Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра гідротехнічних споруд

Кафедра гідроенергетики і гідромашин

Климук А.С., Рябенко О.А.

Основи гідротехніки і гідроенергетики

Інтерактивний комплекс навчально-методичного забезпечення до курсу "Основи гідротехніки і 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 з заходами боротьби зі шкідливими проявами водної стихії.

Гідротехніка – водна майстерність (переклад з давньогрецької) – одна з найбільш складних галузей будівельного мистецтва [1,2]. Природні та господарські 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 зацікавлені практично всі галузі народного господарства, які можна розділити на споживачів і користувачів. Перші – це господарсько-питне і комунальне постачання, технічне водопостачання промислового і сільськогосподарського виробництва. До них також відносять системи зрошення і обводнення сільськогосподарських земель. Для споживачів водні об'єкти потрібні не тільки як джерела води, але і як місця прийому води, що побувала в технологічних процесах і пройшла очищення.

До другої групи (водокористувачі) відноситься гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, використання шельфу тощо. Підприємства цих галузей не споживають воду безповоротно і практично не змінюють її властивостей.

Відповідно до видів використання водних ресурсів змінюється профіль гідротехнічної спеціальності. Найважливіші з них – це водопостачання та водовідведення, гідромеліорація, гідроенергетика, будівництво водних шляхів і портів, а також загальна спеціальність – гідротехнічне будівництво річкових споруд, що орієнтована на любу різновидність гідротехніки.

Інженерна діяльність гідротехніків, крім ділення за спеціальностями, також розділяється за видами роботи. Вони можуть активно приймати активну участь у вишукуваннях – гідрологічних і метеорологічних, топографічних та інженерно-геологічних, включаючи гідрогеологічні і сейсмічні, і в інженерно-економічних вишукуваннях. Ці вишукування дають вичерпні відомості про умови будівництва, що буде основою проектування гідровузлів і гідросистем.

Ведучу роль грають гідротехніки в проектуванні об'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 будівництва гідровузла і економічний ефект його експлуатації, включаючи його вплив на природне середовище. Намічається з використанням аналогів і співставляється необхідне число варіантів – водного джерела, схем гідровузлів, складу і типів споруд і обладнання, способів виконання робіт. Приймається і затверджується проектне рішення. В подальшому проект деталізується за вибраним варіантом, компоновка і параметри споруд і обладнання уточнюються на основі відповідних розрахунків – продуктивності, міцності і стійкості, довговічності, економічності. Уточнюються на основі розрахунків і діючих норм тривалість етапів 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 разом з 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 свердловин та нагнітання розчинів в основу споруд.

Гідротехніки будують також промислові та цивільні будівлі, дороги, мости та інші споруди, що відносяться до гідровузла чи гідросистеми. Особливістю роботи гідротехніків є зведення споруд там, де тече вода, де є потреба відводити води в сторону на період будівництва, проводити роботи під захистом тимчасових споруд.

Гідротехніки працюють і на експлуатації гідроспоруд разом з електриками, механіками. Хоч керують роботою гідрооб'єкта енергетики чи робітники водного транспорту або сільгосппідприємств, робота гідротехніків також складна та відповідальна. Вони стежать за станом і функціюванням величезних споруд і потужного обладнання, проводять профілактичний та капітальний ремонти, здійснюють реконструкцію. Їх обов'язок – підготовка споруд до екстремальних режимів, пропуску паводків, форсування рівня води тощо.

Значну роль відіграють гідротехніки в забезпеченні безпеки гідротехнічних об'єктів. Аварія на гідротехнічних спорудах, особливо напірних, таких як греблі, шлюзи, гідроелектростанції може мати катастрофічні наслідки включаючи загибель людей. Попередження аварій, контроль розвитку аварійної ситуації, локалізація і ліквідація наслідків – це також в значній мірі компетенція гідротехніків.

Важливу роль в гідротехніці займають наукові дослідження, тематика яких є досить широкою, а ефективність відповідає величині та трудоємкості споруд. Дослідження проводять на стадії вишукувань, проектування, будівництва і експлуатації.

2. Загальні відомості про гідротехнічні споруди

Гідротехнічні споруди – це інженерні споруди, 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 водотоками і водоймами у відповідності з вимогами користувачів (регулювати рівень і витрату води, режим наносів, змінювати напрямок водного потоку тощо) [1].

Гідротехнічні споруди класифікують за місцем розташування, за характером функцій, що ними виконуються, за цільовим призначенням, за умовами використання, за капітальністю, за основним матеріалом, способом зведення, висотою і конструктивними прикметами [1, с.10…11].

Гідровузлом називається група гідротехнічних споруд, об'єднаних умовами сумісної роботи та розташуванням. Гідровузли класифікуються за рядом ознак: за місцем розташування, за основним призначенням, за створенням напору [1, с.12].

Гідросистема – це комплекс гідротехнічних споруд, що розташовані на значній віддалі одна від одної, але виконують спільні водогосподарські завдання. [1, с.12].

За особливостями і умовами роботи гідротехнічні споруди відрізняються від інших інженерних споруд [1, с.12…13].

Розрахункові витрати, що пропускаються в період експлуатації через постійні гідротехнічні споруди, визначаються з розрахункової максимальної витрати річки з врахуванням її трансформації водосховищем [1, с.13…14].

Проектування – найбільш важливий етап в створенні будь-якого гідротехнічного об'єкта, що визначає як хід його будівництва, так і наступну його експлуатацію [1, с.14].

Гідротехнічна споруда, що створює різницю рівнів води в б'єфах і розташована на водопроникній основі, викликає рух грунтового потоку як в основі споруди, так і в її обхід (фільтрація). В залежності від міри водопроникності грунту основи і самої споруди виникає різний характер взаємодії між потоком і спорудою [1, 2]. Особливе місце в гідротехніці займають питання, пов'язані з 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 перегороджує водотік, підпирає воду до більш високого, ніж побутовий, рівня і концентрує таким чином в одному місці зручний для використання напір, що є різницею рівнів води перед та за греблею. В складі любого напірного гідровузла гребля займає важливе місце [2].

Греблі зводяться в різноманітних кліматичних і природних умовах – в північних широтах і в районах вічної мерзлоти, а також на півдні, 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 також гірські річки з руслами в скельних ущелинах, де часто повторюються сильні землетруси.

Різноманітність природних умов, цілі створення гребель, масштабів і технічного оснащення будівництва призвело до багато чисельності їх типів і конструкцій. Як і інші споруди, греблі можна класифікувати за різними ознаками, наприклад, за висотою, матеріалом, з якого вони зводяться, можливості пропуску води, характеру їх роботи як підпірних споруд тощо. На рис.1 наведені поперечні розрізи деяких сучасних гребель в співставленні з іншими крупними спорудами і природними об'єктами.

Давній і найбільш поширений тип напірних гідротехнічних споруд – це греблі з грунтових матеріалів.

Грунтова гребля (рис.2) – це насип з грунту, в поперечному перерізі має форму нерівнобокої трапеції [1, 2]. Верхня частина насипу називається гребенем, нижня – підошвою. Бокові сторони називаються укосами. Укіс, що розташований зі сторони верхнього б'єфу, називається верховим, зі сторони нижнього – низовим. Напір на греблю – це різниця рівнів води верхнього і нижнього б'єфів.

Греблі з грунтових матеріалів класифікуються за матеріалом тіла греблі, типом протифільтраційних пристроїв, умов спорудження [1, с.61]. Тип греблі необхідно вибирати в залежності від топографічних і інженерно-геологічних умов основи і берегів, гідрологічних і кліматичних умов району будівництва, значення напору води, наявності грунтових

Рис.1. Поперечні профілі сучасних гребель у 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 фільтруючої води; 3 – кріплення укосу

дерном; 4 – дренаж; 5 – зворотній фільтр; 6 – зуб; 7 – водопроникний грунт; 8 – водонепроникний грунт; 9 – кріплення укосу каменем; 10 – водовідбійний парапет

будівельних матеріалів, сейсмічності району, загальної схеми організації будівництва і виконання робіт, особливостей пропуску води в період будівництва, строків введення в експлуатацію.

Основні типи земляних насипних гребель – це однорідні і неоднорідні греблі. Неоднорідні греблі можуть мати різні протифільтраційні пристрої (екран, ядро, діафрагма) [1, с.64…66].

Земляна гребля, правильно запроектована і побудована, має бути: 1) стійка (як і її основа) при всіх можливих умовах роботи [1, с.67…74].

При проектуванні гребель виконують необхідні фільтраційні і статичні розрахунки [1, с.75…90].

Крім земляних насипних гребель можуть застосовуватись інші типи гребель з грунтових матеріалів : намивні греблі; греблі з крупноуламкових грунтів [1, с.90…100].

При глухих греблях для пропуску надлишкових повеневих вод, корисних попусків води з водосховища, а також спуску води з метою часткового 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 нестислість скельних порід допускають будівництво на них гребель будь-яких напорів [1, с.133…136]. Найбільш міцними і водостійкими породами є скельні: вивержені, осадові і метаморфічні. Напівскельні відрізняються меншою міцністю, значною деформативністю, зниженням опору зсуву.

Основним матеріалом для будівництва сучасних гравітаційних гребель є бетон, іноді частково армований. Міцність бетону залежить від його складу – марки і кількості цементу, характеру заповнювача, а також від віку бетону і умов твердіння.

За конструкцією бетонні греблі діляться на гравітаційні, контрфорсні і аркові. [1, 2].

Гравітаційні греблі при дії на них основних сил гідростатичного тиску забезпечують достатній опір зсуву, в основному дякуючи великій власній вазі.

Як показують розрахунки, стійкість і 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 основі греблі влаштовують цементаційні завіси, забивають шпунтові ряди (в нескельних основах)ю Для підвищення стійкості греблі передбачають дренажі, влаштовують порожнини, що знижують протитиск тощо.

Рис.3. Бетонні греблі:

а) гравітаційні; б) контрфорсні; в) аркові; 1 – зуб; 2 – цементаційна завіса; 3 – дренаж; 4 – температурні шви; 5 – ущільнення швів; 6 – плита перекриття; 7 – контрфорс

Контрфорсні греблі складаються з ряду контрфорсів, форма яких в бічному фасаді близька до трапеції, розміщених на визначеній віддалі один від одного, на контрфорси опираються напірні перекриття, що сприймають навантаження зі сторони верхнього б'єфу. В свою чергу контрфорси передають навантаження на 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 робіт роблять їх за економічними показниками достатньо близькими.

Аркові греблі, криволінійні в плані з випуклістю в сторону верхнього б'єфу, чинять опір дії гідростатичного тиску та інших горизонтальних навантажень зсуву в основному за рахунок їх упору в береги ущелини (або в стояни). При зведенні аркових гребель обов’язковою вимогою є присутність достатньо міцних і малодеформативних скельних порід в берегових примиканнях греблі; для таких гребель звичайно відношення L/H<5, але може бути і більше. Ці греблі не потребують подібно гравітаційним значної ваги бетонної кладки. Відношення В/Н коливається в них в межах 0,1…0,4, і тому вони економічніше гравітаційних гребель. Радіуси кривизни арочних елементів збільшуються знизу вверх.

В складі гідровузла, крім глухої греблі, велике значення мають водоскиди – пристрої для скидання надлишкових повеневих вод та пропуску витрат води іншого призначення [1, 2].

Рис.4. Бетонні греблі з різними типами водопропускних отворів:

а – поверхневий отвір з затвором; б – глибинний; в – поверхневий отвір з трампліном; г – глибинний і донний; д – поверхневий з гасителями в нижньому б'єфі

Водоскидні отвори можуть бути влаштовані в руслі або на заплаві річки, тоді споруда прийме вигляд водозливної греблі. Водоскид може бути влаштований незалежно 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 отвори можуть бути розміщені близько до відмітки гребеня греблі або глибоко під рівнем верхнього б'єфу. Перші називаються поверхневими, другі – глибинними або донними водоскидами.

Поверхневі отвори водоскидних гребель можуть бути відкритими (без затворів), але звичайно вони мають затвори, що регулюють рівень води верхнього б'єфу. Для попередження переповнення водосховища затвори відкривають частково або повністю, не допускаючи підвищення рівня води вище нормального підпірного (НПР). Для покращення умов пропуску води через греблю їй надають плавне закруглення. Вся довжина водоскидного фронту ділиться биками на ряд отворів. Бики, крім того, сприймають тиск води від затворів, також служать опорами мостів, призначених для обслуговування підйомних механізмів, затворів і транспортного зв'язку між берегами.

Вода, що скидається через греблю, має великий запас потенційної енергії, що переходить в кінетичну. Боротьба з руйнівною енергією потоку, що скидається через греблю,проводиться різними способами. За водоскидною греблею на водобійній масивній бетонній плиті влаштовують гасителі енергії 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 з нього додатково влаштовується водобійна стінка.

Іноді в нижньому б'єфі водоскидної греблі організують поверхневий режим шляхом влаштування в нижній частині водозливу уступи і носка, зриваючись з якого з великою швидкістю, потік концентрується біля поверхні, а під ним створюється валець з помірними зворотними швидкостями біля дна.

В греблях значного напору уступ роблять високим, так що носок підвищується над рівнем нижнього б'єфу як трамплін, і потік, зриваючись з нього, відлітає повітрям на значну віддаль, де його руйнівна робота в руслі безпечна для споруд. За водозливними греблями на нескельних основах після водобою влаштовують рисберму – укріплена водопроникна ділянка русла річки.

Берегові водоскиди розміщують в гідровузлах з греблями з грунтових матеріалів, що не допускають пропуску витрат води через їх гребінь, а також в гідровузлах з бетонними греблями в вузьких ущелинах, де русло зайнято при гребельною будівлею ГЕС. Це можуть бути поверхневі водоскиди, тунельні, трубчаті, глибинні та донні.

Регульовані водоскиди мають затвори, конструкції яких залежать від їх місцеположення (рис.5). Затвори поверхневих отворів, часто великих розмірів, сприймають порівняно невеликий гідростатичний тиск; затвори глибинних отворів, маючи значно менші розміри, сприймають великий тиск. Матеріал затворі в основному сталь, лише при невеликих напорах можливе використання дерева. Найбільш розповсюджені плоскі затвори у вигляді металевого щита, що переміщується в вертикальних пазах биків і стоянів. Вага рухомої частини досить значна, може перевищувати 100 т, що потребує потужних підйомних механізмів. Щоб зменшити підйомне зусилля, застосовують сегментні затвори, 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 поворотними рамами

Існує велика кількість і інших типів затворів.

Ремонтні затвори встановлюються в спеціальних пазах, щоб оглядати і ремонтувати основні затвори. Найпростіші з них – шандори (балки або щити малої висоти).

В якості підйомних механізмів для затворів застосовують рухомі крани або стаціонарні підйомники. На них можуть бути змонтовані звичайні лебідки та 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 площею території, вирішують комплекс завдань і впливають на екологічну обстановку в регіоні.

Однією з основних складових гідросистеми є канали. Канал – це відкрите штучне русло, що транспортує воду. [1, с.30…36]. Канали поділяються за призначенням, способом подачі води, за умовами використання, капітальністю, формою поперечного перерізу, станом потоку тощо.

Поперечний переріз каналу визначається його підводною і надводною частинами. Найчастіше канали проектують у виїмках з укосами, що відповідають характеру грунтів, в яких він розміщується. Для захисту каналів від розмиву течією, від механічного та хвильового впливу, зменшення фільтраційних втрат влаштовуються різні облицювання та покриття (кам'яний накид, бетонні та залізобетонні плити, асфальтобетонні покриття, екрани з полімерних плівок чи з глинистих ґрунтів.

Рис.6. Водопровідний канал:

а) поздовжній переріз; б) поперечний переріз каналу у виїмці; в) поперечний переріз каналу в напіввиїмці-напівнасипу; г) поперечний переріз каналу в насипу

При розміщенні каналу на косогорі для зменшення об'єму робіт можливе його розташування в напіввиїмці-напівнасипу, а на окремих ділянках траси допускається влаштування його в повному насипу.

Гідравлічні розрахунки каналів для рівномірного і нерівномірного руху води в них визначають форму і розміри поперечного перерізу каналу, його уклон.

По трасі каналу можуть розміщуватись різні гідротехнічні споруди: регулюючі, водопровідні, спрягаючи та інші.

При експлуатації систем виникає необхідність в регулюванні кількості води, що подається в систему чи на окремі її ділянки, регулювання рівнів води, аварійного скидання лишків води, або спорожнення окремих ділянок каналу. Споруди, що влаштовуються для виконання вказаних функцій, називають регулюючими або регуляторами [1, с.36…43]. За призначенням вони поділяються на регулятори-водовипуски, підпірні або перегороджуючи, водоскидні, промивні, вододільники.

За конструктивними ознаками регулятори можуть 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 різних конструкцій, основним призначенням яких є підтриманні в старшому каналі певних горизонтів води 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 підпірні регулятори.

Розподільні вузли (вузли регуляторів) на каналах розміщуються на його розгалуженнях. До їх складу входить підпірна споруда та один або декілька бічних регуляторів водовипусків, що живлять відповідні канали.

Трубчаті закриті регулятори складаються з труб, що розміщені на деякій глибині від поверхні землі, вхідного та вихідного оголовків, затворів з підйомниками та гасителів енергії в нижньому б'єфі. Труби можуть бути круглого, прямокутного та полігонального поперечного перерізу. Число ниток визначається гідравлічними та техніко-економічними розрахунками.

Діафрагмові регулятори відрізняються від відкритих тим, що верхня частина отвору на вході перекрита поперечною стінкою (діафрагмою або забральною балкою), що дозволяє зменшити висоту затворів та потужність підйомників.

Водопровідні споруди влаштовуються на трасі каналу, де зустрічаються природні (долини, балки, яри, косогори) та штучні (дороги, канали) перешкоди. До них відносять акведуки, селепроводи, дюкери, тунелі тощо [1, с.44…51].

Акведуки – це водоводи у вигляді моста для пропуску води через дороги, балки, яри, ріки. По суті це мости, прогінною будовою яких є лотік, розміщений на балковій, рамній або арковій конструкції, вода в якому рухається з рівномірним режимом.

Селепроводи за конструкцією схожі на акведуки і призначені для пропуску через канали, ріки, дороги селевих (грязекам'яних) потоків.

Дюкери – напірні трубопроводи, що влаштовуються для подолання перешкод на трасі каналу чи водоводу (балки, долини, ріки, дороги тощо), коли будівництво акведуків технічно неможливе. Дюкери за конструкцією поділяються на шахтні або колодязні. До них ставляться вимоги: доступність огляду, ремонту і очищення, водонепроникність швів, незамулюванність тощо. Складові частини дюкеру це вхідний і вихідний колодязі або оголовки, напірна труба. Поперечні перерізи труб круглі або прямокутні.

Гідравлічний тунель являє собою закритий водовід, прокладений в земній корі. Тунелі частіше всього будують в гірських умовах, коли на трасі водоводу зустрічаються підвищені місцевості та вододіли, також при будівництві тимчасових та постійних водоскидів високогірних гребель. За призначенням вони можуть бути: енергетичні, водопровідні та каналізаційні, суднопропускні, водоскидні, комбіновані; за гідравлічним режимом – напірні та безнапірні. Форма поперечного перерізу приймається в залежності від характеру порід, способу проведення робіт та гідравлічного режиму (найчастіше – кругла, рідше – прямокутна, яйцевидна чи підковоподібна). Для недопущення обвалення покрівлі та стінок виробки більшість тунелів влаштовується з бетонним або залізобетонним лицюванням.

Спрягаючі споруди застосовують коли на трасі каналу зустрічаються ділянки з крутими схилами, де швидкості руху значно перевищують нерозмивну для неукріплених каналів [1, с.51…59]. За умовами руху води спрягаючі споруди поділяються швидкотоки і перепади.

Швидкотік - це лотік (найчастіше прямокутної форми поперечного перерізу), що переводить воду з верхнього каналу в нижній. Крім лотока є ще вхідна і вихідна частини і гаситель енергії у вигляді водобійного колодязя. Гідравлічними розрахунками ширина окремих частин споруди, положення поверхні води в 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 різних рівнях. Вони влаштовуються при великих уклонах місцевості, коли влаштування швидко токів неможливе. В перепадах вода на окремих ділянках рухається по споруді, в інших – в повітрі. Перепади можуть бути односхідчаті та багатосхідчаті, а за конструктивними ознаками – колодязні, гребінчасті, напівнапірні, шахтні, трубчасті.

Найбільш поширеною конструкцією є багатосхідчатий перепад колодязного типу. Такі перепади розраховують з умови утворення донного гідравлічного стрибка на кожному східці.

Консольні перепади в конструктивному відношенні складаються з вхідної частини і швидкотоку, кінцева частина якого розташована над укосом на високих опорах і виконана у вигляді консолі. Гасіння енергії проходить в ямі розмиву.

Водозабірні споруди влаштовуються з метою забору води з джерела живлення і подачі її в канал або водоводи для транспортування в зрошувальну, обводнювальну, гідросилову та інші системи. Оскільки ці споруди розташовуються в голові гідросистеми, то їх часто називають головними [1, с.219…236]. В залежності від виду джерела живлення водозабори бувають річковими, озерними, морськими та каптажними. Вода з них може подаватись самопливом або з механічною перекачкою. Водозабір з річок може бути безгребельним або гребельним.

Найбільш вигідним місцем для будівництва водозабірного вузла є стійка ділянка річки, без рукавів, мілин і острові, де береги і дно складені з ґрунтів, що погано розмиваються. Тип водозабірного вузла вибирається в залежності від прийнятої схеми використання річки, її гідрологічного і руслового режиму, характеру ділянки річки тощо.

У загальному випадку до складу водозабірного гідровузла входять: гребля, руслорегулюючі споруди, головні споруди (водоприймачі), водоскидні споруди, промивні пристрої для наносів тощо. При комплексному використанні річки до складу вузла споруд можуть входити будівля ГЕС, судноплавні та рибопропускні споруди.

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, донними решітчастими. Вони мають спеціальні пристрої, що обмежують попадання донних наносів в канал (промивні галереї, пороги тощо).

При водозаборі з річок, разом з водою в канали попадає велика кількість донних і завислих наносів, що викликає їх замулення, стирання поверхні бетонних споруд, проточних трактів гідросилового обладнання. Для боротьби з наносами влаштовуються відстійники, пісколовки, гравієловки тощо [1, с.238…255]. При нормальній роботі відстійників повинно бути забезпечено осідання в них визначених фракцій наносів і 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 рівномірно розподіленими швидкостями, внаслідок чого відбувається осідання донних і завислих наносів. За конструкцією відстійники бувають з періодичним або безперервним промивом наносів.

6. Суднопропускні споруди в гідровузлах

Транспорт займає особливе місце в житті розвинутого суспільства. Кожен продукт суспільного виробництва проходить стацію переміщення: сировина – від місць добування до місць переробки, готовий продукт – від пунктів виготовлення – до пунктів споживання. Сучасний транспорт можна розділити на такі види: сухопутний (залізничний, автомобільний), водний (морський, річковий), повітряний, космічний і трубопровідний.

Роль річкового транспорту відносно незначна, але в деяких районах може бути більшою, наприклад в зоні впливу великих воднотранспортних артерій, таких як Дніпро в Україні, Волга, Дон, Єнісей, Амур – Росії, Дунай, Рейн в Західній Європі. Річковий транспорт дещо знімає перевантаження сухопутних видів в навігаційний період, широко розвиваються змішані залізнично-водні перевезення а також безперевалочні перевезення в суднах типу “річка-море”. З портів Києва, Дніпропетровська, Миколаєва, Херсона прокладені маршрути в зарубіжні країни Дунаєм і Середземним морем.

Велику роль для приморських країн відіграє морський транспорт, який виконує величезну кількість перевезень різноманітних вантажів, пасажирських, туристичних маршрутів. Морські порти України – Одеса, Іллічівськ, Миколаїв, Херсон, Маріуполь.

Водні шляхи – це водні простори або водотоки, що використовуються для перевезень ними вантажів і пасажирів. До водних просторів відносять океани, моря, озера і водосховища, до водотоків – річки, їх притоки і канали.

Водні шляхи по відношенню до материка розділяють на зовнішні і внутрішні. Зовнішні водні шляхи (моря і океани) звичайно використовуються для судноплавства в природному стані за винятком підходів до морських портів (морські канали). Моря і океани можуть з'єднуватись судноплавними каналами (Панамський, Суецький).

Внутрішні водні шляхи можуть бути природними і штучними. До природних шляхів відносять річки і озера у вільному стані, що використовуються для судноплавства чи для лісосплаву. Потрібні глибини тут забезпечують шляховими роботами чи регулюючими спорудами. Штучні шляхи – це шлюзовані річки, водосховища, судноплавні канали (наприклад р.Прип¢ять, Дніпровські гідровузли, Волго-Балтійський, Волго-Донський, Дніпро-Бузький, Середньогерманський канали). Особливості водних шляхів в значній мірі впливають на судноплавство.

Річки, що використовуються для судноплавства в вільному стані, характеризуються чередуванням мілких (перекатів) і глибоких (плесів) ділянок русла. Річка може меандрувати, ділитись на рукава, стік її значно змінюється за навігаційний період. Все це може затруднювати судноплавство і для покращення його умов використовують днопоглиблення, виправлення русел і регулювання стоку.

Судноплавні канали, що є штучними водними шляхами, розділяють за 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 збільшення судноплавних глибин за рахунок зведення каскаду гідровузлів і створення підпертих б¢єфів або водосховищ. В результаті шлюзування поздовжній профіль поверхні води набирає ступінчатого виду і для переходу суден із б¢єфу в б¢єф потрібні суднопропускні споруди.

Судноплавний шлюз – це напірна гідротехнічна споруда, призначена для переміщення суден чи інших плавучих об¢єктів із б¢єфа в б¢єф в гідровузлах за рахунок послідовного вирівнювання рівня води в камері і в б¢єфах.

Основними частинами судноплавного шлюзу є камери, голови і підходи. Переміщення суден через шлюз складається з ряду послідовних операцій і називається процесом шлюзування. Частина цих операцій виконується шлюзом, частина – судном. Це такі операції: вхід суден в шлюз, причалювання суден, закриття воріт, наповнення або спорожнення камери, відкриття воріт, вихід суден зі шлюзу, закриття воріт, спорожнення або наповнення камери, відкриття воріт.

Основні розміри шлюзів (корисна довжина і ширина камери, а також глибина на порогах) повинні відповідати характеристикам розрахункових суден.

Розміщення судноплавних споруд в гідровузлах повинно забезпечувати нормальні умови підходу і стоянки суден, раціональне спряження всіх споруд і розміщення їх 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 – будівля ГЕС; 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 виникає проблема живлення каналу водою. Судноплавні шлюзи витрачають велику кількість води, що поповнюється з місцевого стоку, або відновлюється в верхньому б’єфі насосними станціями. Для збереження води були застосовані суднопідіймачі (СП), що являють собою воднотранспортну гідротехнічну споруду для переміщення суден з б’єфа в б’єф в рухомій камері або на платформі [1,2,4,6]. Ще однією причиною появи транспортних суднопідіймачів є будівництво високо напірних гідровузлів на судноплавних річках, коли багатокамерні шлюзи мають малу пропускну здатність і великі об’єми будівельно-монтажних робіт, а однокамерні – складні за конструкцією, мають велику вартість і значні втрати води на шлюзування.

Вертикальні суднопідіймачі практично завжди проектують врівноваженими, коли вага рухомої частини суднопідіймача врівноважується конструктивно. За способом врівноваження вертикальні суднопідіймачі поділяють на гідравлічні, поплавкові і механічні.

До складу Красноярського гідровузла (Росія) входить двухскатний нахилений суднопідіймач з поворотним кругом і поздовжнім розміщенням судновізної камери (Рис.8.7). Пропуск суден виконується таким чином. Судновізна камера укісного типу розмірами 90 х 18м опускається в нижній б’єф нахиленою рельсовою дорогою до положення, коли рівні води в камері і в б’єфі вирівняються . Після зупинки камери в її торці відкриваються сегментні ворота і судно входить в камеру. Після цього ворота закриваються, камера починає рухатись вверх зі швидкістю 1 м/с.

На вершині судновізної дороги камера накочується на нахилений міст поворотного кругу. Після встановлення камери поворотний круг звільняється від запобіжних пристроїв і разом з камерою робить розворот на кут 1420.

В акваторію верхнього б’єфу камера опускається нахиленою дорогою зі швидкістю 1,33 м/с. Рух камери закінчується при спів падінні рівнів води в камері і в водосховищі. Після відкриття воріт судно виходить з камери, звільняючи її для прийому зустрічного судна, що направляється вниз Єнисеєм.

Тривалість повного двостороннього циклу роботи СП біля 90хв. Уклон дороги 1:10. Камера розрахована на переміщення суден вантажопідйомністю до 2000т на перепад рівнів біля 100м. Вага камери з водою біля 7000т. Переміщення камери відбувається за допомогою зчеплення зубчатих коліс гідромоторів за зубчату рейку рельсового шляху. Недоліком такого СП є необхідність входу судна в камеру або виходу з нього кормою.

Рис.9. Нахилений двоскатний СП з поворотним кругом:

а – поздовжній розріз; б – план; в – загальний вид; 1 – верхній судновізний шлях; 2 –поворотний круг; 3 – камера; 4 – нижній судновізний шлях; 5 – тупиковий роз’їзд з монтажним майданчиком

7. Портові і шельфові гідротехнічні споруди

гідротехніка гребля гідросистема

Річковий порт – це транспортний вузол, що складається з комплексу інженерних споруд та пристроїв, призначених для передачі вантажу з річкових суден на берег і в зворотному напрямку. Порт також може використовуватись як схованка від 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 штучними спорудами. 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 відповідних груп суден.

Портова територія – це земельна ділянка, де розміщені портові споруди, будівлі та пристрої, необхідні для виконання берегових портових операцій.

Причальні споруди являють собою берегову лінію порту і служать для швартови суден і їх обробки. Ділянка причальної лінії, обладнана для швартови і обробки одного судна, називається причалом. Причали великих портів, як правило, спеціалізують за призначенням на пасажирські, вантажні і вантажно-пасажирські і за видами вантажу – на вугільні, рудні, нафтові, хлібні тощо.

Портове обладнання служить для виконання вантажних та інших портових робіт. До нього відносять перевантажувальні механізми та пристрої, внутрішній портовий транспорт, енергетичне господарство, сигналізація та зв’язок та інше.

Рис.1.2. Макет порту

Для безпеки руху суден в портах встановлюють берегові та плавучі 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 плавучими та стаціонарними. Плавучий причал – це судно (дебаркадер), що встановлюється біля берега на якорях, палях та тросах і з’єднується з берегом містками. Корпус його металевий або залізобетонний. Переваги такого причалу – це можливість встановлення при любих коливаннях рівня води, зручна швартовка, підхід і відхід, добра амортизація ударів суден, недоліки – забруднення з механізацією перевантажувальних робіт, необхідність відводу на зиму в затони. Плавучі причали використовують як єдині причали пристаней та додаткові пасажирські причали великих портів.

Тип стаціонарного причалу визначається розміщенням його відносно берегової лінії, формою профілю та конструктивними особливостями. Причали, розміщені вздовж берегової лінії, називають набережними, нормально або під кутом до 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 них судна підходять щільно при любих коливання рівня води, не змінюється виліт стріл кранів, але вартість їх значна, особливо при великій висоті конструкції.

Укісні конструкції значно дешевше, але використовуються при бичкових, естакадних причалах, при стаціонарних вантажних механізмах.

Вертикальні причали за конструкцією можуть бути гравітаційними, шпунтовими, палевими, естакадними тощо.

Гравітаційні причали, що є різновидністю підпірних стін з 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 шельфу відносять нахилену (кут нахилу до 10) підводну частину материка, що обмежується з однієї сторони урізом берега, з другої – бровкою (різким згином поверхні морського дна) [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 широких межах і в різних океанах складає від 1 до 1500 км, глибини над бровкою – від 60 до 2000 м. Основна частина площі шельфу Світового океану (біля 70%) приходиться на ділянки з глибиною до 180 м, а з всієї поверхні океану на долю шельфу приходиться приблизно 7,5% (або 27 млн.кв.м).

До перспектив освоєння шельфу можна віднести:

· розробку родовищ нафти і газу;

· добування твердих копалин;

· експлуатацію відновлювальних джерел енергії;

· розміщення цивільних та промислових об’єктів.

За призначенням шельфові споруди поділяють на такі що забезпечують розвідку та розробку підводних родовищ, розвиток мари культури, розміщення об’єктів промислового та цивільного призначення [9]. Найбільш поширені конструкції призначені для нафтогазопромислових споруд. Вони можуть бути стаціонарними або мобільними. Основні відмінності їх від традиційних портових це те що вони працюють в суттєво більш неблагоприємних кліматичних умовах, на незахищених акваторіях, значних глибинах і далеко від берега. Глибини можуть доходити до 100…200 м, віддаль від берега – 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. Під ред.А.Ф.Дмитрієва

2. Можевитинов А.Л. и др. Введение в гидротехнику. М.: Энергоиздат, 1984.

3. Непорожний П.С., Образцов В.И. Введение в специальность. Гидроэнергетика. М.: Энергоиздат, 1982.

4. Денисов И.П. Основы использования водной енергии.

5. М.: Энергия, 1974.

6. Гришин М.М. и др. Гидротехнические сооружения. М.: Высшая школа, 1979.

7. Венников В.Н., Путятин Е.В. Введение в специальность. М.: Высшая школа, 1978.

8. Берг В.А. Основы гидротехники. М.: Гидрометеоиздат, 1963.

9. Михайлов А.В. Водные пути и порты. М.: Высшая школа, 1982.

10. Губин Ф.Ф., Кравченко Г.И. Гидроэлектрические станции.