Классификация гидротехнических сооружений и их основные виды в СПХ

Кляузо Галина СПС 4 - 3/2

Классификация гидротехнических сооружений и их основные виды в СПХ.

История гидротехнического строительства.

Гидротехнические сооружения различных отраслей водного хозяйства, которые возводят в самых разнообразных климатических, гидрологических и геологических условиях, характеризуются большим разнообразием типов и конструкций. Поэтому для облегчения изучения их систематизируют и группируют по ряду характерных признаков: а) обслуживаемой отрасли народного хозяйства, б) условию использования, в) назначению, г) капитальности, д) конструкциям и др.

По обслуживаемой отрасли водного хозяйства гидротехнические сооружения бывают:

• мелиоративные, предназначенные для орошения, осушения и обводнения земель (водозаборы, насосные станции, оросительные и осушительные каналы и сооружения на них);
• гидроэнергетические, служащие для использования водной энергии (здания гидроэлектростанций, напорные бассейны, уравнительные камеры, безнапорные и напорные деривационные сооружения и др.);
• воднотранспортные — для целей судоходства (судоходные шлюзы и каналы, судоподъемники, морские порты, речные пристани и причалы, волноломы и др.) и лесосплава (запани, боны, лесотаски, лотки, бревноспуски, плотоходы и др.);
• водопроводные и канализационные — для целей водоснабжения (водозаборы, водоводы, насосные станции, водонапорные башни, резервуары, каптажные сооружения, очистные устройства, ливнепроводы, коллекторы и др.);
• рыбохозяйственные — рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоходные шлюзы, рыбоводные пруды и др.

По целевому назначению и характеру выполняемых функций гидротехнические сооружения можно подразделить на следующие основные виды:

• водоподборные, создающие и воспринимающие подпор воды (плотины, дамбы, запруды и другие сооружения, перегораживающие водный поток);
• регулировочные (выправительные) — для регулирования взаимодействия речных потоков с руслом, регулирования воздействий волн и течений на берега морей, озер, водохранилищ (струенаправляющие дамбы, шпоры, запруды, полузапруды, донные и поверхностные струенаправляющие системы, дно и берегоукрепительные сооружения, ледозащитные и волнобойные сооружения);
• водозаборные — для забора воды из источника питания (водотока, водоема);
• водопроводящие — для пропуска по ним воды из одних пунктов в другие (каналы, трубопроводы, лотки, туннели и др.);
• водосбросные — для сброса или полезных попусков воды из водохранилищ, прудов, каналов и др.

По условиям использования все гидротехнические сооружения мелиоративных систем, гидроэлектростанций и речного транспорта, согласно СНиП, разделяются на постоянные и временные.

К постоянным сооружениям относятся сооружения, используемые при постоянной эксплуатации объекта, а к временным те, которые используются в период строительства объекта, временной его эксплуатации или ремонта.

Постоянные гидротехнические сооружения в зависимости от их значения в объекте строительства разделяются на основные и второстепенные.

К основным относятся гидротехнические сооружения, прекращение работы которых в случае ремонта или аварий влечет за собой полное прекращение работы системы или значительно сокращает эффект ее действия.

К второстепенным относятся сооружения и отдельные их части, прекращение работы которых не вызывает последствий, указанных для основных сооружений (ремонтные затворы, служебные мостики, несущие нагрузки от подъемных механизмов, ледозащитные устройства и т. п.).

По значимости для народного хозяйства постоянные гидротехнические сооружения мелиоративных систем разделяются на четыре класса капитальности, которые устанавливаются в зависимости от производственной эффективности (площади мелиорируемых земель, мощности гидроэлектростанций и роли сооружений в гидроузле).

Речные сооружения, расположенные в реке или в непосредственной близости от нее, всегда связаны с естественным неустановившимся режимом используемого руслового потока, а внутрисистемные (или, кратко, сетевые) сооружения, как правило, проектируются для условий планового режима, установленного в соответствии с требованиями проводимого водохозяйственного мероприятия. От указанного различия в значительной степени зависят методы проектирования, условия строительства и особенности эксплуатации этих групп сооружений.

В группу речных сооружений в общем случае при комплексном решении водохозяйственную задач могут входить:

1) плотины глухие; 
2) водосбросы; 
3) водозаборные сооружения и устройства;  
4) здания гидроэлектростанций; 
5) судоходные шлюзы, плотоходы, бревноспуски; 
6) рыбоходы и рыбоподъемники; 
7) сооружения и устройства по борьбе с наносами (отстойники, промывники, струенаправляющие системы и др.);  
8) сооружения по регулированию русел рек; 
9) ледозащитные и шугосбросные сооружения.

Основные внутрисистемные ирригационные сооружения обычно делят по их назначению на следующие три группы: - регулирующие, водопроводящие и сопрягающие.

В группу регулирующих сооружений входят: водовыпуски (или регуляторы) и вододелители, предназначенные в основном для регулирования расходов воды; подпорные сооружения, устраиваемые главным образом для регулирования уровней воды; промывные и сбросные устройства, имеющие специальное и смешанное назначение; водомеры (автоматы, полуавтоматы, счетчики), предназначенные для измерения и учета подаваемой воды в систему, последние яаще всего являются оборудованием при водовыпусках и подпорных сооружениях.

По возможности регулирующие сооружения при строительстве объединяются для удобства эксплуатации и составляют узел регуляторов.

К водопроводящим сооружениям на каналах относятся: акведуки, дюкеры, лотки, трубы, туннели и ливнеспуски, которые устраивают при переходах канала через различные препятствия, встречающиеся на его трассе.

Сопрягающие сооружения устраивают на каналах при больших уклонах местности. Они предназначены для гашения избытка энергии воды, появляющейся в результате сброса ее с некоторой высоты на коротком участке.

Наиболее характерные типы сооружений этой группы: перепады, быстротоки, трубы, и др.

На ирригационных каналах могут быть построены и другие гидротехнические сооружения, как, например, внутрисистемные отстойники, гидроэлектростанции, судоходные шлюзы, мосты и др. По конструкциям и материалам гидротехнические сооружения могут быть земляными, бетонными, каменными, железобетонными, деревянными и комбинированными.

Деревянные сооружения в основном строят в районах богатых лесом. На крупных гидротехнических стройках дерево широко используют для возведения временных и вспомогательных сооружении и как подсобный материал в опалубочных работах.

Металл широко применяют при строительстве мостов, трубопроводов, затворов гидротехнических сооружений и как арматуру в различных железобетонных конструкциях и сооружениях.

История.

Строительство гидротехнических сооружений развивалось в разных странах в соответствии с общим развитием в них водного хозяйства. Искусство строить гидротехнические сооружения известно с древнейших времен, причем довольно крупные сооружения создавались уже при рабовладельческом строе. В Египте за 4000 лет до н.э. была построена каменная плотина Кошейн. Относительно сложные сооружения для орошения возводили в IX-VIII вв. до н.э. в Урарту и Хорезме —древних государствах, которые находились на территории бывшего СНГ. За 500 лет до н.э. проводились работы по регулированию русл рек Тигр и Евфрат.

В Европе в период феодальной раздробленности, когда из-за частых войн и междоусобиц экономика не могла широко развиваться, гидротехническое строительство сводилось к устройству малых сооружений — водяных мельниц, небольших сооружений для регулирования русл рек, водоснабжения городов и замков. Развитие торговли и ремесел потребовало улучшения судоходных условий рек, и в XIV в. были построены первые судоходные шлюзы.

В Киевской Руси водяные мельницы были известны в IX— XIII вв. Устав великого князя киевского Ярослава Мудрого (ок. 978-1054) регулировал вопросы затопления, вызываемого мельницами, следующим образом: каждому предоставлялось право строить мельницы, но владелец мельницы обязан был «соблюдать беспакостное», т.е. не чинить ущерба соседям.

Водный путь «из варяг в греки» существовал издревле. В ХШ в. для улучшения судоходства строили каналы для спрямления речных излучин, а при осаде городов применяли отвод воды из реки в другое русло с пересыпкой старого русла запрудой (например, при осаде г. Пронска на р. Проне в 1186 г.).

В городах Киевской Руси, а также в крупных монастырях «устраивались» водопроводы. Так, в XI-XII вв. на Ярославо-вом Дворище (Новгород) существовал водопровод из деревянных труб, а также водосточный канал, облицованный пластинами из бересты, а на случай осады сооружали оригинальные водяные тайники, позволявшие осажденным получать воду.

В Московской Руси гидротехника получила дальнейшее развитие, особенно в части водоснабжения. Известны примеры гидростроительства в Москве, относящиеся к концу XV—началу XVI в.: Кремлевский самотечный водопровод, водяные тайники, рвы и пруды с затворами (шлюзами), каменная мельница на р. Неглинной, а также самотечный водопровод в г. Старая Русса и др. Уже в XV—XVI вв. применялось бурение железными и деревянными трубами для добычи воды (г. Старая Русса) и соляных растворов, из которых соль затем выпаривалась (на реках Кама, Северная Двина, Урал). Известно, что в 1633 г. в Московском Кремле действовал напорный водопровод.

Развивавшееся водное хозяйство Московской Руси потребовало законодательного регулирования. Поэтому в «Соборном Уложении» (1649) царя Алексея Михайловича были помещены соответствующие статьи: например, об устройстве «езов» (речных заграждений для рыбной ловли) и водяных мельниц и об обеспечении при этом судоходства на реках путем устройства «ворот», через которые «можно было судам ходити».

В XVII-XVIII вв. феодальный строй начал себя изживать, появились первые мануфактуры. Развитие промышленности, торговли и рост городов повлекли за собой новый подъем гидротехнического строительства в мире.

Работы Г. Галилея, С. Стевина, Б. Паскаля, И. Ньютона, М. Ломоносова, Л. Эйлера и Д. Бернулли значительно подняли теоретическую базу гидротехники, что позволило перейти к строительству более крупных и сложных гидротехнических сооружений.

В XVIII—начале XIX в. большое развитие получили водные пути (как самые дешевые) для перевозки крупных грузов. Много судоходных каналов было построено во Франции, Германии, Англии и других странах. Усиленными темпами шло портовое строительство (лондонские и ливерпульские доки, волноломы в Шербурге и Генуе, Эдистонский маяк и др.). 

«бумажные», «пильные» водяные мельницы, установки для меде- и железоплавильных заводов на Урале, под Москвой, Тулой. Эпоха Петра I ознаменовалась мощным подъемом русской промышленности, техники и науки. Число промышленных предприятий к концу XVIII в. достигло 3000. Практически все они базировались на гидравлической силе больших заводских плотин и прудов, которых в России было построено более 200.

Русскими «плотинными мастерами» были выработаны оригинальные конструкции плотин так называемого «русского типа»: земляных с деревянным водосбросом и деревянных водоподъемных плотин, прекрасно приспособленных к природным условиям русских рек.

Выдающимися русскими гидротехниками того времени были А. Ярцев, Е. и М. Черепановы, И. Ползунов, Бадьин и др. Особо следует сказать о К. Фролове (1728-1800). Созданная им в 1763-1765 гг. гидравлическая установка на р. Корбалиха (Алтай) превзошла все подобные зарубежные установки того времени, в том числе и знаменитую Марли (снабжала водой дворцы Марли, Версаля и Трианона). Сооружение было устроено таким образом, что вода последовательно проходила три установки с водяными колесами диаметром 17 м (на установке Марли — 12 м), которые помещались в подземных камерах высотой до 21 м. Это был первый в мире гидросиловой каскад. Фролов присоединил к каждому колесу целый комплекс механизмов предприятия и впервые механизировал заводской транспорт, создав систему вагонеток с канатной тягой по заводским путям от того же колеса.

Уральский изобретатель И. Сафонов создал в 1837 г. первую русскую водяную турбину, которая по коэффициенту полезного действия (более 0,7) превосходила все известные турбины того времени.

Наряду с гидросиловыми установками в России велось строительство крупных водных путей. При Петре I было осуществлено соединение Оки с верховьями Дона Ивановским каналом, Волги с Балтийским морем Вышневолоцкой водной системой и др. Последняя была построена одним из сподвижников Петра I — крупнейшим гидротехником М. Сердюковым.

В конце XVIII—начале XIX вв. был построен еще ряд судоходных соединений, водные системы Огинская (Неман—Днепр), Мариинская, Тихвинская, Северо-Екатерининский канал и др.

Первая книга по гидротехнике — «Книга о способах, творящих водохождение рек свободное» — вышла по распоряжению Петра 1в 1708 г.

М. Ломоносов среди прочих многообразных трудов занимался и гидротехникой, построил ряжевую плотину на Усть-Рудицком заводе, проводил опыты на мельницах и создал первый учебник по горнозаводскбму делу, в котором осветил и вопросы гидросиловых установок.

В 1810 г. в Петербурге был учрежден Институт корпуса инженеров путей сообщения, готовивший инженеров по строительству водных путей и шоссейных дорог, а также прочих сооружений.

Промышленный переворот в мире, связанный с изобретением паровой машины и железных дорог в начале XIX в., привел к ослаблению интереса к громоздким гидравлическим установкам и водным путям, которые стали вытесняться более совершенными и гибкими источниками энергии и быстрыми средствами сообщения.