книги из ГПНТБ / Максимов С.Н. Инженерные сооружения (с основами строительного дела) учеб. пособие

на по водопроницаемости предъявляются повышенные требования. Для обеспечения надлежащей водонепроницаемости перекрытий они обычно торкретируются, прокрашиваются цементным раство­ ром, битумом и т. п. В отдельных случаях их покрывают специ­ альными экранами. Бетон для возведения контрфорсов должен обладать повышенной морозостойкостью, так как эта часть соору­ жения всегда находится на воздухе.

Сопряжение напорного перекрытия с основанием —• весьма ответственный элемент сооружения и выполняется в виде зубазаглубления, доводимого до сохранных пород основания или до тела цементационной завесы. Противофильтрационные цементаци­ онные завесы, как правило, являются обязательным элементом сооружения, особенно при возведении плотин на скальном осно­ вании.

Так же как и в арочных плотинах, дренаж основания контр­ форсных плотин обычно не проводится. Однако при породах ос­ нования, способных терять устойчивость в зоне выхода фильтра­ ционного потока на дневную поверхность, устраивают специальные противосуффозионные устройства (обратные фильтры) и закла­ дывают системы разгружающих скважин.

Во время строительства в основание плотины и в конструк­ цию сооружения закладываются марки и пьезометры для наблю­ дения за деформациями и за фильтрационным потоком.

§ 5. ВОДОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Водохранилища по своей емкости бывают обычно меньше объема полного стока с прилегающей к нему водосборной площа­ ди, поэтому в период снеготаяния и выпадения ливневых и дру­ гих обильных осадков часть этого стока не может аккумулиро­ ваться водохранилищем, а должна сбрасываться в нижний бьеф. В крупных гидроузлах для сброса излишних вод в состав напор­ ных сооружений включаются водосливы, обеспечивающие пропуск необходимых расходов.

Однако во многих случаях, когда сброс вод нужно произво­ дить только в какие-то короткие периоды времени и сбрасываемые

недопущение подъема воды в водохранилище выше допустимого уровня и перелив ее через гребень плотины (для земляных пло­ тин такой перелив может оказаться катастрофическим).

Кроме пропуска излишних вод водосбросные сооружения мо­ гут использоваться для сброса в нижний бьеф льда, шуги и дру­

130

гих плавающих тел, а также для обеспечения необходимых гори­ зонтов воды на нижерасположенном участке реки. Водоспуски могут служить также и для полного опорожнения водохранилища, промыва наносов, отложившихся в верхнем бьефе, и для других

расхода, на пропуск которого должны быть рассчитаны отверстия водосбросных сооружений, является основным при проектирова­

венно около плотины и тогда излишняя вода сбрасывается в тот

понижения рельефа и т. п. Основными элементами открытого во­ досброса являются подводящий канал, водослив, гасители энер­ гии потока и отводящий канал.

Водослив водосброса обычно представляет собой бетонное сооружение широкого профиля с затворами, регулирующими го­ ризонт сработки, или без них. Вода, переливающаяся через водо­ слив, отводится в нижний бьеф, для чего сооружается канал с усиленным креплением. Часто такой канал должен выдерживать движения по нему воды, несущей лед и другие плавающие пред­ меты с высокими скоростями, поэтому и дно и борта его одевают бетонным или железобетонным покрытием. Для уменьшения ско­ ростей движения воды поверхности крепления придается повы­ шенная шероховатость, а на некоторых участках создаются пе­ репады разных конструкций, водобойные колодцы и другие уст­ ройства для гашения энергии сбрасываемой воды.

Закрытые водосбросы строят трех основных типов: шахтные, тоннельные и сифонные.

Ш а х т н ы е в о д о с б р о с ы устраивают обычно при соору­ жении водохранилища в узкой долине с крутыми бортами, сло­ женными скальными породами. Водосброс этого типа (рис. 74, а) состоит из водосливной воронки (с затворами для регулирова­ ния уровня воды в водохранилище или без них), шахты и отводя­ щего тоннеля. Все элементы шахтного водосброса одевают бетон­ ным креплением, проектирование которого ведется с учетом геоло­ гического строения участка и свойств пород, вмещающих соору­ жение.

Т о н н е л ь н ы е в о д о с б р о с ы (рис. 74, б) обычно строят с фронтальным забором воды в расширенный портал тоннеля, ооорудованный затворами. Наклонная часть тоннеля часто является безнапорной, а горизонтальная — напорной. Этот тип водосбро­ сов, так же как и шахтный, строят при сооружении плотин в гор­ ных условиях при развитии преимущественно прочных скальных

пород.

132

С и ф о н н ы е в о д о с б р о с ы (рис. 74, в) чаще всего строят в теле глухих бетонных плотин и лишь изредка в теле земляных плотин. Это водосбросы автоматического периодического дейст­ вия, начинающие работать после подъема воды выше определен­ ного уровня, при котором происходит заполнение сечения сифон­ ной части трубы. Трудности осмотра и ремонта, а также ряд других недостатков сдерживают широкое применение этого типа водосбросов.

Выбор типа водосброса производится после сравнения вари­ антов, и предпочтение, если возможно, отдается водосбросам от­ крытого типа. Закрытые водосбросы оказываются рентабельными только при сооружении их в прочных породах и при возможности использования тоннелей для отвода реки при строительстве пло­ тины.

Водоспуски по их конструкции можно разделить на следую­ щие типы: трубчатые, тоннельные, в виде глубинных отверстий или открытого водовыпуска. Первые три типа водоспусков всегда работают как напорные сооружения, т. е. полным сечением.

133

труб (рис. 75) с водозаборами башенного типа или без них. В ко­ нечной части водовыпуска устанавливают устройства для гашения энергии спускаемой воды.

Т о н н е л ь н ы е в о д о с п у с к и по условиям своей работы во многом сходны с трубчатыми, но располагают их вне тела пло­ тины в массиве берега.

Г л у б и н н ы е о т в е р с т и я , соединенные с короткими отрез­ ками труб, закладывают в глухих бетонных плотинах большого напора. В ряде случаев ими пользуются и для сброса излишних вод при нормальной эксплуатации гидроузла.

О т к р ы т ы е в о д о в ы п у с к и , сооружаемые в виде глубо­ ких водосливных отверстий, применяют при небольших напорах. Особенно часто подобные водовыпуски применяют при строитель­ стве ирригационных гидроузлов.

Выбор типа водовыпуска зависит от величины расчетного расхода, типа плотины, геологических условий, общей схемы орга­ низации строительных работ и ряда других требований.

§ 6. ЗАТВОРЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Затворами называются подвижные водонепроницаемые уст­ ройства, с помощью которых можно закрывать, открывать и ре­ гулировать величину водопропускных отверстий для изменения горизонта воды в верхнем бьефе и пропуска расхода в нижний бьеф. Затворы воспринимают давление воды и передают его на устои (быки) плотины, шлюза и т. п. Затворы применяют для перекрытия как поверхностных, так и глубинных (затопленных) отверстий.

Наиболее распространенные затворы современных гидротех­ нических сооружений по характеру движений можно разделить на движущиеся с поступательным движением, с вращением вок­ руг горизонтальной оси, с вращением вокруг вертикальной оси и с комбинированным перемещением.

134

Затворы с поступательным движением — это плоские щито­ вые затворы разных типов и конструкций (рис. 76, а), шандоры и др. К числу затворов с вращательным движением вокруг гори­ зонтальной оси относятся сегментные, секторные (рис. 76, в), клапанные и т. п. Шлюзовые ворота, цилиндрические и некоторые другие затворы — это механизмы, вращающиеся вокруг верти­ кальной оси. Вальцовые затво­

ких — в виде деревянных. Маневрирование затвора­

ми может осуществляться путем механического подъема и опуска­ ния с помощью кранов, моторных или ручных лебедок, а также механизмами гидравлического действия. Мелкие затворы, в част­ ности на ирригационных системах, на плотинах прудов и сельско­ хозяйственных водоемов поднимают и опускают иногда вручную.

По назначению различают затворы: основные •— постоянно работающие при эксплуатации сооружений; ремонтные — исполь­ зуемые временно и опускаемые обычно в стоячую воду; аварийные ■— то же, что и ремонтные, но опускаемые в текущую воду; строи­ тельные — используемые для перекрытия водопропускных отвер­ стий в строительный период.

Весьма распространены п л о с к и е щ и т о в ы е затворы, при­ меняемые на водосливных плотинах и устанавливаемые на пороге водослива или в специальных пазах для опускания и перекрытия глубинных отверстий. Маневрирование ими производится при по­ мощи подъемных механизмов. Такой же характер движения име­ ют ш а н д о р н ы е затворы, состоящие из брусьев, опускаемых по вертикальным пазам. Они применяются обычно в качестве ре­ монтных и строительных затворов, т. е. в слу-чаях, когда ими не

укрепленные на специальной конструкции и вращающиеся вокруг горизонтальной оси при помощи механического или гидравличе­ ского привода.

§ 7. МАШИННЫЕ ЗДАНИЯ

Машинное здание гидроэлектростанции является элементом гидроузла, в котором размещается основное энергетическое обо­

1 3 5

рудование, призванное перерабатывать энергию движения водного потока в электрическую. Производится это при помощи гидравли­ ческих турбин, соединенных с генераторами электрического тока. В современной гидроэнергетике применяется весьма широкий комплекс гидравлических турбин и генераторов от низкодо вы-

Рис. 77. Машинное здание:

/ — турбина; 2 — генератор; 3 — турбинная камера ; 4 — всасы ваю щ ая труба ; 5 — затворы турбины и всасы ваю щ ей трубы

соконапорных и от машин малой мощности до турбин, вращающих генераторы мощностью 500 тыс. квт (Красноярская ГЭС) и более (в одном агрегате). По своим конструктивным особенностям они тоже весьма разнообразны и могут быть с вертикальным и гори­ зонтальным положением оси вращения. Первые из них распростра­ нены больше.

Гидравлические турбины обычно являются реактивными и вращаются от реакции лопаток рабочего колеса, вызванной дав­ лением протекающей воды. По направлению движения чаще дру­ гих типов применяют радиально-осевые турбины, у которых вода входит через турбинные камеры и отводится специальными, пос­ тепенно расширяющимися трубами, называемыми всасывающими (рис. 77). Для эффективной работы гидравлической турбины

136

чрезвычайно важен режим водного потока, отходящего от рабо­ чего колеса, поэтому форма и размеры всасывающей трубы дик­ туются этими условиями. В связи с этим глубина заложения фун­ дамента машинного здания часто лимитируется не геологически­ ми условиями (в частности, не качеством грунтов основания), а необходимостью обеспечить надлежащую глубину расположения всасывающей трубы. Только по этим соображениям, даже в очень прочных скальных породах, фундаментную плиту дополнительно заглубляют в прочную породу, значительно ниже расположения плиты водосливной плотины (Братская и др.).

Подведение воды к турбинным камерам в приплотинных гидроузлах, так же как и в деривационных, производится при по­ мощи водоводов — обычно напорных турбинных трубопроводов.

Машинные здания приплотинных и деривационных ГЭС воз­ водят из бетона или железобетона. В большинстве случаев машин­ ный зал размещают в здании, защищающем машины от ветра, дождя, снега, пыли и т. п. Только в редких случаях строительства в мягких климатических условиях машинные залы ограждают очень легкими покрытиями. В ряде случаев, особенно при строи­ тельстве ГЭС в суровых климатических условиях и в горной мест­ ности, машинные залы располагают под землей. Такой тип машин­ ного здания особенно характерен при строительстве в горных районах деривационных гидроузлов.

В практике отечественного строительства гидроузлов на рав­ нинных реках при большом фронте бетонных водосливных пло­ тин получило развитие сооружение совмещенных машинных зда­ ний, располагаемых в теле водосливов.

Вмашинном здании кроме основного оборудования (турбина

игенератор) размещают много вспомогательного — краны для монтажа и ремонта, масляное хозяйство с насосными установка­ ми и т. п. Часто в непосредственной близости располагают повы­ шающие трансформаторы, обеспечивающие выход электроэнергии

в сети электропередачи и т. п.

§ 8. СПОСОБЫ ВОЗВЕДЕНИЯ ЕИДРОУЗЛОВ

Строительство гидроузла, в состав которого входит комплекс различных сооружений, представляет собой сложную инженерную задачу, которая решается при составлении специального проекта производства строительных работ. Весьма важным разделом это­ го проекта является выбор способа возведения сооружений, входя­ щих в гидроузел, и в особенности способ возведения бетонных сооружений, требующих для своего строительства разработки больших и глубоких котлованов. Эти строительные котлованы дол­ жны быть ограждены перемычками, обеспечивающими незатопление котлована в период паводка, а также оборудованы системами открытого или грунтового водоотлива, позволяющими вести рабо­

137

ты ниже естественного уровня вод в реке и грунтовых вод в толще пород, вскрываемой котлованом.

Задачи, стоящие перед проектом производства строительных работ, осложняются еще и тем, что период строительства захва­

и широкой механизации работ, обеспечение одновременного веде­ ния работ на нескольких участках гидроузла и т. п.

В проекте производства строительных работ одним из основ­ ных является выбор способа пропуска речных вод через терри­ торию гидроузла в период строительства. Здесь различают два основных способа: а) без отвода реки в сторону от русла и с про­ пуском строительного расхода по естественному (бытовому) руслу реки и б) с отводом реки по какому-либу искусственному сооруже­ нию (каналу, тоннелю, трубам, лоткам и т. п.).

Схемы возведения сооружения без отвода реки от естественно­ го русла в свою очередь можно подразделить на способы, требую­ щие применения перемычек, ограждающих котлован, в котором возводится бетонное сооружение, и способы, не требующие котлована. Возведение бетонных сооружений в котловане в русле реки под защитой временных строительных перемычек носит название метода секционных перемычек («перемычечный» метод). Применяют его обычно в долинах равнинных рек при достаточно широком русле, когда даже значительное его сужение перемыч­ ками, ограждающими строительный котлован, позволяет пропу­ стить бытовой расход реки (рис. 78). Обычно этим способом работы ведутся в две очереди. В первую очередь, отгородив при­ мерно половину русла реки тремя перемычками (продольной,

138

верховой и низовой), разрабатывают котлован, в котором возводят насухо часть бетонных сооружений (водосливную плотину, машин­ ное здание). В это время воды реки пропускаются через сужен­ ное русло. Во вторую очередь производят разборку перемычек и затопление котлована первой очереди и отгораживают перемыч­ ками ту часть реки, по которой пропускался строительный расход. В это время воды реки сбрасывают через водосливные отверстия (поверхностные или глубинные) уже выстроенной части бетон­ ных сооружений. В отгороженном котловане второй очереди ве­ дутся бетонные работы по возведению второй части сооружений.

По окончании второй очереди работ все перемычки разбира­ ют и затопляют котлован. После этого проводят закрытие водо­ сливных отверстий и постепенно поднимают уровень воды в во­ дохранилище до проектной отметки.

Если этот способ ведения работ применяют при сооружении гидроузла на судоходной реке, то во время первой очереди строи­ тельства судоходство происходит по суженному естественному руслу реки. Но в это время одновременно со строительством ос­ новной плотины ведут работы по судоходным сооружениям, вклю­ чая и устройства, обеспечивающие пропуск судов во время второй очереди работ.

При этом способе ведения работ перемычки, ограждающие котлован первой очереди, вызывают стеснение естественного рус­ ла, что сопровождается повышением скорости движения речного потока. Это может вызвать дополнительный размыв грунтов, сла­ гающих русло. Поэтому величину возможного стеснения проекти­ руют с учетом обеспечения допустимых неразмывающих скоростей движения воды или допустимой глубины размыва. Очевидно, что все эти проработки ведутся с учетом реального геологического строения участка предполагаемого размыва и размываемости грунтов, его слагающих.

Возведение бетонных сооружений описанным способом широ­ ко применяется в практике мирового гидротехнического строи­ тельства. Значительно меньшее распространение получило возве­ дение бетонных плотин бескотлованным способом, когда подводную часть бычков плотин строят путем опускания в воду готовых крупных блоков или путем применения кессонов. При любом из вариантов этого способа необходимо, чтобы основание было сложено весьма прочными (обычно скальными) породами, на которые можно было бы опирать тяжелые сооружения. В та­ ких условиях создание надежного сопряжения сооружения с ос­ нованием является чрезвычайно трудной задачей, могущей потребовать бурения цементационных скважин через достаточно мощную толщу уже уложенного бетона.

Пропуск строительных расходов при этом способе производ­ ства работ осуществляется через отверстия, остающиеся между возводимыми бычками плотины, а их закрытие ведется с помощью подводной укладки бетона. Есть примеры применения бескотло­

139