Файл: Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Омский институт водного транспорта филиал.pdf

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.

39

40
Рис.21 Продольный разрез (а) и план (б) бетонного шлюза:
1 — верхняя голова; 2— двустворчатые ворота; 3 — камера; 4— нижняя голова; 5
— ремонтные заграждения;6— король (порог); 7 — днище; .8 — водопроводные галереи; 9— шкафная часть; 10 — затвор водопроводных галерей; 9—напор на шлюз;
10— длина камеры; В
к
—ширина камеры; Я
к
— глубина на короле
Со стороны бьефов к головам примыкают направляющие палы — сооружения, обеспечивающие плавную заправку входящего в шлюз судна или плота.
Размеры и очертания голов зависят, прежде всего, от грунта основания, а также от принятой для данного шлюза водопроводной системы, питающей шлюз водой.
На Рис.24 приведена схема бетонного шлюза, оборудованного двустворчатыми воротами и системой питания из обходных коротких галерей. Ворота обеспечивают восприятие напора, возникающего в смежных бьефах и камере при ее наполнении и опорожнении, и передают его на устои голов, для чего последние устраиваются массивными.
В открытом положении ворота заходят в специальные ниши, носящие название шкафов или шкафных ниш. Пространство, занимаемое воротами при их движении, называется шкафной частью. Дно шкафной части, как правило, заглублено ниже дна камеры. Образующийся вертикальный выступ, к которому примыкает низ створок, закрытых ворот, называется королем или порогом. Обычно отметка короля в днищевой части шлюза является наивысшей, поэтому понятие «глубина на короле» определяет судоходную глубину в шлюзе.
В закрытом состоянии ворота опираются в устои голов и передают им давление воды. Место соприкосновения створок ворот с устоями голов носит название вереи.
Верхние головы шлюзов могут иметь ровное дно или иметь уступ, называемый стенкой падения. Последняя устраивается в том случае, если подпорный уровень воды в верхнем бьефе обеспечивает излишнюю

41 глубину на короле при ровном дне. Стенка падения позволяет значительно уменьшить высоту верхних ворот, облегчить их конструкцию и тем самым обеспечить, наряду со снижением строительной стоимости, внедрение ряда эксплуатационных преимуществ.
На Рис.25 показана верхняя голова со стеной падения и обходными галереями и камерой гашения. Такая компоновка значительно сокращает длину головы, но возможна к применению лишь при большой высоте стенки.
Рис.22 Схема верхней головы шлюза с наполнением из-под стенки падения: а — продольный разрез; б — план; 1 — ворота; 2— галерея; 3— камера гашения; 4— стенка падения
Из других конструкций голов со стенкой падения получили широкое распространение верхние головы с без галерейной системой наполнения, оборудованные плоскими или сегментными затворами. Применение этих конструкций позволяет совместить функции ворот и водопроводных затворов. Преимущество таких затворов-ворот выражается еще в том, что они легко доступны для осмотра и ремонта. Конструкции нижних голов менее разнообразны, так как они не имеют стенки падения.
На нижних головах применяют, как правило, двустворчатые ворота.
Компоновок нижних голов с такими воротами в основном две: бес галерейная — с выпуском воды через клинкеты в нижней части ворот или с боковым выпуском; с короткими обходными галереями или продольными галереями в устоях.
Процесс прохода судна через, шлюз называется шлюзованием.
Рассмотрим, как происходит шлюзование судна в однокамерном шлюзе с головной системой питания.
В нашем примере (Рис.24, а) судно переходит из нижнего бьефа в верхний. Уровни воды в камере шлюза в нижнем бьефе одинаковы.
Верхние ворота закрыты и воспринимают на себя напор со стороны верхнего бьефа. Нижние ворота открыты для входа судна в камеру шлюза.
Судно входит в камеру и отшвартовывается. Закрываются ворота нижней головы и галереи опорожнения. Включаются механизмы подъема верхних ворот, которые в данном случае представляют собой плоский щит, полностью перекрывающий судоходное отверстие верхней головы. Щит приподнимается, и в образовавшуюся между ним и порогом щель вода из

42 верхнего бьефа устремляется в камеру и начинается ее наполнение. Для гашения энергии воды и создания тем самым спокойного отстоя судна в камере на верхней голове за щитом устроены специальные гаси тельные устройства. Вода будет поступать в камеру до тех пор, пока не выровняются уровни в верхнем бьефе и камере
Рис.23 Судно переходит из нижнего бьефа в верхний
Вместе с уровнем воды в камере судно будет также подниматься к верхнему бьефу. После выравнивания уровней ворота верхней головы открываются.
Шлюзование вниз происходит обратным порядком (Рис.24, б). Судно при открытых верхних воротах входит в камеру и ошвартовывается.
Верхние ворота закрываются (щит принимает положение, но уровень воды в камере соответствует уровню верхнего бьефа); открываются затворы водопроводных галерей нижней головы; вода через эти галереи будет уходить из камеры в нижний бьеф, уровень воды в камере вместе со шлюзующимся судном будет опускаться, пока не сравняется с уровнем нижнего бьефа. После этого открываются ворота нижней головы и судно выходит из шлюза в нижний бьеф.
Рис.24 Схема шлюзования судна вверх в шлюзе с головной системой питания: а -г- вход судна в камеру с нижнего бьефа; б — наполнение камеры; в — выход судна из шлюза в верхний бьеф; 1— верхний подходной канал; 2—
верхние направляющие палы; 3— верхняя голова; 4— подъемно-опускные ворота; 5 — гасители; 6— камера шлюза; 7 — двустворчатые ворота нижней головы; 8—нижняя голова; 9— водопроводные галереи опорожнения; 10—
нижние направляющие палы; 11 — нижний подходной канал