Учебное пособие: Основи гідротехніки і гідроенергетики

Учебное пособие: Основи гідротехніки і гідроенергетики

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.

Страницы: 1, 2