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.