Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Особенности и условия работы гидротехнических сооружений

Гидротехнические сооружения существенно отличаются от других инженерных сооружений тем, что подвергаются воздействию движущейся или находящейся в покое воды, причем водоподпорные гидросооружения испытывают наряду с вертикальными и большие горизонтальные нагрузки — от давления воды, отложившихся наносов и др. Вода оказывает на гидротехнические сооружения механическое, физико-химическое и биологическое воздействия.

Механическое воздействие воды проявляется в виде статических и динамических нагрузок на сооружение и его основание. Так, гидростатическое давление, воды на бетонную плотину со стороны верхнего бьефа является основной горизонтальной нагрузкой, которая может сдвинуть, разрушить сооружение, если не будут приняты меры к обеспечению его устойчивости (придана ему надлежащая масса и пр.).

При переливе через плотину (рис. 1.2,а) вода оказывает на ее элементы гидродинамическое воздействие, которое необходимо учесть, особенно при назначении параметров крепления нижнего бьефа (водобоя, рисбермы), часто требующегося и устраиваемого для предотвращения опасных размывов русла в нижнем бьефе. При этом возникает проблема эффективного гашения энергии сбрасываемого в нижний бьеф потока, причем в ряде случаев скорости потока до гасящих устройств достигают 25...30 м/с и более (см. гл. 4.1, 4.4).


Динамическим является и воздействие на гидротехнические сооружения образующихся в водохранилище ветровых волн. Оно также подлежит учету, например при назначении параметров крепления верхового откоса грунтовых плотин.

В районах, подверженных землетрясениям, возникают инерционные сейсмические нагрузки на сооружение— сейсмическое давление воды и инерционные силы, приложенные к массе самого сооружения; в сооружениях из грунта, насыщенного водой, появляется при этом и динамическое поровое давление.

При фильтрации воды в основании водоподпорного сооружения возникает фильтрационное давление, направленное снизу вверх. Оно уменьшает сопротивление сооружения сдвигу и должно учитываться при проектировании.

Фильтрационный поток в основании, а также в теле грунтовой плотины (рис. 1.2,6) может вызвать различные фильтрационные деформации грунта — суффозию, фильтрационный выпор грунта при выходе в нижний бьеф, контактные размыв и выпор. Сооружение должно быть запроектировано так, чтобы не возникало фильтрационных деформаций. Фильтрационные силы и положение депрессионной кривой следует учитывать и при расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин.

Зимой на сооружения могут действовать ледовые нагрузки — при термическом расширении сплошного ледяного покрова, навале ледяных полей при течениях и ветре; при динамических ударах отдельных льдин при пропуске через гидроузел ледохода; от нагрузок, возникающих от примерзшего ледяного покрова при колебаниях уровня воды (эти нагрузки могут повредить крепления откосов берегов и грунтовых плотин).

Влекомые водой наносы могут Истирать элементы обтекаемых поверхностей сооружения.

Физико-химическое воздействие воды может вызвать коррозию металлических конструкций, химическую суффозию в грунтах, содержащих легкорастворимые вещества (гипс, каменную соль), кавитацию и кавитационную эрозию, возникающую при больших скоростях потока и образовании значительного вакуума.

Биологическое воздействие воды, связанное с жизнедеятельностью имеющихся в ней организмов, может привести к гниению деревянных сооружений, зарастанию трубопроводов и пр.

Гидротехнические сооружения строят в условиях жаркого климата и суровых зим (с амплитудами колебаний температур 100°С и более), в районах с высокой сейсмичностью, при разнообразных гидрологических и геологических условиях. Это требует индивидуального подхода к проектированию, строительству и эксплуатации гидротехнических сооружений; тщательного учета всей совокупности местных условий; необходимости обстоятельных изысканий (особенно при проектировании крупных объектов). Указанное не исключает возможность и целесообразность определенной типизации сооружений (особенно мелких, массовых) и их отдельных элементов, что и нашло отражение в типовых проектах и ряде действующих нормативных документов.

Существенной особенностью многих гидротехнических сооружений является то, что во время их строительства приходится пропускать большие строительные расходы воды и лед через створ гидроузла, не прерывать судоходство, если река судоходная, и т. п. Это усложняет производство работ. К тому же современные гидроузлы и гидротехнические системы часто характеризуются большими объемами основных работ — бетонных, земельно-скальных (см. гл. 1.1). Это требует для сокращения сроков и экономичности строительства применения широкой механизации работ с использованием передовой техники (высокопроизводительных механизмов и пр.) и эффективных методов строительства. Очевидно, что как при проектировании, так и при строительстве гидротехнических сооружений (крупных и мелких) надо всемерно использовать достижения науки.

Надо учитывать, что гидротехнические сооружения, особенно крупные, являются весьма ответствеными и серьезная авария крупного водоподпорного сооружения может привести к весьма тяжелым последствиям с человеческими жертвами и большим материальным ущербом вследствие не только выхода из строя самих сооружений, но и разрушений волной прорыва населенных пунктов, промышленных предприятий и транспортных коммуникаций ниже по течению.

На практике такие аварии, к сожалению, были. Так, в 1889 г. разрушилась в США земляная Соутфоркская плотина в результате перелива воды через ее гребень при паводке (неправильно был установлен расчетный расход водосброса); погибло около 2500 человек. В 1928 г. в США разрушилась гравитационная плотина Сен-Френсис из-за выщелачивания гипса из глинистых конгломератов в основании; погибло 400 человек. В 1976 г. в США разрушилась каменно-земляная плотина Титон высотой 100 м из-за контактной фильтрации в основании и выноса заполнителя трещин.

Основными причинами известных аварий и повреждений гидротехничес- ских сооружений различных типов были: перелив воды через гребень грунтовых плотин; сосредоточенная фильтрация через тело плотины или основание; химическая суффозия; деформации и оползание откосов грунтовых плотин; сейсмические и волновые воздействия. Разрушения и повреждения стали возможными в основном в результате недостаточной изученности геологических условий, неправильного определения расчетных расходов водосбросов, некачественного производства работ, недостаточного учета в проектах и при строительстве ряда вопросов и многообразия местных факторов, неправильной эксплуатации сооружений. Большую роль в предотвращении серьезных аварий играют натурные наблюдения и исследования сооружений.

Строительство гидроузлов и гидросистем, особенно крупных, оказывает влияние на природные условия в прилегающей местности, в том числе и отрицательное. Это вполне закономерно, так как появление водохранилищ большой вместимости (например, объем Братского водохранилища достигает 179,1 км3, а Красноярского — 77,2 км3), распространение подпора от крупных гидроузлов на десятки километров, затопление и подтопление при этом земель, орошение -засушливых земель и осушение болот сказываются на животном и растительном мире в данном регионе, а в некоторой степени даже на климате. Например, после строительства Красноярского гидроузла на Енисее с большим водохранилищем в нижнем бьефе летом вода стала холоднее, чем была раньше, а зимой образуется незамерзающая полынья длиной около 40 км, вызывающая туманы, в определенной мере затрудняющие хозяйственную деятельность.

Влияние гидроузлов и гидросистем на прилегающий район обязательно должно быть оценено при их проектировании, должны быть предусмотрены мероприятия, направленные на недопущение или смягчение отрицательных последствий их строительства. В каждом крупном водохозяйственном проекте должны найти отражение и вопросы охраны окружающей среды.

Гидротехнические сооружения/Н.П. Розанов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков и др.; Под ред. Н.П. Розанова. — М.: Агропромиздат, 1985. — 432 с.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики