14.5. Судоходные плотины, их типы и устройство

Судоходными плотинаминазывают плотины, создающие подпор воды при низких уровнях воды в реке и обеспечивающие безопасные условия пропуска судов при гарантированных габаритах судового хода.

Судоходные плотины поддерживают подпор воды в ограждаемой акватории и по продолжительности их работы могут быть с сезонным и суточным регулированием расходов.

Плотины с сезонным регулированиемрасхода поддерживают расчетные уровни воды в реке с гарантированной глубиной судового хода в течении определенного времени, например, в летнюю межень. Судоходные отверстия плотин в этом случае закрыты с возможностью частичного пропуска расхода воды через них, и движение судов может осуществляться только через судоходный шлюз, который устраивается без стенки падения. При уровнях воды выше судоходного (в паводок), а также в зимнее время судоходные отверстия открыты и позволяют пропускать полный расход воды в реке. В паводок судоходство осуществляется через отверстие плотины при естественных уровнях воды в реке.

Плотины с суточным регулированием расходаподдерживают расчетные уровни воды с гарантированной глубиной судового хода на мелководных участках рек в течение небольшого промежутка времени.

Эти плотины позволяют на определенный период повысить уровни воды в реке, создавая тем самым условия для безопасного прохождения судами перекатов и мелей. После прохождения судном опасного места, судоходное отверстие открывается, и в реке восстанавливается естественный уровень воды. Закрытие отверстия судоходной плотины для создания подпора и открытие его для пропуска судна осуществляется неоднократно в течение суток по мере подхода судов к опасным участкам. Поскольку движение судов осуществляется через судоходное отверстие плотины, то строительство судоходного шлюза в этом случае не предусматривается.

Наиболее широкое применение в составе транспортных гидроузлов при низконапорном варианте шлюзования получили судоходные плотины с сезонным регулированием расходов воды в реке. В их состав обычно входят: судоходная плотина, водосбросная и земляная плотины, судоходные шлюзы, рыбопропускные, водозаборные и другие гидротехнические сооружения.

Основными элементами судоходных плотин являются: искусственное основание (флютбет), береговые устои, стойки или быки и подвижные конструкции затворов различных типов.

Самые простейшие конструкции плотин, известные с XVIIIв., представляли собой деревянные щиты с подкосами, опирающимися на флютбет, которые использовались в основном для закрытия отверстий водосбросных и реже судоходных плотин. Щиты, поставленные в ряд, могли перекрывать значительные пролеты на высоту до 2,0 м. Плотины простейшего типа были весьма примитивными, требовали много ручного труда для их сборки и разборки и поэтому в течение долгого периода они постоянно совершенствовались.

Более совершенная конструкция щитовых затворов, используемая для перекрытия отверстий судоходных плотин, была предложена французским инженером Шаноаном в 1850 г. (рис. 14.5).

Рис. 14.5. Судоходная плотина с поворотными щитами:

1 – флютбет; 2 – шпунт; 3 – понур; 4 – порог; 5 – щит; 6 – подкос; 7 – рама; 8 – упор; 9 – рисберма.

Она состоит из щитов, свободно опирающихся на флютбет и шарнирно связанных с рамами, вращающимися около оси на флютбете; подкоса, шарнирно соединенного с рамой; упорной коробки на флютбете, которая служит упором для нижнего конца подкоса. В безнапорном состоянии конструкция затвора находится в сложенном виде на флютбете и защищена от потока, судов и плавающих предметов высоким порогом. При установке конструкции в напорное состояние нижней конец щита тянут при помощи лебедок или плавучего крана в сторону верхнего бьефа до тех пор, пока нижний конец подкоса не дойдет до упора коробки. Аналогичным образом действуют при выведении подкоса из упора во время укладки щитов.

Эксплуатация щитовых затворов с подкосами на флютбетах плотин была сложной и трудоемкой. Из-за частых поломок, в особенности подко-сов, затворы выходили из строя и их приходилось восстанавливать заново. Поэтому искали другие типы конструкций затворов судоходных плотин, более удобные и надежные в эксплуатации.

В XIXв. широко использовались судоходные плотины с крышевидными типами затворов (иногда их называют “дахверами”: немецкое слово “Dachwehr” означает крыша). Они были предложены американскими учеными Уайтом и Хазаром в 1818 г. Существует большое разнообразие конструкций крышевидных плотин, известных по имени инженеров изобретателей: Дюбуа, Кулея, Карро, Ланга, Паркера и др.

Судоходные плотины с крышевидными затворами представляют собой двухстворчатые клапанные затворы (рис. 14.6), идея создания которых связана с использованием гидростатического давления воды для маневрирования клапанами.

Рис. 14.6. Судоходная плотина с крышевидными затворами:

1 – верховой клапан; 2 – поплавок; 3 – низовой клапан; 4 – рисберма; 5 – флютбет; 6 – водопроводная галерея; 7 – ниша; 8 – понур из глины

Затвор состоит из двух клапанов (щитов), которые, вращаясь вокруг горизонтальных осей на флютбете, могут опираться друг на друга при закрытии судоходного отверстия или складываться в нишу при его открытии. При закрытии отверстия камера давления заполняется водой до необходимого уровня при помощи системы труб с задвижками, а при открытии, наоборот, – воду удаляют в нижний бьеф. В опущенном состоянии клапаны находятся в нише флютбета, не уменьшая судоходной глубины отверстия. Крышевидные затворы способны поддерживать подпор воды до 7-8 м при пролете отверстий до 100 м, имеют относительно неглубокую донную нишу и простую конструкцию, требуют мало времени для подъема и опускания клапанов (около 5 мин) и могут использоваться также для пропуска льда. К их недостаткам можно отнести: неудовлетворительную работу при большом количестве наносов, ограниченную ширину перекрываемых пролетов, плохую ремонтопригодность и большое число шарнирных соединений, постоянно находящихся под водой.

Рис. 14.7. Судоходная плотина с поворотными фермами:

1 – флютбет; 2 – шпунт; 3 – понур из глины; 4 – мощение камнем; 5 – порог флютбета; 6 – щиты; 7 – замок; 8 – настил мостика; 9 – поворотная ферма; 10 – рисберма из камня; 11 – песчано-гравийная подготовка

Наиболее распространенным типом плотин, в которых для перекрытия судоходных пролетов используются щиты, являютсяплотины с поворотными фермами. Идея создания такой плотины принадлежит французскому инженеру Поаре и впервые была реализована в 1834 г. во Франции на р. Йоанне у Бассевиля. Плотины типа Поаре (рис. 14.7) состоят из флютбета, в нише которого шарнирно закреплен ряд металлических ферм с шагом от 1,6 до 3,2 м; мостика, укладываемого на фермы в поднятом положении; затворов в виде щитов, спиц или штор, перекрывающих пролеты между фермами и устоев по концам флютбета (тонкого и толстого).

Фермы соединяются между собой при помощи замка тросом или цепью и поэтому могут лебедкой свободно подниматься в вертикальное положение или укладываются в нишу. Затворы с поворотными фермами являются простыми в конструктивном отношении и способны перекрывать отверстия судоходных плотин пролетом до 300 м. Плотины с поворотными фермами типа Поаре, построенные в XIXв. в России, эксплуатируются в настоящее время на реках Москве, Оке, Северском Донце, Дону, Цне и др.

К недостаткам плотин данного типа относятся: большое время установки и разборки (до 2-4 суток и более); неудовлетворительная работа при большом количестве наносов; неудобства в эксплуатации, при осмотрах и ремонтах.

Продолжительность установки и разборки плотины с поворотными фермами зависит в основном от операций укладки большого числа мостиков и щитов. С целью исключения этих операций французский инженер Томас предложил вместо ферм Поаре использовать плоские рамы.

Судоходные плотины с поворотными рамамисостоят из ряда плоских треугольных рам шириной от 0,6 до 1,0 м., также закрепленных на флютбете с помощью шарниров. В поднятом состоянии, прилегая вплотную друг к другу, рамы могут перекрывать большой судоходный пролет без дополнительных водоудерживающих щитов и секционных мостиков. Плотины Томаса позволяют сократить процесс их сборки и разборки, однако они не получили широкого распространения из-за неудобств в эксплуатации и более высокой стоимости. Этим плотинам присущи те же недостатки, что и плотинам с поворотными фермами.

В XXв. осуществлялась разработка и строительство судоходных плотин, основанных на использовании клапанных, сегментных опускных или подъемных, сегментных полноповоротных, цилиндрических и плоских затворов.

Клапанный затворсостоит из плоского щита (клапана), подкоса и гидроподъемника. Плотина, составленная из ряда клапанных затворов, способна перекрывать судоходный пролет шириной 120 м на высоту 6,0 м. Примером плотин, основанных на использовании клапанных затворов, может служить плотина, построенная на реке Сене вблизи Парижа, получившая название «мобильной плотины», а также мостовые плотины.

Мостовыми плотинамипринято называть плотины, судоходные отверстия которых могут перекрываться затворами различных типов, расположенными на мосту через реку. Мостовая плотина с клапанными затворами, осуществленная на гидроузле Молдова вблизи Моровица, (рис. 14.8) имеет массу затвора около 210 т., время подъема и опускания которого составляет 20 мин.

Рис. 14.8. Судоходная плотина мостового типа с клапанным затвором:

1 – мост; 2 – лебедка; 3 – шарнир; 4 – клапанный затвор; 5 – упор

Она состоит из клапанов, шарнирно закрепленных к нижнему поясу моста, и канатного механизма на мосту, предназначенного для их подъема или опускания. Подобного типа плотины построены на Нью-Йорском Барж – канале с шириной отверстий 64,0 м. и высотой 6,0 м. Основные недостатки клапанных затворов – плохая ремонтопригодность и наличие под водой шарнирных соединений.

Плотины с сегментными опускнымизатворами с осью вращения на флютбете являются удобными в части регулирования расходов воды в реке, пропуска судов, льда и плавающих тел. Сегментные затворы обладают большойжесткостью конструкций итребуютнебольших подъемных усилий.

Однако они нуждаются в устройстве глубокой ниши, плохо работают при большом количестве наносов, их ремонт и осмотр затруднен из-за наличия под водой осей вращения. При устройстве подъемных сегментных затворов с осями вращения на устоях или быках необходимость в устройстве глубоких ниш отпадает, однако для беспрепятственного пропуска судов ноги затворов иногда приходится удлинять больше, чем это требуется для целесообразности конструкции. Плотины с опускными и подъемными сегментными затворами осуществлены на р. Одере в Германии и р. Эльбе в Чехии, но в дальнейшем они не нашли широкого распространения из-за отмеченных недостатков. Ширина перекрываемых судоходных отверстий у существующих плотин не превышает 40 м при высоте до 4,0 м.

Плотины с сегментными полноповоротными цилиндрическими затворами уравновешенного типаявляются более удобными в эксплуатации, но их использование также ограничено шириной перекрываемого отверстия и создаваемым подпором воды.

Цилиндрические затворы использованы для перекрытия судоходного отверстия плотины на р. Майне у Швейнфурта в Германии: ширина отверстия 35 м при высоте 2,0 м. Для открытия или закрытия отверстия плотины затвор необходимо поднимать или опускать посредством качения по упорным поверхностям пазов устоев. Цилиндрические затворы обладают большой жесткостью конструкций и способностью хорошо сопротивляться значительным нагрузкам, однако имеют сложную конструкцию и неудобны в эксплуатации. Эти затворы, как и сегментные, пока не нашли широкого применения при устройстве судоходных плотин.

Более широкое использование при устройстве судоходных плотин нашли плоские затворы, из-за простоты конструкции, компактности и лучших эксплуатационных показателей по сравнению с другими типами затворов. Впервые плоские затворы были использованы при строительстве мостовых плотин. Мостовая плотина с плоскими стоечными затворами, построенная в 1920 г. на р. Одере вблизи Браславу, имеет судоходный пролет шириной 51,0 м, перекрываемый на высоту 4,17 м. Из существующих плотин данного типа наибольшие размеры пролетов имеет плотина в Нидерландах, построенная на р. Маас вблизи Гавра: два пролета шириной 51,8 и 63,9 м при высоте 4,8 м. Судоходные плотины с плоскими затворами в нашей стране осуществлены при реконструкции гидроузлов “Андреевка” и “Трудкоммуна” на Москворецкой шлюзованной водной системе. При реконструкции судоходные плотины с фермами Поаре, как устаревшие, заменены на плоские подъемные колесные затворы. Затвор перекрывает судоходное отверстие шириной 50 м при высоте 3,5 м и для безопасного пропуска судов поднимается над расчетным уровнем воды на высоту 10 м. Из существующих плотин данного типа наибольшие размеры пролетов имеет плотина гидроузла Астраханского вододелителя: два отверстия шириной по 110 м при высоте 9,4 м и надводным судоходным габаритом 20 м.

Достижения химической промышленности позволили в середине XXв. приступить к использованию в гидротехническом строительстве конструкций и элементов, изготовленных из синтетических материалов. К числу таких конструкций можно отнести наполняемые затворы, используемые при перекрытии отверстий судоходных и водосбросных плотин.Наполняемые затворыв судоходных плотинах (рис. 14.9) представляют собой замкнутые гибкие оболочки из прочных, чаще всего армированных синтетических тканей, закрепленных к бетонному порогу. Оболочки наполняемых затворов в судоходных плотинах закрыты с торцов и могут состоять из одной или нескольких секций.

Рис. 14.9. Судоходная плотина с наполняемым затвором:

1 – глиняный понур; 2 – устой; 3 – затвор из гибкого материала;

4 – флютбет 5 – рисберма; 6 – ковш; 7 – шпунт; 8 – анкерный болт

Для создания подпора внутрь оболочки под давлением, регулируемым насосной установкой, подается вода или воздух (иногда вода и воздух одновременно). При пропуске паводковых расходов оболочка укладывается на дно, и судоходство осуществляется также, как и по реке в естественном состоянии. Конструкция затвора из гибкого материала (прорезиненная ткань) наполняемого водой, предложенная американским инженером Имбертсоном, впервые была осуществлена в США при строительстве плотин на р. Лос-Анжелес в 1950 г. Затвор имел форму трубы диаметром 2,5 м и перекрывал пролет шириной 46 м, наполнялся водой за 10 мин. и опорожнялся за 25 мин.

Первый надувной затвор (из хлоропренкаучука на текстильной основе) был осуществлен в Румынии; он имел форму цилиндра и перекрывал пролет шириной 46 м на высоту 1,1 м. Наполняемые затворы существующих за рубежом судоходных плотин перекрывают пролеты шириной 50-60 м и поддерживают подпор воды до 5-6 м.

В России плотины из гибких синтетических материалов возводились на малых реках и использовались в основном для лесосплава и орошения сельскохозяйственных земель. Первые две плотины с наполняемыми тканевыми затворами были построены в Тюменской области на р. Китерне в 1966 и 1967 гг. В дальнейшем подобные плотины возводились в различных климатических зонах России: Татарстане, Мордовии, Башкирии, Дагестане, Якутии, в Алтайском и Красноярском краях, в Горьковской и Оренбургской областях.

Опыт эксплуатации наполняемых затворов в плотинах различного назначения показывает их высокую надежность в работе, и они могут найти широкое применение в гидротехническом строительстве.

182