>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

ВОДОЛАЗНОЕ ДЕЛО

Некоторые виды гидротехнических сооружений внутренних водоемов

Внутренние водоемы имеют большое народнохозяйственное значение, они используются для получения электрической энергии на гидростанциях, для судоходства, орошения земель, водоснабжения промышленных объектов, населения и др.

В социалистических условиях широко практикуется использование одного или нескольких гидротехнических сооружений для одновременного решения ряда самостоятельных задач — получения электроэнергии, орошения, улучшения судоходства и т. д. Такое многогранное использование водоемов называется комплексным.

Плотины. Одним из важнейших и ответственнейших гидротехнических сооружений, входящих в состав напорных гидроузлов, является плотина. Гидроузел — это комплекс гидротехнических сооружений, возводимых на одном участке реки и связанных между, собой назначением и работой. Например, Цимлянский гидроузел состоит из плотины, гидроэлектростанции и судоходных шлюзов.

Плотина перегораживает водосток и удерживает с одной стороны (верховой) воду на более высоком уровне, чем с другой (низовой). Эта разность уровней называется напором на сооружение и обозначается Н. Часть водохранилища или реки, расположенная выше плотины, называется верхним бьефом и обозначается ВБ, а соответствующий ему уровень воды — уровнем верхнего бьефа (УВБ). Соответственно нижним бьефом называется часть реки, расположенная ниже плотины, обозначается она НБ, а уровень воды — УНБ,

Запас воды, создаваемый плотиной в водохранилище, используется для различных народнохозяйственных целей.

Плотины приходится строить в самых разнообразных природных условиях и вследствие этого существует много различных типов их и конструкций. Эти сооружения различаются по строительным материалам, конструктивным особенностям и способу пропуска ими воды.

По строительным материалам плотины подразделяются на следующие типы:

1. Земляные плотины, которые в основном сооружаются из местных грунтов: суглинков, песков и др. Эти плотины хорошо приспосабливаются к деформациям оснований, не образуя опасных трещин (рис. 71, а). Тело плотины может быть однородным, если грунты, из которых оно состоит, малопроницаемы для воды. Если же трунт сильно фильтрует, например, песок, то в теле плотины создают специальные маловодопроницаемые преграды из глины, суглинка, бетона и т. п.

Рис. 71.
а — земляная плотина с ядром из глины; б — плотина из каменной наброски с железобетонным экраном

2. Плотины из каменной наброски, представляющие собой насыпь из камней различного веса (от 80 кг до 3 т и более). Пустоты между крупными камнями заполняются более мелкими камнями. Для обеспечения водонепроницаемости плотины в зоне верхнего откоса помещается водонепроницаемый экран из железобетона, глины и т. п. (рис. 71, б).
3. Бетонные плотины, широко распространенные в настоящее время, сооружаются из гидротехнического бетона, нередко с добавкой крупных камней.
4. Железобетонные плотины, отличающиеся особой прочностью, дают значительную экономию бетона, однако их постройка требует большого количества металла (рис. 72, а).

Рис. 72.
а — схема глухой контрфорсной плотины; б — ряжевая водослнвная плотина

5. Деревянные плотины свайного или ряжевого типа (рис. 72, б) просты по конструкции, но не долговечны из-за подверженности дерева гниению.

В большинстве случаев плотины строят из нескольких материалов, причем один из них является основным.

По конструктивным особенностям плотины подразделяются на следующие основные виды:

1. Гравитационные, сопротивляющиеся сдвигу собственным весом. К ним относятся земляные, каменные, бетонные, иногда деревянные. Однако принято называть гравитационными лишь массивные бетонные и каменные плотины (см. рис. 71, б).
2. Арочные, напоминающие в плане свод. Строят их у прочных берегов и в узких ущельях. Всю нагрузку от напора воды эти плотины передают берегам.
3. Контрфорсные, представляющие собой ряд контрфорсов —. трапециеобразных стенок, расположенных на некотором расстоянии друг от друга и перекрытых плоскими плитами или сводами. Для того чтобы под давлением воды контрфорсы не прогибались в стороны, их часто связывают друг с другом горизонтальными балками жесткости. В большинстве случаев контрфорсные плотины выполняются из железобетона (ам. рис. 72, а).

По способу пропуска воды плотины делятся на водосливные, при которых вода сливается поверх тела плотины и глухие, не допускающие перелива воды. В последнем случае вода из верхнего бьефа в нижний пропускается через специальные водопропускные сооружения, находящиеся вне плотины, или через отверстия в ее теле. Эти отверстия, называемые водоспусками, имеют затворы. В состав водосливной плотины входят глухие и водосливные части, называемые просто водослив.ами и обычно также .перекрываемые затворами (рис. 73, а).

Рис. 73.
а) — схема водосливной части плотины; б) — элементы флютбета плотины

Схема работы плотины. Под действием напора, создаваемого плотиной, некоторое количество воды фильтруется из верхнего бьефа в нижний через грунт основания, двигаясь между частицами грунта или по трещинам, если плотина построена на имеющей трещины скале. Фильтрация вызывает давление фильтрационного потока на подошву сооружения, направленное снизу вверх, что уменьшает устойчивость плотины. Кроме того, с фильтрационным потоком могут вымываться в нижний бьеф частицы грунта из-под сооружения.

Основными силами, действующими на плотину, являются давление воды со стороны верхнего бьефа и фильтрационное давление, о котором говорилось выше, направленное снизу вверх.

Поток, переливающийся через водослив, падает в нижний бьеф с большой высоты и может вызвать размыв дна за плотиной, если не будут приняты меры по его укреплению.

Фундаментальная часть плотины, через которую проходит поток воды, называется флютбетом. На рис. 37, б показаны элементы флютбета гравитационной плотины.

Телом плотины является часть, воспринимающая напор воды.

Понур выполняется из малопроницаемых или нe проницаемых для воды материалов. Он предохраняет русло перед сооружением от размыва, а также служит для удлинения пути фильтрации воды под сооружением, и, таким образом, для снижения фильтрационного давления. Этой же цели служат шпунтовые стенки в основании плотины, изготовленные из дерева или при большой длине стенки — из металла.

Водобой — массивная бетонная плита, воспринимающая удары воды, падающей через водослив.

Рисберма защищает дно от размыва потоком на участке перехода повышенных скоростей к обычным. Она менее массивна и часто сооружается из каменной наброски, ряжей, загруженных камнем, и т. п.

При скальных грунтах в оснований сооружения понур, рисберма, а иногда и водобой отсутствуют, а вместо шунта устанавливают цементационную завесу. Для этого под передним краем плотины бурят скважины и в них наливают цементный раствор, который заполняет все трещины в породе и тем самым повышает водонепроницаемость плотины.

У низового конца флютбета и под водобоем, там, где фильтрующаяся в основании вода выходит в нижний бьеф, устанавливают дренажи различных конструкций. Они дают свободный выход воде, уменьшая тем самым фильтрационное давление; и в то же время препятствуют выносу грунта из-под сооружения.

Для предотвращения фильтрации через берег в обход плотины в местах ее примыкания к берегам тоже сооружают противофильтрационные конструкции — шпунтовые стенки, экраны и т. п.

Водосливная плотина обычно занимает не всю ширину русла реки, а его более глубокую часть. Участки плотины, соединяющие водосливную часть с берегами, возводятся из местного материала (песка, суглинка и т. п.). Водосливной и глухой участки соединяются друг с другом при помощи так называемых устоев. Если расстояние между устоями велико, то между ними ставят дополнительные опоры (быки) для мостов и подъемных механизмов затворов.

Водосбросы и водоспуски при плотинах. Как указывалось выше, глухие плотины, не имеющие отверстий в своем теле для слива воды, оборудуются водопропускными сооружениями, возводимыми в берегах или в основании плотины. Это водосбросы, служащие для сброса паводковых вод из водохранилища, и водоспуски, используемые для опорожнения водохранилищ.

Водосбросы сооружаются в берегах и чаще всего бывает открытыми. Состоят они из подводящего канала, собственно водослива с затворами или без них, сбросной части — быстротока (канала с большим уклоном, облицованного бетоном) или ступенчатого перепада и отводящего канала. В конце сбросной части оборудуются различного рода гасители энергии. Иногда применяют закрытые шахтные водосбросы.

Водоспуски вне тела плотины чаще всего сооружаются при земляных и каменных плотинах (в бетонных и железобетонных их обычно размещают непосредственно в теле плотины). Водоспуски бывают трубчатые и тоннельные. Первые представляют собой металлические или железобетонные трубы, уложенные в основании плотины обычно в специальной галерее и перекрываемые затворами (рис. 74). Управляют затворами с башни три помощи специальных механизмов. В верхнем и нижнем бьефах около водоспуска устраиваются крепления русла. Тоннельные водоспуски в поперечном сечении представляют собой тоннель.

Рис. 74. Схема трубчатого водоспуска

Затворы плотин —это подвижные громоздкие конструкции длиной до 50 м и весом до 100 т, перекрывающие отверстия плотин и служащие для пропуска воды, льда, наносов из верхнего бьефа в нижний. Затворы перекрывают как водосливные, так и донные отверстия плотин. Выполняются они обычно из металла, реже из дерева. К основным типам затворов, перекрывающих водосливные отверстия, относятся:

• плоские затворы, имеющие вид щита, перемещаемые в вертикальном направлении в пазах быков или устоев (рис. 75, а)
• сегментные затворы, вращающиеся вокруг неподвижных шарниров, укрепленных на быках или устоях, (рис. 75, б). Эти затворы требуют меньшего усилия при подъеме;

Рис. 75. Схемы основных типов затворов:
а) — плоские; б) — сегментные; в) — вальцовые; г) — секторные

• вальцовые (цилиндрические) затворы, применяющиеся при тяжелых ледовых условиях или обилии донных наносов (рис. 75, в). Этот тип затворов хорошо сопротивляется ударам плавающих тел, навалку льда и т. д.
• секторные затворы, передающие давление на флютбет и при открытии опускающиеся в специальную камеру , в теле плотины. Очень удобны для пропуска льда или других плавающих тел при небольшой потере воды (рис. 75, г).

Водоприемники (водозаборы), гидротехнические сооружения, через которые вода поступает в различного рода водоводы. Водоприемники предохраняют водоводы от попадания в них донных наносов, плавающих тел (в том числе льда) и т. п. Кроме того, они обеспечивают отключение водоводов. В состав водоприемника может входить плотина.

Различают открытые и глубинные водоприемники. Открытый водоприемник обычно состоит из подходной части, собственно водоприемника и сопрягающей части — участка, сопрягающего отверстие водоприемника с нормальным сечением канала. Собственно водоприемник включает в себя флютбет — фундаментную плиту и сопрягающие устои (при большой ширине водосливного отверстия возводятся еще и быки). Во входном отверстии всегда сооружается порог, возвышающийся над дном реки на 1—2 м, и предназначенный для защиты канала от проникновения наносов. Водоприемник оборудуется сороудерживающими решетками и затворами. Часто за водоприемником располагаются отстойники — специальные камеры большого поперечного сечения, где вследствие уменьшения скорости воды оседают взвешенные наносы, а затем удаляются,

Глубинный водоприемник располагается в водохранилище и представляет собой заглубленное под уровень верхнего бьефа отверстие водовода, оборудованное сороудерживающими решетками и затворами. Затворами управляют из специального помещения. Отверстия глубинных водоприемников располагаются на береговом откосе или выносятся в водохранилище. Часто водозабор совмещают с водоспуском глухой плотины.

В реках и озерах водоприемники обычно представляют собой железобетонные, каменные или деревянные сооружения, в которые вода попадает через специальные окна с решетками. Иногда эти сооружения лишь поддерживают и защищают от повреждения трубы, забирающие воду. Неподалеку от водоприемника располагается насосная станция, которая часто совмещена с водозаборным сооружением.

Шлюзы — сооружения, служащие для пропуска судов из верхнего бьефа в нижний и обратно (рис. 76).

Рис. 76. Схема шлюза

Судоходный шлюз представляет собой камеру, огражденную с боков стенами и отделенную от верхнего и нижнего бьефов воротами. Ворота размещаются в утолщенных стенах, называемых головами.

По специальным водопроводам, находящимся в головах, стенах, или днище, шлюз может наполняться водой до уровня верхнего бьефа или опорожняться до уровня нижнего бьефа. Схема работы шлюза, например, при проходе судна из нижнего бьефа щ верхний такова: судно заходит в камеру, нижние ворота за ними закрываются, вода по трубопроводам поступает из верхнего бьефа и заполняет камеру до выравнивания уровня с уровнем верхнего бьефа, верхние ворота открываются и судно выходит в верхний бьеф.

Типы шлюзов весьма разнообразны. Они могут иметь одну или несколько последовательных камер. При интенсивном судоходстве камеры могут располагаться радом, параллельно друг другу. Ворота шлюзов делают створчатыми или в виде обычных затворов плотин различных типов. Затворы, применяемые для водопроводных галерей, в большинстве случаев представляют собой плоские щиты. Наиболее широко распространены шлюзы из бетона и железобетона, из металлического шпунта, ряжей и т. д.

Берегоукрепление. Русло реки в размываемых грунтах постоянно меняется: в одних местах дно и берега размываются, в других — откладываются наносы. Кроме того, сооружения, возведенные на реках и сужающие ширину потока, например устои мостов, способствуют увеличению скорости течения, косоструйности, образованию водоворотов, в результате чего близлежащие участки берега могут быть размыты. Этому также способствуют течения в каналах, у водоприемных сооружений, шлюзовых голов и т. д. Для предотвращения от размывов берега, русла и откосы в местах, подверженных размыву, укрепляют камнем, отсыпаемым по откосу или тщательно укладываемым в виде мостовой, и хворостом, связываемым в пучки (фашины). Широко используются фашинные тюфяки, состоящие из двух сеток, между которыми уложен хворост. Тюфяки набиваются камнем. Используются также металлические сетки, а в особо ответственных местах — бетонные и железобетонные облицовки.