Классификация гидросооружений

Классификация гидросооружений

По условиям использования гтс делятся на постоянные и временные. Постоянные сооружения используются при эксплуатации объекта неограниченное время, временные - лишь в период строительства или ремонта (перемычки, ограждающие стенки и дамбы, строительные тоннели и т.д.). Постоянные гтс подразделяются на основные и второстепенные.

К основным относятся сооружения, ремонт или авария которых приводят к полной остановке работы объекта либо существенно снижают эффект его действия. К второстепенным – сооружения и их отдельные части, прекращение работы которых не приводит за собой столь тяжелых последствий.

В число основных сооружений входят: плотины, дамбы, водосбросы, водозаборы, насосные станции, шлюзы и т.д. К второстепенным относятся: берегоукрепительные сооружения, ремонтные затворы, льдозащитные сооружения, причалы для не основных грузов и т.д.

Все постоянные гтс делятся на четыре класса, где класс устанавливается от последствий при их авариях или нарушениях их эксплуатации.

Классы водоподпорных гтс в зависимости от их высоты, типа основания и последствия аварии.

Таблица 1

Если аварии сооружений повлекут за собой последствия катастрофического характера для расположенных ниже по течению городов, пром. предприятий, транспортных магистралей и т.д. то класс сооружений можно повышать на единицу и наоборот.

Класс объектов гидротехнического строительства в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации

Временные сооружения при надлежащем обосновании допускается относить к IV классу, если авария повлечет за собой катастрофические последствия или вызвать задержку строительства сооружений I-III класса. Перемычки и строительные туннели при надлежащем обосновании допускается относить к III классу.

Действующие силы и нагрузки.

Общие сведения о нагрузках, воздействиях и их сочетаниях.

При проектировании строительных конструкций и оснований зданий и сооружений различают постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые) нагрузки и воздействия (температурные, влажностные, сейсмические и др.) Постоянными считают нагрузки, которые в своих нормативных и более высоких  значениях действуют при строительстве и эксплуатации сооружения постоянно. Временными считают нагрузки, которые в отдельные периоды эксплуатации могут отсутствовать. При строительстве гтс кроме обычных нагрузок и воздействий необходимо дополнительно учитывать следующие:

Постоянные - гидростатическое, фильтрационное и поровое давление воды, а также противодавление в расчетных сечениях при НПУ и нормальной работе противофильтрационных и дренажных устройств; вес технологического оборудования;

Временные длительные - дополнительное давление грунта (сверх основного), возникающее вследствие деформаций основании и конструкций или от температурных воздействий, и  давление отложившихся наносов;

Кратковременные - нагрузки от судов, ледовые и волновые нагрузки, нагрузки от подъемных, перегрузочных и транспортных устройств и др. механизмов, нагрузки от плавающих тел, от гидроудара в период нормальной эксплуатации, пульсационные нагрузки в напорных и безнапорных трубопроводах;

Особые – дополнительное гидростатическое и поровое давление  воды, а также противодавление в расчетных сечениях и строительных швах и ж\б конструкциях при форсированном подпорном уровне, температурно-влажностные воздействия, доп. фильтрационное давление воды, возникающее в результате нарушений работы противофильтрационных и дренажных устройств, ледовые нагрузки при прорыве затворов и зимних пропусках воды в нижний бьеф.

При расчетах гтс различают основные и особые сочетания нагрузок и воздействий, для которых, в зависимости от класса сооружения, установлены мин. допустимые коэфф. запаса. Основное сочетание нагрузок состоит из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок. Особое сочетание нагрузок состоит из постоянных, длительных, отдельных кратковременных и одной из особых нагрузок.

Нагрузки и воздействия следует принимать в наиболее неблагоприятных,  но возможных сочетаниях  отдельно в строительный и эксплуатационный  периоды.

Основные расчетные положения

Расчеты гтс и их оснований следует проводить по методу предельных состояний. В соответствии с этим методом не допускается наступление предельных состояний в сооружениях и основаниях как в период его возведения, так и в период его эксплуатации. Возможность наступления предельного состояния оценивают путем сопоставления значений усилий, раскрытия трещин и т.п. с их предельными значениями, установленными в соответствующих нормативных документах. Согласно СНИПу  различают две группы предельных состояний:

1 по потере несущей способности или по непригодности к эксплуатации - потеря устойчивости; разрушение сооружения, обусловленного хрупким, пластичным или усталостным разрушением самого сооружения или основания, состояния, при котором возникает необходимость прекращения эксплуатации вследствие опасных подвижек сооружения или основания, ползучести, чрезмерного раскрытия трещин.

2 по непригодности к нормальной эксплуатации - состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию сооружений и оснований или снижающие их долговечность и требующие проведения ремонтных работ (недопустимые перемещения, трещины и т. п.).

По предельным состояниям первой группы производят расчеты прочности и устойчивости гтс, их конструкций и оснований; по предельным состояниям второй группы – расчеты перемещений, раскрытия трещин, местной прочности оснований и устойчивости естественных склонов.

Оценку наступления предельных состояний первой группы следует выполнять исходя из условия:

nc Np < (m/kн) R,

где nc - коэф. сочетания нагрузок ; для основного сочетания нагрузок = 1, для особого = 0,9, для сочетания нагрузок в период строительства - 0,95, Np= расчетное значение обобщенного силового воздействия, определяемого с учетом коэфф. перегрузки n; m - коэф. условий работы; kн - коэф. надежности; R – расчетное значение обобщенной несущей способности сооружения или его конструкций и основания, определяемое с учетом коэф. безопасности по материалам или грунтам, который вводят в виде делителя к нормативным значениям; kн – зависит  от класса сооружения и >1,1; при расчетах по 2 группе предельных состояний он принимается 1,0.

Расчеты устойчивости гтс

Откосы плотин из грунтовых материалов.

Расчеты устойчивости откосов, экрана и защитного слоя плотин выполняют для основного и особого сочетания нагрузок, действующих в строительный период и при всех возможных случаях эксплуат. периодов.

Устойчивость на сдвиг.

Различают схемы плоского, смешанного и глубинного сдвигов сооружения.

Указанные схемы возможны как при поступательной форме сдвига, так и при сдвиге с поворотом в плане.

А. Схема плоского сдвига

Производится при однородных основаниях из крупнообломочных, песчаных, твердых и полутвердых глинистых грунтов, а также из пластичных, туго- и мягкопластичных глинистых грунтов, имеющих коэф. сдвига tg ψ > 0,45 и коэф. степени консолидации cv.>4, если удовлетворяется условие

Ơmax /Bγ <Б ,

где γ - уд. вес грунта основания, принимаемый с учетом взвешивания, если основание расположено ниже уровня грунтовых вод; Б- безразмерный критерий равный 1,0 для плотных песков и 3 - для прочих грунтов. Расчетные значения поверхностей сдвига принимаются согласно схемам.

При поступательной форме сдвига расчетное значение предельного сопротивления сдвигу R=P tgφ + m1 Eп.н. + F c и Np = Tв + Еа.в - Тн; где Р - сумма вертикальных сил с учетом противодавления; m1- коэф. условий работы, который принимается равным 0,7.

Б. Схема смешанного сдвига

Расчеты по этой схеме для сооружений на однородных основаниях производится во всех случаях, когда не соблюдается начальное условие. Сопротивление основания сдвигу складывается из сопротивлений сдвигу с выпором. Тогда сила  предельного сопротивления сдвигу определяют по формуле:

Rсм = (σср tgφ + c) B2 L + τпр В1L, где σср= Р/(BL), а В2= ширина участка подошвы сооружения, на котором происходит плоский сдвиг, а В1- ширина участка подошвы сооружения, на котором происходит сдвиг с выпором, определяемая в зависимости от σср;  τпр - касат. напряжение на участке сдвига с выпором.

В. Схема глубинного сдвига

Глубинный сдвиг возможен, если сооружение, расположенное на однородном или неоднородном основании несет только вертикальную нагрузку.

Расчет устойчивости сооружения по этой схеме производят пользуясь аналитическими и графическими методами теории предельного равновесия либо методами круглоцилиндрических поверхностей скольжения.

Компоновка сооружений в речных гидроузлах

При проектировании речных гидроузлов исходят из комплексного использования стока реки, в том числе энергетики, водоснабжения, ирригации, водного транспорта,  рыбного хозяйства и др. В связи с этим в состав гидроузла наряду с подпорными сооружениями и водосливами включают в том или ином сочетании специальные гтс, такие как гидроэлектростанцию, водозабор, судоходный шлюз, рыбозащитное устройство и т. п. При заданном составе сооружений гидроузла на их компоновку существенное влияние оказывают такие факторы, как топография и геологические условия в створе гидроузла, водность реки, напор, условия строительства отдельных сооружений, расположение потребителей, дорог, условия эксплуатации сооружений гидроузла и др.

Топографические и геологические условия

Топографические условия на участке расположения створа должны обеспечивать минимальную длину фронта напорных сооружений без значительного затопления и подтопления прилежащих к водохранилищу промышленных и с/х территорий. Важно наличие вблизи створа жилого поселка и подсобных помещений. Рельеф местности должен позволять строительство необходимой сети дорог. Геологическое строение основания и берегов должно быть благоприятным в отношении как несущей способности пород, так и их фильтрационных свойств.

Условия строительства

Рациональная компоновка гидроузла должна обеспечивать : компактное расположение бет. сооружений во избежании большого числа их сопряжений с грунтовыми сооружениями; концентрацию б/хоз-ва; надежный пропуск строит. расходов в течение всего строительства; макс. использование местных строительных материалов без нарушения окружающей среды; возможность возведения гидроузла в минимальные сроки с минимальным использованием дефицитных строительных материалов и максимальным использованием совершенных методов возведения и совершенного оборудования; доступность сооружений для подвоза стройматериалов и оборудования.

Требования к эксплуатации

При компоновке гидроузла стремятся к тому, чтобы он был компактным, а все сооружения  гидроузла наилучшим образом выполняли свои функции в период эксплуатации и допускали возможность их ввода  во временную эксплуатацию при неполном напоре. Необходимо создание в верхнем и нижнем бьефах благоприятного режимов, особенно при пропуске через водосливные сооружения паводковых вод и льда. Направление и значение скоростей течения не должны допускать размывов в зоне расположения сооружений и отложение наносов с верхней стороны. Все сооружения гидроузла должны быть связаны дорогами и доступны для выполнения ремонтных работ.

Технико-экономические условия

Так как компоновка каждого гидроузла носит индивидуальный характер и представляет собой сложную задачу, поэтому ее осуществляют на основании техн.-эконом. сравнения ряда возможных вариантов. Отдается предпочтение тому варианту, при котором сооружения работают наиболее эффективно и не вызывают трудностей при проведении строительных, монтажных  и ремонтных работ, а гидроузел имеет наименьшую стоимость

При компоновке гидроузла и особенно узлов комплексного значения следует учитывать:

1. Современное и перспективное размещение потребителей энергии и воды для орошения и водоснабжения;
2. Возможное развитие гидроузла в будущем - повышение напора, стр-во судоходного шлюза или судоподъемника, стр-во водозабора и т. п.
3. Обеспечение надежной транспортной связи с внешними магистральными дорогами;
4. Использование сооружений гидроузла в качестве мостового перехода для автомобильного и ж/дорожного транспорта.

Проектируемые гидроузлы в зависимости от природных условий и создаваемых ими напоров подразделяются на безнапорные, низконапорные (до 25м), средненапорные (до 75м) и высоконапорные (свыше 75м).

Безнапорные гидроузлы

К безнапорным гидроузлам относятся бесплотинные поверхностные водозаборы, осуществляющие отбор воды из реки в канал при бытовом уровне воды в реке для целей ирригации, обводнения, промышленного и х/бытового водоснабжения.

По условиям отбора воды из реки в маг. канал водозаборы делятся на регулируемые и нерегулируемые. При нерегулируемых расход в канал зависит от уровня воды в реке. Для регулируемых подача воды в канал осуществляется или с помощью регулятора или насосной станции, которая дает возможность подавать нужный расход при любом уровне воды в реке.

Местоположение и компоновка безнапорных гидроузлов, а также тип водозабора определяются следующими факторами:

1. Условиями и величиной отбора воды из реки;
2. Топографическими условиями;
3. Геологическими и гидрологическими условиями участка реки;
4. Климатическими условиями района и др.

Наиболее простым из них является открытый канал для ирригации, отходящий под острым углом от реки. Устройство в начале канала головного сооружения позволит регулировать подачу воды в канал.

Низконапорные гидроузлы

Они строятся на равнинных и горных реках для подъема уровня воды в них для обеспечения судоходства, лесосплава, отбора воды для ирригации и водоснабжения, а также в энергетических целях. В зависимости от характера реки и назначения гидроузла в его состав кроме плотины могут входить судоходные шлюзы, водозаборные сооружения и лесосплавные сооружения, здания гидроэлектростанций и рыбопропускные устройства.

Особенностью низконапорных сооружений является их расположение в русле реки и пониженной части поймы. Расположение транспортных сооружений и гидроэлектростанций осуществляется обычно на разных берегах реки для исключения отрицательного влияния скоростей течения на эти сооружения реки.

При недостаточной ширине русла реки некоторые сооружения выносятся на берег реки в специальную выемку, обычно, это гидростанцию.

Средненапорные гидроузлы

Средненапорные гидроузлы строятся либо на многоводных равнинных реках на широких поймах и нескальных грунтах, либо на предгорных или горных реках с неширокой поймой  на скальных и полускальных грунтах НБ.

Основное назначение этих гидроузлов энергетическое, но обычно они используются также для целей судоходства, ирригации, судоходные шлюзы, плотина из грунтовых промышленного и питьевого водоснабжения. В состав сооружений входят бетонная или ж/б водосливная плотина, здание ГЭС, плотина из грунтовых материалов с пойменной, русловой или полупойменной компоновкой.

Высоконапорные гидроузлы

Высоконапорные гидроузлы по характеру использования сооружений и их компоновке могут быть двух типов: на горных реках и на многоводных равнинных или предгорных реках. В состав сооружений этих гидроузлов входят высокая плотина, водосбросы, обеспечивающие пропуск строительных или эксплуатационных расходов, здание гэс с водозабором и водопроводящими сооружениями, ирригационные и хозяйственно-питьевые водозаборы. Иногда на узлах равнинных рек устраиваются шлюзы или судоподъемники, а также устройства для пропуска леса.

В широких створах равнинных рек компоновка определяется пропуском строительного или паводкового расходов. При этом основную часть русла занимают бетонная водосливная плотина и здание гэс, расположенной либо в водоподпорном фронте, либо позади глухой бетонной плотины, в зависимости от напора. Береговые участки русла реки обычно застраивают грунтовыми или глухими бетонными плотинами. Судоподъемные сооружения чаще всего располагаются в скальных берегах.

Охрана окружающей среды

При компоновке гидроузла необходимо предусмотреть мероприятия по охране окружающей среды как в районе расположения гидроузла, так и вдоль береговых линий ВБ и НБ.

К числу таких мероприятий относится:

1. Сохранение и улучшение общего природного ландшафта в районе створа гидроузла и вдоль трасс водосбросных и водозаборных сооружений;
2. Размещение отвалов грунта и карьеров строительных материалов в зоне водохранилища;
3. Создание благоприятных условий для миграции рыб к нерестилищам и обратного их скатывания и рыбной молоди в НБ;
4. Предотвращения переформирования русел и берегов рек в ВБ и НБ;

Обеспечение возможности использования полезных ископаемых в случае их затопления или подтопления;

5. Поддержание нормальных санитарных условий в зонах расположения и влияния гидроузла.

При выборе отметки НПУ необходимо уделять особое внимание на подпор, который создает водохранилище:

• предотвращение подтопления и заболачивания с/х земель и территорий занятыми населенными пунктами и промпредприятиями. Во всех случаях возникновения мелководий и подтоплений необходимо прорабатывать вопросы защитных мероприятий с оценкой эффективности их осуществления и выбором наиболее целесообразного.

Реконструкция гидротехнических сооружений

Реконструкцию постоянных гидротехнических сооружений следует проводить для:

• усиление основных ГТС и их оснований при повышении риска аварий из-за старения сооружений и оснований или увеличения внешних воздействий, а также увеличения масштаба экон-х, экол-х и соц-х последствий возможных аварий;
• обеспечение водопропускной способности основных ГТС;
• увеличение выработки электроэнергии;
• увеличение емкости хранилищ жидких отходов;
• замена оборудования в связи с его износом;
• повышение водообеспечения оросительных систем, улучшение режима грунтовых вод на орошаемых или осушаемых площадях;
• увеличение грузо- и судопропускной способности портов и судоходных сооружений;
• улучшение экол-х условий зоны влияния гидроузла;

Реконструкцию проводят также при изменении нормативных требований.

При реконструкции следует максимально использовать существующие сооружения, находящие в нормальном эксплуатационном режиме.

Реконструкцию следует производить без прекращения работы основных сооружений.

Техническое состояние реконструируемых сооружений и их элементов следует определять спец. исследованиями и расчетами на основе существующих  строительных материалов и грунтов оснований, принятых для проектов реконструкции.

Обеспечение безопасности ГТС

При разработке проекта ГТС следует руководствоваться законодательством РФ о безопасности ГТС и нормативными требованиям, направленными на обеспечение безопасности ГТС. В состав проекта ГТС следует разрабатывать спец. проект натурных наблюдений за их работой как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации для выявления различных дефектов и неблагоприятных явлений и принятие необходимых мер против аварий, улучшения режимов эксплуатации и оценки уровня безопасности и риска аварий.

В составе проекта ГТС должны быть разработаны критерии их безопасности, которые должны уточняться в процессе эксплуатации на основе результатов натурных наблюдений за состоянием  сооружений, нагрузок и воздействий, а также за характером изменений стройматериалов и оснований, конструктивных решений.

Повреждения, которые могут привести к чрезвычайным ситуациям на всех стадиях их создания и эксплуатации, подлежат декларированию безопасности (документ, в котором обосновывается безопасность ГТС и определяются меры по обеспечению безопасности ГТС с учетом его класса). Декларация безопасности является обязательной частью проекта с утверждением в органах надзора безопасности и подлежит корректировке в процессе эксплуатации.

В проектах ГТС для локализации и ликвидации возможных аварий предусматриваются тех. решения по СОЗДАНИЮ необходимых резервов грунта, транспорта и оборудования, мостов и подъездных путей, автономных и резервных источников электроэнергии и др. противоаварийных средств оперативного действия.

Должны быть предусмотрены конструктивно-технологические решения по предотвращению развития  возможных опасных повреждений и аварийных ситуаций в период строительства и эксплуатации.

В проекте ГТС выполняются расчеты по оценке возможных материальных и социальных последствий при нарушении напорного фронта и необходимо предусмотреть мероприятия по снижению негативных последствий.

В проекте водонапорных ГТС следует предусмотреть локальные системы оповещения населения, проживающего в НБ, о прорыве напорного фронта.

ФИЛЬТРАЦИЯ В НЕСКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ ГТС

Задачи фильтрационных расчетов

Фильтрационные расчеты ГТС производят с целью определения:

1. фильтрационного  давления на подошву ГТС;

2. положения  кривой депрессии фильтрационного  потока в грунтовых плотинах  и на участках примыкания плотин к берегу;

3. фильтрационных  расходов;

4. градиентов  и скоростей фильтр. потока в  основании бет. сооружений, в теле  и основании земляных сооружений  и в зонах обходной фильтрации.

Определяемые расчетами фильтр. давление на бетонные сооружения и положения кривой депрессии в земляных сооружениях наряду с другими факторами позволяют установить устойчивость этих сооружений, а также наметить мероприятия по снижению их влияния на устойчивость. Фильтрационные расходы позволяют установить потери воды из водохранилища и необходимость выполнения тех или иных мероприятий для их снижения.

Сведения о градиентах и скоростях фильтр. потока при выходе его в НБ или дренажные устройства требуются для определения фильтр. прочности грунтов (выпор, суффозия, контактный размыв).

При фильтрационных расчетах ГТС важное значение имеют правильные в расчетных схемах гидрогеологических условий основания сооружений и береговых склонов, к которым примыкают эти сооружения (строение грунтов оснований, водопроницаемость грунтов, режим грунтовых вод в естественных условиях), а также характер и условия работы противофильтрационных устройств (проницаемость шпунтовых стенок, завес, понуров, экранов, диафрагм, бетона, возможность образования щелей и пр.)

Расчетные гидрогеологические  схемы фильтрации разрабатывают на основе данных инженерно- гидрогеологических изысканий. Существующие методы фильтр. расчетов делятся на три группы:  гидромеханические (основаны на математическом анализе и применяются для решения простых задач); гидравлические (приближенные) и экспериментальные.

Основные положения теории фильтрации.

Фильтрация воды в порах грунта происходит под влиянием силы тяжести при наличии разности напоров воды в отдельных точках потока

Движение фильтрационных вод подчиняется закону Дарси:

Q = kф ωl

Закон Дарси можно также выразить: υ = kф I, где υ = Q/ώ, где υ – фиктивная скорость фильтрации, отнесенная к полной площади сечения потока ω.

Действительная скорость течения воды в порах грунта: υ = υ/m где m – твердые частицы грунта.

Основное  диф. уравнение движения грунтовых вод выводят на основе закона Дарси без учета сил инерции.  Для установившегося плоского дв-ия эти уравнения имеют вид: