Калугина_Шлюзованные системы ВВП. Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Омский институт водного транспорта филиал
 Скачать 3.9 Mb.
|
|
1.2.3 Общие понятия об основных сооружениях гидроузла Водоподпорное сооружение, возведенное в русле реки, и созданное им водохранилище служат для удовлетворения потребностей обычно нескольких отраслей народного хозяйства. Поэтому в состав 29 водоподпорного сооружения, помимо основного сооружения, перегораживающего русло реки — плотины, входят отраслевые (специфические) водоподпорные сооружения участников комплексного использования водных ресурсов, например, судоходный шлюз, гидроэлектростанция, сооружения для пропуска рыб, для защиты населенных пунктов и сельскохозяйственных земель и т. д. Таким образом, водоподпорное сооружение в общем случае при комплексном использовании реки является группой специфических водоподпорных сооружений. Такая группа водоподпорных сооружений, объединенных общим местом расположения на водном пути и условиями их совместной работы, называется узлом гидротехнических сооружений, или сокращенно гидроузлом. Рис.14 Нижне – Бурейская ГЭС Состав водоподпорных сооружений гидроузла зависит от основного их назначения — решения частной или комплексной задачи. Так, в состав гидроузла при низконапорном шлюзовании реки, который решает частную задачу — увеличение глубин, как правило, входят два водоподпорных сооружения — плотина и судоходный шлюз. При высоконапорном шлюзовании в состав гидроузла, который решает комплексную задачу (энергетика, водный транспорт, орошение), обычно входят плотина, здание гидроэлектростанции, судоходный шлюз, водозаборное сооружение и др. Фронт этих сооружений в гидроузле называется подпорным фронтом. Плотиной – называют гидротехническое сооружение, перегораживающее реку для подъема воды. Плотина является важнейшим и наиболее распространенным водоподпорным сооружением. Перегораживая реку, она прерывает движение речного потока, вследствие чего вода накапливается перед плотиной, уровень воды поднимается, и 30 таким образом создается водоем. Чтобы предотвратить перелив воды через плотину, в ее теле устраивают специальные отверстия для пропуска воды. Рис.15 Братская ГЭС зимой Если плотина имеет отверстия любого типа для пропуска воды или допускает перелив воды через гребень, то она называется водосбросной; такая плотина строится, как правило, из бетона. Плотина без всяких отверстий для пропуска воды и не допускающая перелива воды через свой гребень называется глухой.Наличие отверстий в плотине позволяет регулировать сток реки. Отверстия в плотине закрываются подвижными конструкциями, называемыми затворами, которые могут перекрывать отверстия полностью или частично в зависимости от необходимости выпуска из верхнего бьефа того или иного количества (расхода) воды. Помимо бетонных плотин, для поддержания напора служат и более дешевые земляные плотины. Обычно они сопрягают бетонную плотину и другие сооружения гидроузла с высокими берегами и при широкой пойме могут иметь длину в несколько километров. Гидроэлектростанцией (сокращенно ГЭС) называется совокупность сооружений и оборудования, предназначенных для преобразования энергии падения воды в электрическую энергию. Сооружение, в котором установлены турбины и генераторы гидроэлектростанции с вспомогательным оборудованием, называется зданием гидроэлектростанции. В гидроузлах, особенно на равнинных реках, здания гидростанций также поддерживают напор, и в этом отношении они сходны с плотинами. Энергия воды используется турбинами; рабочее колесо турбины подвешивается на вертикальном валу, общем с ротором генератора электрического тока. Вода поступает к 31 турбине по окружающей ее спиральной турбинной камере, а отводится в нижний бьеф по отсасывающей трубе. Судоходным шлюзом называется сооружение на судоходной реке или канале, располагаемое в составе водоподпорных сооружений гидроузла и служащее для перехода судов и плотов из одного бьефа в другой. Основные части судоходного шлюза — камера, головы и подходы. Рис.16 Схема однокамерного шлюза: 1 — верхний подходный канал; 2 — верхняя голова; 3 — верхние ворота; 4 — камера; 5 — судно; 6 — нижняя голова; 7 — нижние ворота; 8— нижний подходный канал; 9— водопроводное устройство; 10 — король (порог). Камера образуется двумя продольными стенами и днищем, которые с торцов ограничиваются головами — верхней и нижней. В пределах голов имеются судопропускные отверстия, в которых расположены соответственно верхние и нижние ворота. Камера служит для размещения в ней судов при переходе их из одного бьефа в другой. Подъем судов до уровня верхнего бьефа достигается наполнением камеры водой через водопроводные устройства, которые для этого соединяют камеру с верхним бьефом. Опускание судов до уровня нижнего бьефа производится опорожнением камеры через водопроводные устройства, соединяющие в этом случае камеру с нижним бьефом. Головы вместе с воротами поддерживают напор, а при выровненных уровнях через ворота пропускают суда в камеру или из камеры в верхний и нижний бьефы. Часто в головах размещают также водопроводные устройства. Подходы к верхней и нижней головам шлюза обычно представляют собой каналы, на которых расположены причальные сооружения для судов, ожидающих шлюзования, и направляющие сооружения для безопасного входа судов в шлюз. 32 При следовании судна в обратном направлении — из верхнего бьефа в нижний — процесс шлюзования совершается по аналогичному принципу. При каждом шлюзовании необходимо наполнить камеру водой или ее опорожнить. Объем воды, помещающейся в камере от уровня верхнего бьефа до уровня нижнего бьефа и сливаемый при пропуске судов в нижний бьеф, называется сливной призмой. В современных больших шлюзах объем сливных призм достигает около 180 тыс. м 3 1.2.4 Организация строительства и выбор строительной площадки гидроузла Строительство гидроузла осуществляют в соответствии с утвержденным проектом. Гидроузел строит подрядная строительная организация (генеральный подрядчик) по договору с дирекцией строящегося гидроузла (заказчиком). Для выполнения специальных строительных и монтажных работ генеральная подрядная организация привлекает специализированные организации (субподрядчиков). Производственная база строительства гидроузла состоит из временных предприятий, необходимых только на период строительства, и постоянных, которые после окончания строительства обслуживают другие отрасли народного хозяйства. Для строительства гидроузла используют существующие или создают новые подъездные пути, линии электропередачи, связи, сооружают механизированные склады Рис.17 Строительный генеральный план гидроузла на Волге: 1 — верховая перемычка; 2 — продольная перемычка; 3 — низовая перемычка; 4— территория электростанции; 5 — склад гравия; 6 — завод плит-оболочек; 7 — закрытое распределительное устройство; 8 — временная электроподстанция; 9 — арматурный завод; 10 — приречные склады; 11 — лесокомбинат; 12 — причал парома; 13 — база гидромеханизации; 14 — нефтебаза; 15— котлован шлюза; 16 — временный поселок; 17 — 33 больница; 18 — продовольственные и промтоварные склады; 19 — база главного механика; 20—база гидромонтажа; 21 — база промышленного и жилищного строительства; 22 — центральные склады; 23 — ремонтно-механический завод и автобаза; 24 — железнодорожное тяговое хозяйство; 25 — подъездная железная дорога В случае невозможности подачи необходимого количества электроэнергии от энергосистемы района электроснабжение строительной площадки осуществляют от энергопоездов, передвижных и временных электростанций. На строительной площадке устраивают надежную систему телефонной и диспетчерской связи, а управление строительства связывают с общегосударственной телефонной сетью. Для водоснабжения поселков и предприятий строят водопроводную сеть. 1.2.5 Гидроузлы на шлюзованной реке В зависимости от основного назначения речные гидроузлы подразделяются на воднотранспортные, энергетические, водозаборные и др. При комплексном использовании речного стока гидроузлы одновременно выполняют несколько функций, например, Иваньковский гидроузел на р. Волге — головной гидроузел канала имени Москвы — выполняет воднотранспортную, энергетическую и водозаборную функции. По величине создаваемого напора речные гидроузлы условно подразделяют на следующие типы: а) низконапорные (величина напора от 2 до 8 м), в которых нормальный подпорный уровень, как правило, не выходит за пределы меженного русла, не затопляет поймы; б) средненапорные при напоре от 9 до 40 м; в) высоконапорные, величина напора которых превышает 40 м. Низконапорные гидроузлы строят главным образом для целей судоходства и водоснабжения, реже — для энергетики. Такие гидроузлы должны обязательно пропускать лед и наносы, идущие по реке. Эти гидроузлы обычно состоят из плотины с большим водосливным фронтом несудоходного шлюза. Средненапорные гидроузлы возводят в основном для энергетических целей с одновременным транспортным использованием реки или для регулирования стока реки одновременно в интересах энергетики, водного транспорта, водоснабжения, орошения, борьбы с наводнениями. С помощью таких гидроузлов осуществляется годичное (реже многолетнее), сезонное регулирование стока реки, поэтому ледоход не всегда проходит через гидроузел, а наносы задерживаются в водохранилище. В состав гидроузла входят: водосливная и глухая плотины, здание гидроэлектростанции, судоходный шлюз, лесоспуск, рыбопропускное сооружение и т. п. 34 Высоконапорные гидроузлы имеют то же назначение, что и средненапорные, но отличаются от них тем, что регулирование стока реки здесь годичное и многолетнее. В таких гидроузлах строят глухие плотины с отдельными береговыми водосбросами, здания гидроэлектростанций размещают при плотинах; вместо судоходных шлюзов здесь применяют судоподъемники, для сплава леса — лесоперевалочные устройства. 1.2.6 Компоновка гидроузлов При компоновке гидроузлов придерживаются следующих общих принципов. Каждое сооружение должно наилучшим образом выполнять свои функции и не мешать работе других сооружений гидроузла. Располагаться сооружения в гидроузле должны так, чтобы были обеспечены благоприятный гидравлический режим для их работы и бесперебойное обслуживание сооружений, а также удобный и надежный пропуск воды в период строительства, так как современные крупные гидроузлы строят по несколько лет. В частности, величины и направления скоростей воды и льда в подходах к шлюзу, зданию гидроэлектростанции, плотине и другим сооружениям не должны вызывать затруднений в их работе. При компоновке гидроузла и выборе типов сооружений должны учитываться местные природные условия (топографические, геологические, гидрологические и т. д), удобства для эксплуатации и необходимость использования минимальных затрат труда, материалов и других ресурсов для их возведения. В сооружениях максимально используют местные строительные материалы и сборные конструкции. Сооружения гидроузла должны создавать красивый архитектурный ансамбль, причем не за счет внешнего украшения, а разумного распределения масс материалов с учетом окружающего ландшафта. Рис.18 Схема русловой компоновки гидроузла: а—профиль по оси гидроузла; б — план; — меженное русло; 2—граница поймы; 3 35 — водосливная плотина; 4—здание гидроэлектростанции; 5—судоходный шлюз; 6— земляная плотина на пойме; 7 — раздельный устой; S— подходный канал к шлюзу При проектировании низконапорных и средненапорных гидроузлов на равнинных реках с широкими поймами применяют две основные схемы компоновки гидроузлов: русловую, когда водосливная плотина и здание гидроэлектростанции размещаются в русле реки, а судоходный шлюз в большинстве случаев располагается в пойме, и пойменную, когда водосливная плотина, здание гидроэлектростанции и судоходный шлюз строятся в пойме, а русло перекрывается земляной плотиной, насыпаемой в воду. Иногда при компоновке низконапорных гидроузлов воднотранспортного или транспортно-энергетического назначения все сооружения размещают в меженном русле. Рис.19 Схема пойменной компоновки гидроузла: 1 — граница меженного русла; 2 — граница поймы; 3 — земляная плотина в меженном русле. При русловой компоновке гидроузла бетонные водосливная плотина и здание гидроэлектростанции возводятся непосредственно в русле реки в две три очереди работ, для каждой из которых требуется устройство котлованов, огражденных отдельными перемычками. На реках с большими колебаниями уровней воды такие перемычки получаются очень сложными, а возведение бетонных сооружений в две-три очереди работ значительно увеличивает срок строительства. Особенностью пойменной компоновки гидроузлов является то, что все бетонные сооружения — плотина, здание гидроэлектростанции, судоходный шлюз — возводятся в пойме реки (преимущественно на выпуклом берегу), вне основного меженного русла за общими ограждающими перемычками. После готовности сооружений через них пропускаются меженные расходы воды, а русло реки перекрывается. Производство земляных работ способом гидромеханизации позволяет 36 быстро и относительно дешево прорывать подводящие каналы и намывать грунт в земляную плотину, перекрывающую русло. Высоконапорные гидроузлы строятся преимущественно для энергетики и орошения, как правило, в предгорных и в горных районах, в условиях сравнительно узких ущелий, при наличии скальных оснований. В таких гидроузлах судоходные сооружения располагают на берегу отдельно от плотины и здания гидроэлектростанции. Размещение судоходного шлюза в составе гидроузла определяется в основном требованиями эксплуатации, которые сводятся к обеспечению бесперебойного пропуска судов через шлюз при минимальной затрате времени. Ниже приводятся наиболее характерные схемы расположения судоходного шлюза относительно подпорного фронта. 1. Шлюз расположен на пойме в так называемой деривации и соединяется с руслом подходными каналами (рис.23, а). 2. Шлюз расположен рядом с плотиной (рис.23, 6). 3. Верхняя голова его находится в створе остальных подпорных сооружений, а камера целиком в нижнем бьефе. При таком расположении подпорный фронт наиболее короткий. В этом случае нижнюю разделительную дамбу делают короткой, а верхнюю — достаточно длинной, чтобы устранить опасность затягивания судов, входящих в шлюз с верхнего бьефа, на водосливную плотину. 4. Шлюз полностью расположен в верхнем бьефе, так как нижняя голова его находится в створе основных подпорных сооружений (рис.23, в). При такой схеме вход в шлюз находится на значительном расстоянии от плотины, что обеспечивает спокойный подход к шлюзу. Нижнюю разделительную дамбу в этом случае делают более длинной. Такое расположений шлюза увеличивает длину подпорного фронта. 5. Шлюз расположен частично в верхнем и частично в нижнем бьефах (рис,23, г). Рис.20 Схемы расположения шлюза относительно подпорного фронта: а — в деривационном канале (в нижнем бьефе); б—в нижнем бьефе; в—в верхнем бьефе; г — между верхним и нижним бьефами; а/а — створ подпорного фронта; — судоходный шлюз; 2 — здание гидроэлектростанции; 3 — водосливная плотина; 4 — верхний подходный канал; 5 — нижний подходный канал; в — верхняя разделительная дамба; 7 37 — нижняя разделительная дамба Наибольшее распространение в отечественной практике строительства получила схема размещения судоходного шлюза в деривации. На ряде гидроузлов шлюзы находятся вблизи бетонных напорных сооружений и имеют минимально необходимые подходные каналы. Опыт эксплуатации этих сооружений подтвердил правильность такой компоновки шлюза, так как короткие подходные каналы способствуют быстрейшему прохождению судов через гидроузлы; длинные подходные каналы увеличивают это время. Так, например, на Цимлянском, Горьковском и Куйбышевском гидроузлах судоходные шлюзы построены в пойменной деривации протяжением до 10 км, на проход судов по которой из-за невозможности движения полным ходом тратится очень много времени. В результате гидравлических исследований на моделях стали стремиться, не превышая допускаемых для судоходства поперечных скоростей в устьевых участках, по возможности укорачивать подходные каналы шлюзов. Исследования и опыт работы построенных сооружений показали, что для удовлетворительных условий захода судов в канал и выхода из него не требуется удаление устья канала от водопропускных сооружений гидроузла более чем на 1,5—2,0 км. 1.2.7 Искусственные водные пути дореволюционной России Основные пути сообщения в древности проходили по рекам, озерам и морям. К числу первых работ по улучшению судоходных условий. На внутренних водных путях России относится строительство в 1699—1704 гг. Ивановского канала с 23 шлюзами и другими сооружениями, соединившего Волгу с верховьем Дона по рекам Оке и Упе. За два года по этому каналу пропустили 300 судов. Однако вскоре каналом перестали пользоваться из-за недостатка воды и необеспеченности глубин в верховьях рек. В 1703 г. по указу Петра I на месте волока между реками Тверцой и Цной в районе г. Вышнего Волочка началось строительство соединительного канала, получившего название Тверецкого, длиной 3,3 км с двумя полушлюзами. Первые суда с корабельным лесом из Казани в Петербург прошли по каналу в 1708 г. Водный путь от Волги до Финского залива проходил по I рекам Волге, Тверце, Тверецкому каналу, рекам Цне, Мете, Ильменскому озеру, р. Волхову, Ладожскому озеру, р. Неве. Опыт показал несовершенство построенного соединения. В 1719—1722 гг. талантливый гидротехник-самородок М. И. Сердюков построил новые сооружения на Тверецком канале и в 1736—1738 гг. создал на р. Цне большое водохранилище для питания канала водой. Все эти сооружения получили название Вышневолоцкой водной системы. 38 В связи с недостаточной пропускной способностью Вышневолоцкой водной системы, в 1799 г. началось строительство Maриинской водной системы (р. Волга — р. Шексна — оз. Белое — р. Ковжа — водораздельный канал — р. Вытегра — оз. Онежское — р. Свирь — оз. Ладожское — р. Нева), которая в 1808 г. пропустила первые суда с осадкой 98 см. В процессе строительства этой второй системы возвели сорок четыре шлюза. За первые два года работы по ней в сторону Петербурга прошли 2012 судов, грузоподъемностью до 160 тс. С течением времени Мариинская водная система совершенствовалась. За период существования она реконструировалась трижды, последний раз в 1890—1896 гг. Одновременно с началом строительства Мариинской водной системы начались работы по возведению сооружений на третьей системе, соединяющей Волгу с Невой,— Тихвинской. Ее строительство было закончено в 1811 г. От р. Волги трасса этой системы проходила по рекам Мологе, Чагодоще, Тихвинскому каналу, рекам Тихвинке и Сяси и соединялась с Приладожским каналом, построенным в обход Ладожского озера в 1731 г. По системе мог ли плавать суда грузоподъемностью до 100 тс. После переустройства Мариинской водной системы в 1896 г. Тихвинская водная система потеряла свое транспортное значение. |