Учебное пособие: Основи гідротехніки і гідроенергетики

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.