б’єфу, називається верховим, зі сторонинижнього – низовим. Напір на греблю – це різниця рівнів води верхнього і нижньогоб’єфів.
Греблі з грунтових матеріалів класифікуютьсяза матеріалом тіла греблі, типом протифільтраційних пристроїв, умов спорудження[1, с.61]. Тип греблінеобхідно вибирати в залежності від топографічних і інженерно-геологічних умов основиі берегів, гідрологічних і кліматичних умов району будівництва, значення напоруводи, наявності грунтових
/>
Рис.1. Поперечні профілі сучасних гребельу порівнянні з силуетами інших споруд (розміри в метрах):
1 – Дніпровська; 2 – Бухтармінська;3 – Красноярська; 4 – Братська; 5 – Чарвакська; 6 – піраміда Хеопса; 7 – Токтогульська;8 – Чиркейська; 9 – Саяно-Шушенська; 10 – Усойський завал; 11 – Нурекська; 12 –Московський державний університет; 13 – Інгурська
/>
Рис.2. Гребля з однорідного грунту:
1 – гребля; 2- поверхня фільтруючоїводи; 3 – кріплення укосу
дерном; 4 – дренаж; 5 – зворотній фільтр;6 – зуб; 7 – водопроникний грунт; 8 – водонепроникний грунт; 9 – кріплення укосукаменем; 10 – водовідбійний парапет
будівельних матеріалів, сейсмічностірайону, загальної схеми організації будівництва і виконання робіт, особливостейпропуску води в період будівництва, строків введення в експлуатацію.
Основні типи земляних насипних гребель– це однорідні і неоднорідні греблі. Неоднорідні греблі можуть мати різні протифільтраційніпристрої (екран, ядро, діафрагма) [1, с.64…66].
Земляна гребля, правильно запроектованаі побудована, має бути: 1) стійка (як і її основа) при всіх можливих умовах роботи[1, с.67…74].
При проектуванні гребель виконуютьнеобхідні фільтраційні і статичні розрахунки [1, с.75…90].
Крім земляних насипних гребель можутьзастосовуватись інші типи гребель з грунтових матеріалів: намивні греблі; гребліз крупноуламкових грунтів [1, с.90…100].
При глухих греблях для пропуску надлишковихповеневих вод, корисних попусків води з водосховища, а також спуску води з метоючасткового або повного спорожнення водосховища, влаштовуються водопропускні споруди[1, с.104…117].
4. Греблі бетонні і залізобетонні
Бетонні греблі на скельних основах будуються глухими і водоскидними.Здатність скельної основи сприймати значні навантаження і практична нестислістьскельних порід допускають будівництво на них гребель будь-яких напорів [1, с.133…136]. Найбільшміцними і водостійкими породами є скельні: вивержені, осадові і метаморфічні. Напівскельнівідрізняються меншою міцністю, значною деформативністю, зниженням опору зсуву.
Основним матеріалом для будівництвасучасних гравітаційних гребель є бетон, іноді частково армований. Міцність бетонузалежить від його складу – марки і кількості цементу, характеру заповнювача, а такожвід віку бетону і умов твердіння.
За конструкцією бетонні греблі ділятьсяна гравітаційні, контрфорсні і аркові. [1, 2].
Гравітаційні греблі при дії на нихосновних сил гідростатичного тиску забезпечують достатній опір зсуву, в основномудякуючи великій власній вазі.
Як показують розрахунки, стійкістьі відсутність розтягуючих напружень на верховій грані забезпечується в тому випадку,коли відношення ширини її в основі до висоти В/Н складає 0,7…0,8 для скельних грунтів,біля 1,0 для піщаних і 1,3 для глинистих. Для боротьби з фільтрацією води в основігреблі влаштовують цементаційні завіси, забивають шпунтові ряди (в нескельних основах)юДля підвищення стійкості греблі передбачають дренажі, влаштовують порожнини, щознижують протитиск тощо.
/>
Рис.3. Бетонні греблі:
а) гравітаційні; б) контрфорсні; в) аркові; 1 – зуб; 2 – цементаційназавіса; 3 – дренаж; 4 – температурні шви; 5 – ущільнення швів; 6 – плита перекриття;7 – контрфорс
Контрфорсні греблі складаються з рядуконтрфорсів, форма яких в бічному фасаді близька до трапеції, розміщених на визначенійвіддалі один від одного, на контрфорси опираються напірні перекриття, що сприймаютьнавантаження зі сторони верхнього б’єфу. В свою чергу контрфорси передають навантаженняна основу. Різновидності контрфорсних гребель: масивно-контрфорсні, з плоскими перекриттями,багатоаркові. Контрфорсні греблі потребують менших об’ємів бетону, ніж гравітаційні,але затрати на підвищення якості бетону, арматуру і ускладнення виробництва робітроблять їх за економічними показниками достатньо близькими.
Аркові греблі, криволінійні в планіз випуклістю в сторону верхнього б’єфу, чинять опір дії гідростатичного тиску таінших горизонтальних навантажень зсуву в основному за рахунок їх упору в берегиущелини (або в стояни). При зведенні аркових гребель обов’язковою вимогою є присутністьдостатньо міцних і малодеформативних скельних порід в берегових примиканнях греблі;для таких гребель звичайно відношення L/H
В складі гідровузла, крім глухої греблі,велике значення мають водоскиди – пристрої для скидання надлишкових повеневих водта пропуску витрат води іншого призначення [1, 2].
/>
Рис.4. Бетонні греблі з різними типами водопропускних отворів:
а – поверхневий отвір з затвором; б – глибинний; в – поверхневийотвір з трампліном; г – глибинний і донний; д – поверхневий з гасителями в нижньомуб’єфі
Водоскидні отвори можуть бути влаштовані в руслі або на заплавірічки, тоді споруда прийме вигляд водозливної греблі. Водоскид може бути влаштованийнезалежно від греблі у вигляді спеціальної споруди, розміщеної на береговому схилі,тоді його називають береговим водоскидом.
Як в тілі греблі, так і на береговому схилі, водоскидні отвориможуть бути розміщені близько до відмітки гребеня греблі або глибоко під рівнемверхнього б’єфу. Перші називаються поверхневими, другі – глибинними або доннимиводоскидами.
Поверхневі отвори водоскидних гребель можуть бути відкритими(без затворів), але звичайно вони мають затвори, що регулюють рівень води верхньогоб’єфу. Для попередження переповнення водосховища затвори відкривають частково абоповністю, не допускаючи підвищення рівня води вище нормального підпірного (НПР).Для покращення умов пропуску води через греблю їй надають плавне закруглення. Всядовжина водоскидного фронту ділиться биками на ряд отворів. Бики, крім того, сприймаютьтиск води від затворів, також служать опорами мостів, призначених для обслуговуванняпідйомних механізмів, затворів і транспортного зв’язку між берегами.
Вода, що скидається через греблю, має великий запас потенційноїенергії, що переходить в кінетичну. Боротьба з руйнівною енергією потоку, що скидаєтьсячерез греблю, проводиться різними способами.За водоскидною греблею на водобійній масивній бетонній плиті влаштовують гасителіенергії у вигляді окремих бетонних масивів шашок, пірсів або залізобетонних балок,що розміщуються поперек потоку. Ділянка русла біля підошви водозливу поглиблюється,що створює водобійний колодязь. Часто для зменшення глибини колодязя на виході знього додатково влаштовується водобійна стінка.
Іноді в нижньому б’єфі водоскидної греблі організують поверхневийрежим шляхом влаштування в нижній частині водозливу уступи і носка, зриваючись зякого з великою швидкістю, потік концентрується біля поверхні, а під ним створюєтьсявалець з помірними зворотними швидкостями біля дна.
В греблях значного напору уступ роблять високим, так що носокпідвищується над рівнем нижнього б’єфу як трамплін, і потік, зриваючись з нього,відлітає повітрям на значну віддаль, де його руйнівна робота в руслі безпечна дляспоруд. За водозливними греблями на нескельних основах після водобою влаштовуютьрисберму – укріплена водопроникна ділянка русла річки.
Берегові водоскиди розміщують в гідровузлах з греблями з грунтовихматеріалів, що не допускають пропуску витрат води через їх гребінь, а також в гідровузлахз бетонними греблями в вузьких ущелинах, де русло зайнято при гребельною будівлеюГЕС. Це можуть бути поверхневі водоскиди, тунельні, трубчаті, глибинні та донні.
Регульовані водоскиди мають затвори, конструкції яких залежатьвід їх місцеположення (рис.5). Затвори поверхневих отворів, часто великих розмірів,сприймають порівняно невеликий гідростатичний тиск; затвори глибинних отворів, маючизначно менші розміри, сприймають великий тиск. Матеріал затворі в основному сталь,лише при невеликих напорах можливе використання дерева. Найбільш розповсюджені плоскізатвори у вигляді металевого щита, що переміщується в вертикальних пазах биків істоянів. Вага рухомої частини досить значна, може перевищувати 100 т, що потребуєпотужних підйомних механізмів. Щоб зменшити підйомне зусилля, застосовують сегментнізатвори, що повертаються навколо шарнірів.
/>
Рис.5. Затвори гідротехнічних споруд:
а – плоский; б – сегментний; в – пальцевий; г – клапанний; д– секторний; е – шандорний; ж – даховидний; з – з поворотними фермами; і з поворотнимирамами
Існує велика кількість і інших типів затворів.
Ремонтні затвори встановлюються в спеціальних пазах, щоб оглядатиі ремонтувати основні затвори. Найпростіші з них – шандори (балки або щити малоївисоти).
В якості підйомних механізмів для затворів застосовують рухомікрани або стаціонарні підйомники. На них можуть бути змонтовані звичайні лебідкита гідравлічні підйомники.
5. Гідросистеми та їх елементи
Гідросистеми, як і гідровузли, можуть бути комплексними і спеціалізованими.В Україні функціонує велика кількість гідросистем різного призначення: гідроенергетичного(Київська ГЕС – ГАЕС), гідромеліоративного (Північно-Кримський та Каховський канали),для водопостачання (Дніпро – Донбас) та інші [1, 2].
Гідросистеми, займаючи значні за площеютериторії, вирішують комплекс завдань і впливають на екологічну обстановку в регіоні.
Однією з основних складових гідросистемиє канали. Канал – це відкрите штучне русло, що транспортує воду. [1, с.30…36]. Каналиподіляються за призначенням, способом подачі води, за умовами використання, капітальністю,формою поперечного перерізу, станом потоку тощо.
Поперечний переріз каналу визначаєтьсяйого підводною і надводною частинами. Найчастіше канали проектують у виїмках з укосами,що відповідають характеру грунтів, в яких він розміщується. Для захисту каналіввід розмиву течією, від механічного та хвильового впливу, зменшення фільтраційнихвтрат влаштовуються різні облицювання та покриття (кам’яний накид, бетонні та залізобетонніплити, асфальтобетонні покриття, екрани з полімерних плівок чи з глинистих ґрунтів.
/>
Рис.6. Водопровідний канал:
а) поздовжній переріз; б) поперечнийпереріз каналу у виїмці; в) поперечний переріз каналу в напіввиїмці-напівнасипу;г) поперечний переріз каналу в насипу
При розміщенні каналу на косогорі длязменшення об’єму робіт можливе його розташування в напіввиїмці-напівнасипу, а наокремих ділянках траси допускається влаштування його в повному насипу.
Гідравлічні розрахунки каналів длярівномірного і нерівномірного руху води в них визначають форму і розміри поперечногоперерізу каналу, його уклон.
По трасі каналу можуть розміщуватисьрізні гідротехнічні споруди: регулюючі, водопровідні, спрягаючи та інші.
При експлуатації систем виникає необхідністьв регулюванні кількості води, що подається в систему чи на окремі її ділянки, регулюваннярівнів води, аварійного скидання лишків води, або спорожнення окремих ділянок каналу.Споруди, що влаштовуються для виконання вказаних функцій, називають регулюючимиабо регуляторами [1, с.36…43]. За призначенням вони поділяються на регулятори-водовипуски,підпірні або перегороджуючи, водоскидні, промивні, вододільники.
За конструктивними ознаками регуляториможуть бути відкритими, закритими (трубчатими), діафрагмовими (з забральною балкою).Відкриті регулятори складаються з флютбету, поздовжніх стінок (берегових стоянів),затворів, підйомних механізмів та мостів. Підпірні регулятори можуть бути різнихконструкцій, основним призначенням яких є підтриманні в старшому каналі певних горизонтівводи з метою забезпечення нормальної роботи молодших каналів (відводів).
Вододільники це відкритті регулятори,що забезпечують поділ води в певних співвідношеннях між двома і більше каналами.Розміщуються вони поперек відвідного каналу фронтально до потоку, як і підпірнірегулятори.
Розподільні вузли (вузли регуляторів)на каналах розміщуються на його розгалуженнях. До їх складу входить підпірна спорудата один або декілька бічних регуляторів водовипусків, що живлять відповідні канали.
Трубчаті закриті регулятори складаютьсяз труб, що розміщені на деякій глибині від поверхні землі, вхідного та вихідногооголовків, затворів з підйомниками та гасителів енергії в нижньому б’єфі. Трубиможуть бути круглого, прямокутного та полігонального поперечного перерізу. Числониток визначається гідравлічними та техніко-економічними розрахунками.
Діафрагмові регулятори відрізняютьсявід відкритих тим, що верхня частина отвору на вході перекрита поперечною стінкою(діафрагмою або забральною балкою), що дозволяє зменшити висоту затворів та потужністьпідйомників.
Водопровідні споруди влаштовуютьсяна трасі каналу, де зустрічаються природні (долини, балки, яри, косогори) та штучні(дороги, канали) перешкоди. До них відносять акведуки, селепроводи, дюкери, тунелітощо [1, с.44…51].
Акведуки – це водоводи у вигляді мостадля пропуску води через дороги, балки, яри, ріки. По суті це мости, прогінною будовоюяких є лотік, розміщений на балковій, рамній або арковій конструкції, вода в якомурухається з рівномірним режимом.
Селепроводи за конструкцією схожі наакведуки і призначені для пропуску через канали, ріки, дороги селевих (грязекам’яних)потоків.
Дюкери – напірні трубопроводи, що влаштовуютьсядля подолання перешкод на трасі каналу чи водоводу (балки, долини, ріки, дорогитощо), коли будівництво акведуків технічно неможливе. Дюкери за конструкцією поділяютьсяна шахтні або колодязні. До них ставляться вимоги: доступність огляду, ремонту іочищення, водонепроникність швів, незамулюванність тощо. Складові частини дюкеруце вхідний і вихідний колодязі або оголовки, напірна труба. Поперечні перерізи трубкруглі або прямокутні.
Гідравлічний тунель являє собою закритийводовід, прокладений в земній корі. Тунелі частіше всього будують в гірських умовах,коли на трасі водоводу зустрічаються підвищені місцевості та вододіли, також прибудівництві тимчасових та постійних водоскидів високогірних гребель. За призначеннямвони можуть бути: енергетичні, водопровідні та каналізаційні, суднопропускні, водоскидні,комбіновані; за гідравлічним режимом – напірні та безнапірні. Форма поперечногоперерізу приймається в залежності від характеру порід, способу проведення робітта гідравлічного режиму (найчастіше – кругла, рідше – прямокутна, яйцевидна чи підковоподібна).Для недопущення обвалення покрівлі та стінок виробки більшість тунелів влаштовуєтьсяз бетонним або залізобетонним лицюванням.
Спрягаючі споруди застосовують колина трасі каналу зустрічаються ділянки з крутими схилами, де швидкості руху значноперевищують нерозмивну для неукріплених каналів [1, с.51…59]. За умовамируху води спрягаючі споруди поділяються швидкотоки і перепади.
Швидкотік — це лотік (найчастіше прямокутноїформи поперечного перерізу), що переводить воду з верхнього каналу в нижній. Крімлотока є ще вхідна і вихідна частини і гаситель енергії у вигляді водобійного колодязя.Гідравлічними розрахунками ширина окремих частин споруди, положення поверхні водив лотоку, параметри водобійного колодязя.
Швидкотоки можуть бути зі штучною шорсткістю,криволінійні в плані, змінної ширини.
Перепадами називаються спрягаючі споруди,як правило, у вигляді східців, що об’єднують безнапірні ділянки, розміщені на різнихрівнях. Вони влаштовуються при великих уклонах місцевості, коли влаштування швидкотоків неможливе. В перепадах вода на окремих ділянках рухається по споруді, в інших– в повітрі. Перепади можуть бути односхідчаті та багатосхідчаті, а за конструктивнимиознаками – колодязні, гребінчасті, напівнапірні, шахтні, трубчасті.
Найбільш поширеною конструкцією є багатосхідчатийперепад колодязного типу. Такі перепади розраховують з умови утворення донного гідравлічногострибка на кожному східці.
Консольні перепади в конструктивномувідношенні складаються з вхідної частини і швидкотоку, кінцева частина якого розташовананад укосом на високих опорах і виконана у вигляді консолі. Гасіння енергії проходитьв ямі розмиву.
Водозабірні споруди влаштовуються зметою забору води з джерела живлення і подачі її в канал або водоводи для транспортуванняв зрошувальну, обводнювальну, гідросилову та інші системи. Оскільки ці споруди розташовуютьсяв голові гідросистеми, то їх часто називають головними [1, с.219…236]. В залежностівід виду джерела живлення водозабори бувають річковими, озерними, морськими та каптажними.Вода з них може подаватись самопливом або з механічною перекачкою. Водозабір з річокможе бути безгребельним або гребельним.
Найбільш вигідним місцем для будівництваводозабірного вузла є стійка ділянка річки, без рукавів, мілин і острові, де берегиі дно складені з ґрунтів, що погано розмиваються. Тип водозабірного вузла вибираєтьсяв залежності від прийнятої схеми використання річки, її гідрологічного і русловогорежиму, характеру ділянки річки тощо.
У загальному випадку до складу водозабірногогідровузла входять: гребля, руслорегулюючі споруди, головні споруди (водоприймачі),водоскидні споруди, промивні пристрої для наносів тощо. При комплексному використаннірічки до складу вузла споруд можуть входити будівля ГЕС, судноплавні та рибопропускніспоруди.
Безгребельні водозабори з відкритим каналом прості за конструкцією,але мають ряд недоліків. Це обмежена величина і регулювання витрати води, що забирається,забір в канал великої кількості наносів.
Гребельні водозабори можуть бути боковими, фронтальними, доннимирешітчастими. Вони мають спеціальні пристрої, що обмежують попадання донних наносівв канал (промивні галереї, пороги тощо).
При водозаборі з річок, разом з водою в канали попадає великакількість донних і завислих наносів, що викликає їх замулення, стирання поверхнібетонних споруд, проточних трактів гідросилового обладнання. Для боротьби з наносамивлаштовуються відстійники, пісколовки, гравієловки тощо [1, с.238…255]. При нормальнійроботі відстійників повинно бути забезпечено осідання в них визначених фракцій наносіві регулярне їх видалення при мінімальних втратах води і енергії.
Відстійники – це розширені і поглиблені(у порівнянні з каналом) басейни, в яких забезпечується рух води з малими і рівномірнорозподіленими швидкостями, внаслідок чого відбувається осідання донних і завислихнаносів. За конструкцією відстійники бувають з періодичним або безперервним промивомнаносів.
6. Суднопропускні споруди в гідровузлах
Транспорт займає особливе місце в життірозвинутого суспільства. Кожен продукт суспільного виробництва проходить стаціюпереміщення: сировина – від місць добування до місць переробки, готовий продукт– від пунктів виготовлення – до пунктів споживання. Сучасний транспорт можна розділитина такі види: сухопутний (залізничний, автомобільний), водний (морський, річковий),повітряний, космічний і трубопровідний.
Роль річкового транспорту відноснонезначна, але в деяких районах може бути більшою, наприклад в зоні впливу великихводнотранспортних артерій, таких як Дніпро в Україні, Волга, Дон, Єнісей, Амур –Росії, Дунай, Рейн в Західній Європі. Річковий транспорт дещо знімає перевантаженнясухопутних видів в навігаційний період, широко розвиваються змішані залізнично-водніперевезення а також безперевалочні перевезення в суднах типу “річка-море”. З портівКиєва, Дніпропетровська, Миколаєва, Херсона прокладені маршрути в зарубіжні країниДунаєм і Середземним морем.
Велику роль для приморських країн відіграєморський транспорт, який виконує величезну кількість перевезень різноманітних вантажів,пасажирських, туристичних маршрутів. Морські порти України – Одеса, Іллічівськ,Миколаїв, Херсон, Маріуполь.
Водні шляхи – це водні простори абоводотоки, що використовуються для перевезень ними вантажів і пасажирів. До воднихпросторів відносять океани, моря, озера і водосховища, до водотоків – річки, їхпритоки і канали.
Водні шляхи по відношенню до материкарозділяють на зовнішні і внутрішні. Зовнішні водні шляхи (моря і океани) звичайновикористовуються для судноплавства в природному стані за винятком підходів до морськихпортів (морські канали). Моря і океани можуть з’єднуватись судноплавними каналами(Панамський, Суецький).
Внутрішні водні шляхи можуть бути природнимиі штучними. До природних шляхів відносять річки і озера у вільному стані, що використовуютьсядля судноплавства чи для лісосплаву. Потрібні глибини тут забезпечують шляховимироботами чи регулюючими спорудами. Штучні шляхи – це шлюзовані річки, водосховища,судноплавні канали (наприклад р.Прип¢ять,Дніпровські гідровузли, Волго-Балтійський, Волго-Донський, Дніпро-Бузький, Середньогерманськийканали). Особливості водних шляхів в значній мірі впливають на судноплавство.
Річки, що використовуються для судноплавствав вільному стані, характеризуються чередуванням мілких (перекатів) і глибоких (плесів)ділянок русла. Річка може меандрувати, ділитись на рукава, стік її значно змінюєтьсяза навігаційний період. Все це може затруднювати судноплавство і для покращенняйого умов використовують днопоглиблення, виправлення русел і регулювання стоку.
Судноплавні канали, що є штучними водними шляхами, розділяютьза призначенням (обхідні, підхідні і з’єднувальні, конструкцією та способом живлення.На сучасних судноплавних каналах, крім шлюзів (суднопідіймачів) і насосних станцій,зводять також і інші гідротехнічні споруди різного призначення (водоскиди, водоспуски,загороджувальні ворота, дюкери тощо).
Шлюзування річки – це метод збільшеннясудноплавних глибин за рахунок зведення каскаду гідровузлів і створення підпертихб¢єфів або водосховищ. В результаті шлюзування поздовжнійпрофіль поверхні води набирає ступінчатого виду і для переходу суден із б¢єфу в б¢єф потрібнісуднопропускні споруди.
Судноплавний шлюз – це напірнагідротехнічна споруда, призначена для переміщення суден чи інших плавучих об¢єктів із б¢єфа в б¢єф в гідровузлах за рахунокпослідовного вирівнювання рівня води в камері і в б¢єфах.
Основними частинами судноплавногошлюзу є камери, голови і підходи. Переміщення суден через шлюз складається з рядупослідовних операцій і називається процесом шлюзування. Частина цих операцій виконуєтьсяшлюзом, частина – судном. Це такі операції: вхід суден в шлюз, причалювання суден,закриття воріт, наповнення або спорожнення камери, відкриття воріт, вихід судензі шлюзу, закриття воріт, спорожнення або наповнення камери, відкриття воріт.
Основні розміри шлюзів (корисна довжинаі ширина камери, а також глибина на порогах) повинні відповідати характеристикамрозрахункових суден.
Розміщення судноплавних споруд в гідровузлах повинно забезпечуватинормальні умови підходу і стоянки суден, раціональне спряження всіх споруд і розміщенняїх в сприятливих топографічних і інженерно-геологічних умовах.
/>
Рис.8. Компоновка Канівського гідровузла:
1 – правобережна земляна гребля; 2– судноплавний шлюз; 3 – дамба-хвилеріз; 4 – земляна гребля — «вставка»; 5 – будівляГЕС; 6 – руслова земляна гребля; 7 – лівобережна струмененаправляюча дамба; 8 –відвідний канал ГЕС; 9 – роздільна дамба; 10 – струмененаправляючі занурені дамби;11 – низовий підхідний канал до шлюзу; 12 – земляна насип залізничного підходу.
При будівництві шлюзованих судноплавних каналів часто виникаєпроблема живлення каналу водою. Судноплавні шлюзи витрачають велику кількість води,що поповнюється з місцевого стоку, або відновлюється в верхньому б’єфі насоснимистанціями. Для збереження води були застосовані суднопідіймачі (СП), що являютьсобою воднотранспортну гідротехнічну споруду для переміщення суден з б’єфа в б’єфв рухомій камері або на платформі [1,2,4,6]. Ще однією причиною появи транспортних суднопідіймачівє будівництво високо напірних гідровузлів на судноплавних річках, коли багатокамернішлюзи мають малу пропускну здатність і великі об’єми будівельно-монтажних робіт,а однокамерні – складні за конструкцією, мають велику вартість і значні втрати водина шлюзування.
Вертикальні суднопідіймачі практично завжди проектуютьврівноваженими, коли вага рухомої частини суднопідіймача врівноважується конструктивно.За способом врівноваження вертикальні суднопідіймачі поділяють на гідравлічні, поплавковіі механічні.
До складу Красноярського гідровузла (Росія) входить двухскатнийнахилений суднопідіймач з поворотним кругом і поздовжнім розміщенням судновізноїкамери (Рис.8.7). Пропуск суден виконується таким чином. Судновізна камера укісноготипу розмірами 90 х 18м опускається в нижній б’єф нахиленою рельсовою дорогою доположення, коли рівні води в камері і в б’єфі вирівняються. Після зупинки камерив її торці відкриваються сегментні ворота і судно входить в камеру. Після цьоговорота закриваються, камера починає рухатись вверх зі швидкістю 1 м/с.
На вершині судновізної дороги камера накочується на нахиленийміст поворотного кругу. Після встановлення камери поворотний круг звільняється відзапобіжних пристроїв і разом з камерою робить розворот на кут 1420.
В акваторію верхнього б’єфу камера опускається нахиленоюдорогою зі швидкістю 1,33 м/с. Рух камери закінчується при спів падінні рівнів водив камері і в водосховищі. Після відкриття воріт судно виходить з камери, звільняючиїї для прийому зустрічного судна, що направляється вниз Єнисеєм.
Тривалість повного двостороннього циклу роботи СП біля90хв. Уклон дороги 1:10. Камера розрахована на переміщення суден вантажопідйомністюдо 2000т на перепад рівнів біля 100м. Вага камери з водою біля 7000т. Переміщеннякамери відбувається за допомогою зчеплення зубчатих коліс гідромоторів за зубчатурейку рельсового шляху. Недоліком такого СП є необхідність входу судна в камеруабо виходу з нього кормою.
/>
Рис.9. Нахилений двоскатний СП з поворотним кругом:
а – поздовжнійрозріз; б – план; в – загальний вид; 1 – верхній судновізний шлях; 2 –поворотнийкруг; 3 – камера; 4 – нижній судновізний шлях; 5 – тупиковий роз’їзд з монтажним майданчиком
7. Портові і шельфові гідротехнічніспоруди
гідротехніка греблягідросистема
Річковий порт – це транспортний вузол, що складається зкомплексу інженерних споруд та пристроїв, призначених для передачі вантажу з річковихсуден на берег і в зворотному напрямку. Порт також може використовуватись як схованкавід шторму, для зимової стоянки і ремонту суден.
Для виконання свого призначення порт має такі елементи:акваторію, берегову територію, причальні споруди та обладнання.
Акваторія порту – це водна поверхня у встановлених межах,захищена у відповідних випадках від хвиль природною береговою лінією чи штучнимиспорудами. До складу акваторії входять рейди, підходи до причалів і судові ходи.
/>
Рис.1.1. Порт як транспортний вузол: 1– морський транспорт; 2 – залізниця; 3 – автодорога; 4 – річковий транспорт; 5 –трубопровід
Рейд – це частина акваторії, призначена для стоянки відповіднихгруп суден.
Портова територія – це земельна ділянка, де розміщені портовіспоруди, будівлі та пристрої, необхідні для виконання берегових портових операцій.
Причальні споруди являють собою берегову лінію порту іслужать для швартови суден і їх обробки. Ділянка причальної лінії, обладнана дляшвартови і обробки одного судна, називається причалом. Причали великих портів, якправило, спеціалізують за призначенням на пасажирські, вантажні і вантажно-пасажирськіі за видами вантажу – на вугільні, рудні, нафтові, хлібні тощо.
Портове обладнання служить для виконання вантажних та іншихпортових робіт. До нього відносять перевантажувальні механізми та пристрої, внутрішнійпортовий транспорт, енергетичне господарство, сигналізація та зв’язок та інше.
/>
Рис.1.2. Макет порту
Для безпеки руху суден в портах встановлюють берегові таплавучі знаки суднохідної обстановки.
На території порту розміщують вантажні склади і майданчики,пасажирські вокзали, службові будівлі тощо.
/>
Рис.1.3. Обробка вантажу в порту за схемами: судно– судно; судно – вагон; судно – склад; 1 – морський теплохід; 2 –річковий теплохід; 3 — склад
/>
Рис.1.4. Механізація портових робіт
За конструкцією причальні портові споруди можуть бути плавучимита стаціонарними. Плавучий причал – це судно (дебаркадер), що встановлюється біляберега на якорях, палях та тросах і з’єднується з берегом містками. Корпус йогометалевий або залізобетонний. Переваги такого причалу – це можливість встановленняпри любих коливаннях рівня води, зручна швартовка, підхід і відхід, добра амортизаціяударів суден, недоліки – забруднення з механізацією перевантажувальних робіт, необхідністьвідводу на зиму в затони. Плавучі причали використовують як єдині причали пристанейта додаткові пасажирські причали великих портів.
Тип стаціонарного причалу визначається розміщенням йоговідносно берегової лінії, формою профілю та конструктивними особливостями. Причали,розміщені вздовж берегової лінії, називають набережними, нормально або під кутомдо берега – пірсами. Причали можуть бути в спеціальних басейнах.
За формою поперечного профілю причали бувають вертикальними,укісними, напіввертикальними, напівукісними, двохярусними тощо.
Найбільш розповсюдженими є вертикальні причали – до нихсудна підходять щільно при любих коливання рівня води, не змінюється виліт стрілкранів, але вартість їх значна, особливо при великій висоті конструкції.
Укісні конструкції значно дешевше, але використовуютьсяпри бичкових, естакадних причалах, при стаціонарних вантажних механізмах.
Вертикальні причали за конструкцією можуть бути гравітаційними,шпунтовими, палевими, естакадними тощо.
Гравітаційні причали, що є різновидністю підпірних стінз масивових блоків, масивів-гігантів, паль-оболонок, збірно-монолітних конструкцій,застосовують на грунтах, що не дозволяють забивати палі або шпунт.
/>
Рис.2.1. Гравітаційний причал із масивової кладки:
1 – камінна постіль; 2 – бетонні блоки; 3 – монолітна надбудова;
4 – камінна розвантажувальна призма; 5 – зворотний фільтр
До морського або континентального шельфувідносять нахилену (кут нахилу до 10) підводну частину материка, що обмежуєтьсяз однієї сторони урізом берега, з другої – бровкою (різким згином поверхні морськогодна) [9]. Профіль морського шельфу показаний на рис.3.1.
/>
Рис.3.1. Профіль шельфу: 1– шельф; 2 – бровка; 3 – континентальний схил; 4 – дно океану
Ширина шельфу коливається в широкихмежах і в різних океанах складає від 1 до 1500 км, глибини над бровкою – від 60до 2000 м. Основна частина площі шельфу Світового океану (біля 70%) приходитьсяна ділянки з глибиною до 180 м, а з всієї поверхні океану на долю шельфу приходитьсяприблизно 7,5% (або 27 млн.кв.м).
До перспектив освоєння шельфу можнавіднести:
· розробку родовищ нафти і газу;
· добування твердих копалин;
· експлуатацію відновлювальнихджерел енергії;
· розміщення цивільних та промисловихоб’єктів.
За призначенням шельфові споруди поділяютьна такі що забезпечують розвідку та розробку підводних родовищ, розвиток мари культури,розміщення об’єктів промислового та цивільного призначення [9]. Найбільш поширеніконструкції призначені для нафтогазопромислових споруд. Вони можуть бути стаціонарнимиабо мобільними. Основні відмінності їх від традиційних портових це те що вони працюютьв суттєво більш неблагоприємних кліматичних умовах, на незахищених акваторіях, значнихглибинах і далеко від берега. Глибини можуть доходити до 100…200 м, віддаль відберега – сотні кілометрів, висота хвиль – 30 м, швидкість вітру – 60 м/с, течії– 3 м/с, товщина льодового поля в арктичних морях — 2…3 м, торосів 25…30 м.
Рекомендована література
1. Гідротехнічні споруди. Підред.А.Ф.Дмитрієва
2. Можевитинов А.Л. и др. Введениев гидротехнику. М.: Энергоиздат, 1984.
3. Непорожний П.С., Образцов В.И.Введение в специальность. Гидроэнергетика. М.: Энергоиздат, 1982.
4. Денисов И.П. Основы использованияводной енергии.
5. М.: Энергия,1974.
6. Гришин М.М. и др. Гидротехническиесооружения. М.: Высшая школа, 1979.
7. Венников В.Н., Путятин Е.В. Введениев специальность. М.: Высшая школа,1978.
8. Берг В.А. Основы гидротехники.М.: Гидрометеоиздат, 1963.
9. Михайлов А.В. Водныепути и порты. М.: Высшая школа, 1982.
10. Губин Ф.Ф., Кравченко Г.И.Гидроэлектрические станции.