1.8 Классификация гидротехнических сооружений

Гидротехнические сооружения служат для использования водных ресурсов и для борьбы с отрицательным действием вод.

Гидротехнические сооружения делят на постоянные и временные. К временным сооружениям относятся сооружения, используемые только в период строительства или ремонта постоянных сооружений. Постоянные сооружения подразделяются на основные и второстепенные [13].
К основным относятся сооружения (плотины, дамбы, водосбросы, водо приемники и водозаборные сооружения, деривационные оросительные и судоходные каналы, туннели, трубопроводы, здания электростанций, насосные станции, шлюзы, судоподъемники, рыбозащитные, рыбопропускные сооружения), разрушение, которых приводит к нарушению нормальной работы электростанций, прекращению подачи воды в оросительные каналы, подтоплению осушаемой и затоплению обвалованной площади, прекращению или сокращению судоходства, прекращению лесосплава или деятельности речного порта [6].
К второстепенным относятся сооружения (ремонтные затворы, льдозащитные сооружения, струенаправляющие стенки и дамбы, причалы для неосновных грузов, берегоукрепительные сооружения, служебные мостики), разрушение которых не приводит к серьезным нарушениям работы электростанций, прекращению подачи воды в оросительные каналы, подтоплению осушаемой и затоплению обвалованной площади, прекращению или сокращению судоходства, прекращению лесосплава или деятельности речного порта.
При проектировании гидротехнических сооружений широко применяют типовые проекты, разработанные различными проектными организациями. По целевому назначению гидротехнические сооружения разделяются на следующие виды [13]:
- водоподпорные, создающие и испытывающие на себе подпор воды, а также удерживающие перед собой значительные объемы воды - плотины (глухие и водосливные), дамбы, плотинные водозаборные сооружения и др.;

 

- водопропускные, служащие для пропуска излишних паводковых вод, для частичного или полного выпуска воды из водохранилища - водосбросы и водоспуски;
- водопроводящие, служащие для подвода или отвода воды из одних пунктов в другие - каналы, трубопроводы, туннели и др.;
- водозаборные, забирающие воду из реки или водохранилища и направляющие ее по каналам или трубопроводам на гидроэлектростанции, на оросительную систему и т. д.;
- регуляционные, или выправительные, регулирующие условия протекания воды в руслах и предохраняющие дно и берега русла от размыва или отложения наносов, - берегоукрепительные сооружения, струенаправляющие дамбы и др.
По водохозяйственному назначению гидротехнические сооружения разделяются на общие и специальные. Общие гидротехнические сооружения применяются в нескольких или во всех отраслях водного хозяйства (водоподпорные, водопроводящие, водосбросные, водозаборные и регуляционные сооружения).
Специальные гидротехнические сооружения применяются только в одной какой-либо отрасли и являются для нее специфическими. Например, сооружения: гидроэнергетические (здания гидроэлектростанций, напорные бассейны, уравнительные башни и др.); водного транспорта (судоходные шлюзы, судоподъемники, причальные сооружения, лесосплавные и лесопропускные сооружения и др.); гидромелиоративные (регуляторы, отстойники, оросительная и осушительная сеть, дренажные устройства и др.); для целей водоснабжения (водозаборы, насосные станции, фильтры, пруды охладители, брызгальные бассейны, очистные сооружения и др.); для целей рыбного хозяйства (рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды и бассейны) [15].
Все постоянные гидротехнические сооружения делят на четыре класса (с I до IV). Класс устанавливают в зависимости от народнохозяйственного значения сооружений с учетом последствий при их аварии или нарушении их эксплуатации (СНиП). При этом принимают во внимание: наличие в нижнем
бьефе населенных пунктов, предприятий и объектов народного хозяйства, транспортных магистралей и т. п.; наибольшую высоту водоподпорных сооружений и объем водохранилища; геологическое строение основания, сейсмичность района, топографическое строение долины и т. п.
Гидротехнические сооружения делятся на четыре класса в зависимости от капитальности: сооружения, удовлетворяющие повышенным требованиям, относят к I, средним - ко II, ниже средним - к III, минимальным - к IV классу. Рыбохозяйственные сооружения (постоянные и временные) относят к IV классу.
Классы постоянных гидротехнических сооружений в зависимости от их высоты и видов грунтов основания принимаются по таблице 1. Если авария водоподпорного сооружения может вызвать последствия катастрофического характера для расположенных ниже городов, крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей, то класс сооружения, допускается повышать в соответствии с масштабом последствий при надлежащем обосновании. Если же авария водоподпорного сооружения не вызывает катастрофических последствий в нижнем бьефе (при расположении гидроузла в необжитом районе или у моря), то класс их, допускается понизить на единицу.
В зависимости от вида и размера гидротехнических сооружений класс их принимается по таблице 2.
Класс основных водоподпорных гидротехнических сооружений принимается по наибольшему его значению, определяемому по таблицам 1 и 2 [6].
К временным гидротехническим сооружениям относятся такие, которые используются только в период строительства или ремонта постоянных сооружений. Временные сооружения допускается относить к IV классу, если авария их может вызвать последствия катастрофического характера для строительной площадки, населенных пунктов, сооружений и предприятий или вызвать значительную задержку возведения основных сооружений объектов I, II и III классов. Перемычки и строительные туннели, при надлежащем обосновании, допускается относить к III классу.
Для сооружений мелиоративных систем класс назначают в зависимости от площади обслуживаемых ими мелиорируемых земель.
Класс основных гидротехнических сооружений комплексного гидроузла, обеспечивающих одновременно действие нескольких объектов, относящихся к различным отраслям народного хозяйства (энергетика, речной транспорт, ме лиорация, водоснабжение), устанавливают как для объекта, показатели которого соответствуют наиболее высокому классу.

Таблица 1 - Классы водоподпорных гидротехнических сооружений

Таблица 2 - Классы гидротехнических сооружений в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации

Основные гидротехнические сооружения: плотины, дамбы; сооружения на водоподающей системе - каналы, лотки, трубы, регуляционные сооружения; водосбросные сооружения различных типов; сопрягающие сооружения - перепады, быстротоки; сооружения на рыбосборно
осушительной системе – рыбосборно-осушительные каналы, донные водоспуски, рыбоуловители, сбросные каналы; рыбозаградительные и рыбозащитные сооружения, рыбопропускные сооруженияпереходные сооружения - акведуки, дюкеры; и пр [8, 9, 20].
Все указанные сооружения располагают в рыбоводных хозяйствах в зависимости от размещения и характера источника водоснабжения, от рельефа местности и качества грунтов.
Сооружения, применяемые в рыбоводстве, проектируют на основе гидравлических, статических расчетов и соответствующих глав СНиП (строительных норм и правил).
При расчете гидротехнических сооружений учитываются нагрузки и воздействия, которые разделяются на постоянные и временные. Временные нагрузки и воздействия, в свою очередь, разделяются на длительные, кратковременные и особые.
К постоянным нагрузкам и воздействиям относятся: вес сооружений, вес и давление грунтов (насыпей, засыпок), горное давление, гидростатическое, фильтрационное, поровое давление воды, противодавление в расчетных сечениях и строительных швах бетонных и железобетонных конструкций при нормальном подпорном уровне и нормальной работе противофильтрационных и дренажных устройств; вес технологического оборудования, место расположения которого на сооружении не меняется в процессе эксплуатации; воздействие предварительного напряжения конструкций.
К временным длительным нагрузкам и воздействиям относятся: дополнительное давление грунта (сверхосновного давления грунта), возникающее вследствие деформации основания и конструкций или от температурных воздействий; давление отложившихся наносов; воздействия усадки и ползучести.
К кратковременным нагрузкам относятся [6]:
- нагрузки от судов (навал, швартовые и ударные), ледовые; волновые нагрузки, нагрузки от плавающих тел, давление от гидравлического удара в период нормальной эксплуатации, пульсационные нагрузки в безнапорных и напорных водоводах;
- нагрузки от подъемных, перегрузочных и транспортных устройств и других конструкций и механизмов (мостовых и подвесных кранов и т. п.); - снеговые, ветровые и температурно-климатические нагрузки и воздействия.
К особым нагрузкам и воздействиям относятся [6]:
- сейсмические и взрывные воздействия;
- дополнительное гидростатическое поровое давление воды и про тиводавление в расчетных сечениях и строительных швах бетонных и железобетонных конструкций при форсированном уровне;
- температурно-влажностные воздействия;
- дополнительное фильтрационное давление воды, возникающее в результате нарушения нормальной работы противофильтрационных и дренажных устройств;
- давление от гидравлического удара при полном сбросе нагрузки при прорыве затворов и зимних пропусках воды в нижний бьеф;
- воздействия неравномерных деформаций оснований, сопро вождающиеся изменением структуры грунта (деформации просадочных грунтов при замачивании и вечномерзлых грунтов при оттаивании).
Расчет речных гидротехнических сооружений производят на основные и особые сочетания нагрузок. Основные сочетания нагрузок состоят из постоянных, временных длительных и кратковременных нагрузок и воздействий. Особые сочетания нагрузок включают постоянные, временные длительные, отдельные кратковременные и одну из особых нагрузок и воздействий. Нагрузки и воздействия принимаются в наиболее неблагоприятных, но возможных сочетаниях отдельно для эксплуатационного и строительного периодов.
Гидротехнический узел или гидроузел - комплекс гидротехнических сооружений, расположенных на одном участке реки и связанных между собой назначением и совместной работой (рисунок 3, 4). С помощью речных гидроузлов управляют водными ресурсами.
По назначению различают гидроузлы водорегулирующие, водозаборные, воднотранспортные и комплексные; по виду водоисточника - речные, озерные, на каналах. По напору гидроузлы делятся на низконапорные - с напором воды в верхнем бьефе до 10-14 м, средненапорные - с напором 15-50 м, высоконапорные - более 50 м.
Часть водоема или водотока, примыкающую к водоподпорному сооружению или напорному фронту гидроузла, называют бьефом. Бьеф, который расположен вверх по течению от подпорного сооружения, называется верхним, а вниз по течению - нижним.
Речные низконапорные гидроузлы обычно состоят из водоподпорного сооружения в виде грунтовой плотины, водоспуска (водозабора) водосбросного сооружения и других сооружений в зависимости от назначения гидроузла. В состав гидроузла с водооборотной системой и системой с механическим забором и подъемом воды входит также насосная станция.

1 - здание ГЭС; 2 - водосливная часть плотины; 3 - глухая часть плотины;
4 - открытое распределительное устройство; 5 - наклонный судоподъемник;
6 - поворотный круг (мост) судоподъемника; ВБ - верхний бьеф; НБ - нижний бьеф.

Рисунок 3 - Схема гидроузла Красноярской ГЭС на р. Енисей (по Гриневскому и др., 1990)
Водохозяйственной системой, или гидросистемой, называется комплекс гидротехнических сооружений, охватывающий значительную территорию и включающий несколько гидроузлов, объединенных общностью задач (комплекс гидростанций на реке, системы водоснабжения, оросительные и осушительные системы и др.).

1 - плотина; 2 - водоприемник ГЭС; 3 - напорные водоподводящие туннели;
4 - уравнительные резервуары; 5 - турбинные водопроводы; 6 - здание ГЭС;
7 - открытое распределительное устройство; 8 - открытый водосброс с отводящим каналом; 9 - строительные туннели; 10 - верховая и низовая перемычки.
Рисунок 4 - Схема гидроузла Нурекской ГЭС на р. Вахш (по Гриневскому и др., 1990)

Рисунок 5 - Акуловский гидротехнический узел
В рыбоводных хозяйствах гидротехнический узел создается на малых реках для поднятия уровня воды в реке до нужной отметки с целью обеспечения самотечного водоснабжения рыбоводных прудов, забора и подачи воды из водохранилища (головного пруда) в рыбоводные пруды, полного спуска воды из водохранилища, сброса излишка паводковых вод из верхнего в нижний бьеф.
Все сооружения гидроузла связаны между собой, поэтому проектиро вание его начинают с компоновки, которая заключается в выборе створа земляной плотины, мест расположения водозаборных и водосбросных сооружений и увязке основных их отметок (отметки уровней воды в водохранилище, гребня плотины, порога водосбросного сооружения и т. д.).
При проектировании речных гидроузлов, как правило, исходят из условия комплексного использования стока рек для удовлетворения потребностей в воде различных отраслей хозяйства, в том числе нужд энергетики, водоснабжения, ирригации, водного транспорта, рыбного хозяйства и др. В связи с этим в состав гидроузлов наряду с плотиной обычно включают в том или ином сочетании различные специальные гидротехнические сооружения, такие, как гидроэлектростанцию, водозабор, водосброс, судоходный шлюз, рыбозащитное устройство и т. п. Большое число этих сооружений при значительном разнообразии природных условий и требований, предъявляемых к размещению каждого из них, существенно осложняет компоновку гидроузла [19].
При заданном составе сооружений проектируемого гидроузла на их компоновку оказывают существенное влияние такие факторы, как топографические и геологические условия на участке расположения створа, водность реки, напор, условия строительства отдельных сооружений, условия эксплуатация сооружений гидроузла и др.
Топографические условия иа участке расположения створа гидроузла должны обеспечивать минимальную длину фронта напорных сооружений без значительного затопления прилегающих к водохранилищу промышленных и сельскохозяйственных территорий. Рельеф местности должен позволять осуществление строительства необходимой сети автомобильных дорог. Геологическое строение основания и берегов должно быть благоприятным в отношении как несущей способности пород, так и их фильтрационных свойств. Для размещения бетонных и каменнонабросных подпорных сооружений следует отдавать предпочтение скальному основанию.
Рациональная компоновка гидроузла должна обеспечивать: компактное расположение бетонных сооружений во избежание большого числа их сопряжений с грунтовыми сооружениями; концентрацию бетонного хозяйства; надежные пропуск строительных расходов воды в течение всего периода строительства; максимальное использование местных строительных материалов без нарушения окружающей природной среды; возможность возведения гидроузла в кратчайшие сроки с минимальными затратами дефицитных строительных материалов и максимальным использованием совершенных методов возведения и совершенного оборудования; доступность сооружений для подвоза строительных материалов н оборудования.
При компоновке гидроузла стремятся к тому, чтобы он был компактным, а все сооружения могли наилучшим образом выполнять свои функции в пе риод эксплуатации и допускали возможность их ввода во временную эксплуатацию при неполном напоре. Необходимо создание в верхнем н нижнем бьефах благоприятного гидравлического режима, особенно при пропуске через сооружение паводковых вод и льда. Направления и значения скоростей течения должны обеспечивать плавный подход воды к во допропускным сооружениям и исключать как размыв берегов в зоне расположения сооружений, так и отложение наносов с их верховой стороны. Все сооружения гидроузла должны быть связаны автомобильными дорогами и доступны для выполнения ремонтных работ [15, 16].
При компоновке всех гидроузлов и особенно гидроузлов комплексного назначения наряду с указанными выше факторами следует учитывать: современное и перспективное размещение потребителей энергии и воды для орошения и водоснабжения; возможное развитие гидроузла в будущем — повышение напора, строительство судоходного шлюза или судоподъемника, строительство нового водозабора и т. п.; обеспечение надежной транспортной связи с внешними магистральными дорогами; использование сооружений гидроузла в качестве мостового перехода для транзитного автомобильного и железнодорожного транспорта.
Проектируемые гидроузлы в зависимости от природных условий н создаваемых ими напоров подразделяют на безнапорные, низконапорные (напор до 10 м), средненапорные (напор от 10 до 50 м) и высоконапорные (напор 50 м и более).
К безнапорным гидроузлам относят бесплотинные поверхностные водозаборы, осуществляющие в основном самотечный отбор воды из реки в канал при бытовых уровнях в реке. Эти водозаборы устраивают главным образом для целей ирригации, обводнения, промышленного и питьевого водоснабжения.
По условиям отбора воды из реки в магистральный канал водозаборы делят на два типа: нерегулируемые и регулируемые. В нерегулируемых водозаборах забираемый расход определяется уровнями реки. В регулируемых водозаборах подачу воды в канал осуществляют с помощью регулятора или насосной станции, позволяющих подавать требуемый расход воды при любом уровне воды в реке.
Местоположение и компоновка безнапорных гидроузлов, а также тип водозаборов определяются рядом факторов; условиями и величиной отбора воды из реки; топографическими, геологическими и гидрологическими условиями используемого участка реки; климатическими условиями района и др.
Низконапорные гидроузлы строят на равнинных и горных реках для подъема уровня воды в целях обеспечения судоходства, лесосплава, отбора воды на ирригацию и водоснабжение, а также в энергетических целях, в том числе при сооружении деривационных гидроэлектростанций.
В зависимости от характера реки и назначения гидроузлов в их состав кроме плотины могут входить судоходные шлюзы, водозаборные и лесосплавные сооружения, здания гидроэлектростанций и рыбопропускные устройства.
Особенностью низконапорных гидроузлов является их расположение в большинстве случаев в пределах русла реки и пониженной части ее поймы. Средненапорные гидроузлы строят либо на равнинных многоводных реках с широкой поймой, сложенных, как правило, нескальными грунтами, либо на горных и предгорных реках с неширокими поймами, протекающих в полускальных или скальных породах.
Основное назначение данных гидроузлов - энергетическое, но обычно они используются также для целей судоходства, ирригации, промышленного и питьевого водоснабжения. Почти на всех гидроузлах имеются судоходные сооружения.
В состав сооружений гидроузла входят бетонная или железобетонная водосливная плотина, здание гидроэлектростанции, судоходные шлюзы, плотина из грунтовых материалов.
При строительстве гидроузлов среднего напора на равнинных реках применяют три основные схемы компоновки: русловую, пойменную и полупойменную. При применении русловой схемы компоновки водосливную плотину и здание гидроэлектростанции располагают в русле реки, а поименные участки створа перекрывают земляной плотиной. При пойменной схеме водосливную плотину и здание гидроэлектростанции располагают в пойме, а русло и другие участки поймы перекрывают плотиной из грунтовых материалов. Полупойменная схема компоновки отличается меньшей врезкой бетонных сооружений в берег, так как часть их располагают в русле.
Высоконапорные гидроузлы по характеру использования сооружений и их компоновке могут быть двух типов [11]:
1) на горных реках в глубоких относительно узких ущельях в условиях скальных оснований и берегов при сравнительно небольших максимальных расходах воды (до 4—6 тыс. м3/с);
2) на предгорных и равнинных многоводных реках с максимальными расходами воды 10—20 тыс. м3/с и более в условиях скальных оснований. В состав сооружений высоконапорных гидроузлов входят высокая плотина; водосбросы, обеспечивающие пропуск строительных и эксплуатационных расходов воды; здание гидроэлектростанции с водозабором и отводящими устройствами; ирригационные водозаборы. Иногда в узлах второго типа устраивают судоподъемники и судоходные шлюзы, а также устройства для пропуска леса.