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

л и р о в а н и е русла с помощью различных выправительных соору­

пример, часть весеннего стока во время половодья задерживается в водохранилище, а в межень накопленная весной вода спускает­

рек плотинами, поднимающими уровень воды и превращении их в систему глубоких, с замедленным течением участков-бьефов.

На благоустроенном водном пути обычно применяют комби­ нированные способы улучшения судоходных условий.

Улучшение судоходных условий озер осуществляется путем расстановки знаков судоходной обстановки, дноочищения (удале­ ния с фарватеров камней и затонувших предметов) и дноуглубле­ ния на подходах к портам, к устьям и истокам судоходных рек. Устраиваются также прорези для получения транзитной глубины в самом озере. Увеличения глубины озера можно достигнуть так­ же и общим повышением уровня воды в озере, перегораживая пло­ тиной реку, вытекающую из озера.

В крупных водохранилищах, так же как и в крупных озерах, кроме того, устраивают порты-убежища, где суда могут отстаи­ ваться во время сильных штормов, в период между навигациями и т. п. В число искусственных водных путей кроме водохранилищ входят к а н а л ы , которые могут использоваться как только для

Таким образом, при создании водных путей производят гидро­ технические работы, которые могут либо незначительно, либо ко­ ренным образом менять режим водного потока.

Гидротехнические работы, связанные с коренным изменением режима водного потока путем строительства плотин и создания водохранилищ, обычно имеют комплексное назначение и решают проблемы водного транспорта вместе с энергетическими, иррига­ ционными и т. п. Рассмотрение этих работ и сооружений приво­ дится в главе IV «Гидроэнергетические сооружения». В данной главе рассматриваются сооружения и работы, связанные лишь с собственно водными путями, а также портовые сооружения и уст­ ройства, шлюзы и судоподъемники и оборудование берегов в пре­ делах порта и городских территорий.

§ 2. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

^Начало эксплуатации человеком водных путей относится к глуоокой древности. Морские путешествия с открытием континен­ тов и вообще познанием нашей планеты были развиты давно и

160

связаны с использованием водных путей и водного транспорта. Общеизвестны примеры водных путей и в Древней Руси (путь «из варяг в греки» и др.). Однако при этом использовались в основ­ ном естественные водные пути, без строительства специальных ин­ женерных сооружений, улучшающих условия судоходства, и без организации серьезного портового хозяйства.

Строительство сооружений, улучшающих водные пути, так же как и строительство портовых сооружений, началось позднее, ког­ да человечество научилось строить крупные суда, требовавшие больших судоходных глубин и специальных сооружений для при­ чаливания к берегу и производства погрузочно-разгрузочных ра­ бот. В связи с тем что крупные морские суда появились раньше, чем речные, морские порты также стали строить раньше, чем реч­ ные, и примеры таких портов известны с самых древних времен. Так, уже в IV в. н. э. на о. Крите в Средиземном море был мор­ ской порт. Несколько позднее, в период Римской империи, строи­ лись достаточно совершенные и сложные морские порты (Остия около Рима, Антиум и др.).

В России строительство портов и организация работ по улуч­ шению естественных водных путей начались со строительства на­ бережной в Архангельске в 1584 г. При Петре I был построен ряд

лоцкой шлюзовой системы. Позднее, в 1810—1811 гг. было откры­ то движение по Мариинской и Тихвинской водным системам.

Однако в дореволюционный период развитие водных путей и строительство портов велось очень медленно и к Великой Ок­ тябрьской революции наша страна располагала весьма несовер­ шенными сооружениями как на внутренних водных путях, так и в портовом хозяйстве.

Коренное изменение в развитии водного транспорта в нашей стране было положено планом ГОЭЛРО, принятым в 1920 г. и предусматривавшим наряду с электрификацией страны решение

в строй крупные гидротехнические системы — Беломорско-Балтий­ ский канал, канал им. Москвы, были развернуты работы по соо­

тельство новых портов (Сочи, Очамчира на Черном море, Бело­ морск на Белом море, Игарка и Дудинка на Енисее, Находка и Советская Гавань на Дальнем Востоке, Диксон, Тикси и другие на Северном морском пути).

6 161

С. II. Максимов

После Великой Отечественной войны были возобновлены работы по дальнейшему улучшению внутренних водных путей и совершенствованию портов. Так, были построены каскады гидро­ электростанций на Волге, Каме, Днепре, Немане, Даугаве и дру­ гих реках, обеспечивающие глубоководные пути по этим рекам. Проведена коренная реконструкция Волго-Балтийского водного пути. Начато строительство системы гидроузлов и других соору­

строятся крупные каналы, которые могут использоваться как вод­ ные магистрали: Манычский, Северо-Крымский, Иртыш — Кара­

ганда, Туркменский и др.

На созданных водохранилищах построены и строятся круп­ ные порты, способные обслуживать суда большой грузоподъемно­ сти: Казань, Горький, Рыбинск, Волгоград и др.

Морские порты Балтийского (Ленинград, Рига, Таллин, Бал­ тийск и др.), Черного (Одесса, Новороссийск и др.), Белого и Баренцева морей, а также Дальнего Востока (Владивосток, На­ ходка, Советская Гавань, Петропавловск-Камчатский) реконст­ руировались и продолжают реконструироваться с расширением их пропускной способности и доведением их до состояния, обеспе­ чивающего прием самых современных океанских кораблей боль­ шой грузоподъемности,

§3. СООРУЖЕНИЯ НА ВОДНЫХ ПУТЯХ

Внастоящем параграфе рассматриваются сооружения, обес­ печивающие движение водного транспорта по естественным вод­ ным путям и включающие знаки, отмечающие положение судово­ го хода — фарватера (судоходная обстановка), и сооружения,

выправляющие водный поток и тем самым обеспечивающие под­ держание необходимых глубин в пределах фарватера.

Судоходная обстановка призвана обеспечивать безопасное плавание судов. Различают обстановку морскую, озерную, реч­ ную, канальскую, а по месту установки — береговую и плавучую. Знаки судоходной обстановки по характеру действия могут быть зрительными, звуковыми и радиотехническими, по освещению — электрическими, ацетиленовыми или керосиновыми, а по режиму горения — постоянного горения или проблескивающими. Рас­ ставляются знаки обстановки таким образом, чтобы от каждого знака был виден следующий.

Наиболее фундаментальными знаками обстановки являются оереговые, к которым относятся одиночные маяки, створные и пе­ ревальные знаки, штормовые мачты и т. п. При этом морские и озерные маяки — наиболее мощные из них, требующие часто сложных инженерных работ.

В связи с тем что во многих случаях маяки и другие знаки

162

судоходной обстановки приходится располагать в прибрежной ак­ ватории, представляющей собой иногда устьевую часть рек с мощ­ ной толщей молодых слабоуплотненных осадков (водонасыщен­ ных илов или иловатых песчано-глинистых отложений), фундамен­ ты этих сооружений опираются на слабые и неустойчивые грун­ ты. Создание подобных фундаментов является сложной инженер­ ной задачей и требует проведения специальных инженерно-геоло­ гических исследований (см. главу III).

Выправительные работы проводят на реках. Основная зада­ ча заключается в воздействии на поток таким образом, чтобы обеспечить надлежащую глубину, ширину и форму русла. Дости­ гается это с помощью системы мероприятий, направляющих дви­ жение речного потока. Речной поток в процессе взаимодействия с руслом в одном месте размывает его, а в другом производит от­ ложение песчаных наносов. В результате в реке образуется чере­ дование глубоких мест (плесов) и мелких (перекатов).

Выправление рек ведется человеком уже более двух с поло­ виной веков и разработано несколько систем мероприятий, в ос­ нову которых положено использование транспортирующей способ­ ности водного потока, обладающего повышенными скоростями. Поэтому главным являются два принципа: 1) стеснение русла и 2) струенаправление. Система, основанная на стеснении русла, возникла в самом начале работ по выправлению и предусматри­ вала создание продольных и поперечных дамб, сужающих русло. Однако эта система не обеспечивала решения задачи, так как ни­ же по течению образовывался вынос и отложение наносов, что заставляло в дальнейшем проводить выправительные работы и на ранее спокойных участках. Кроме того, повышение скорости дви­ жения потока создавало трудности в движении судов вверх по течению. Выбор наиболее эффективного варианта мероприятий, в наибольшей степени учитывающий особенности движения данного потока, производится на основании детального изучения гидравлики этого движения в естественных условиях и путем пос­ тановки гидравлических испытаний на моделях. Такие модельные испытания проводят на специальных крупных гидравлических лот­ ках и полигонах, в которые кроме модели самой речной долины помещают модель сооружений. Движение водного потока в такой модели сопровождается перемещением наносов, чем проверяется эффективность работы проектируемых сооружений.

По конструктивным признакам выправительные системы де­ лятся на сооружения утяжеленного и облегченного типов. Первые возводят из грунта, хворостяной или тюфячной кладки, а наибо­ лее тяжелые — в виде каменной наброски. В настоящее время, кроме того, применяют свайные, сборные бетонные конструкции (главным образом тетраподы, плиты, блоки и т. п.), а также грунтоасфальт и грунтобетон.

Облегченные сооружения возводят главным образом из плет­ невых щитов, фашин и т. п.

Среди тяжелых (утяжеленных) выправительных сооружений наибольшее распространение получили дамбы и береговые укреп­ ления. Дамбы располагают в виде как продольных и струенаправ­ ляющих конструкций, так и поперечных полузапруд, шпор и т. п. (рис. 92). При строительстве таких сооружений часто применяют

хворостяные тюфяки, которые нагружают каменной или пес­ чаной наброской. Тело соору­ жения часто прошивают свая­ ми. Хворостяные тюфяки, так же как и фашины, хорошо со­ храняются под водой и очень быстро разрушаются при пере­ менном увлажнении и высыха­ нии, поэтому их укладывают в нижнюю часть дамбы, которая всегда находится под водой.

Береговые укрепления также могут быть разной капитально­ сти. Если они предназначены преимущественно для русловыправительных работ, то капитальные сооружения этого типа возводят в

а

Рис. 93. Берегоукрепление:

лее мощное крепление располагают в пределах горизонтов про­ хождения ледоходов, так как в это время речной поток в наиболь­

164

§ 4. К А Н А Л Ы

Каналом называют искусственное открытое русло правиль­ ной формы, построенное в выемке или в насыпи грунта.

По назначению различают каналы судоходные, ирригацион­ ные (обводнительные), осушительные, энергетические (подводя­ щие воду к гидроэлектростанции), водопроводные и комбиниро­ ванные. Назначение канала определяет его размеры. В настоя­ щем параграфе рассматриваются только судоходные каналы.

Рис. 94. Продольное сечение канала им. Москвы

Наиболее крупными обычно являются судоходные или комби­ нированные каналы.

Судоходные каналы по форме и размерам поперечного сече­ ния должны обеспечивать беспрепятственное прохождение по ним судов, передвижение плотов и т. п. Они подразделяются на каналы морские и внутреннего плавания, причем первые отлича­ ются от вторых только большими размерами поперечного сечения и большими глубинами.

Все судоходные каналы делятся на соединительные, подход­ ные и обходные.

С о е д и н и т е л ь н ы е каналы строят для морей или смежных бассейнов рек. Они обычно включают в себя такие сооружения, как плотины, шлюзы, насосные станции и другие, которые созда­ ют искусственные водохранилища и бьефы, обеспечивающие воз­

Балтийский каналы, Волго-Балтийский водный путь им. В. И. Ле­ нина и др. Подобные соединительные каналы имеются во Фран­ ции, США и других странах. Крупнейшими морскими соедици-

165

там, для входа в устья рек, для подхода к шлюзам. Среди под­ ходных каналов много морских, например каналы для подхода к Ленинградскому и Калининградскому портам, для входа в устье

Рис. 95. Морские соединительные каналы:

а — Кильский; 6 —Панамский

рек Волги и Урала и др. Подходные каналы могут быть открыты­ ми и защищенными и обычно бывают без шлюзов.

О б х о д н ы е каналы сооружают для обхода какого-либо препятствия при движении судов и могут быть как со шлюзами, так и без них. Типичными примерами обходных каналов являются Приладожский, Онежский и Белозерский, позволяющие речным судам обходить крупные озера, в которых часто бывает неблаго­ приятный ветро-волновой режим, мешающий нормальному судо­ ходству.

Поперечное сечение и глубина воды в канале определяются в зависимости от габаритов судов, двигающихся по нему, и регла­ ментируются соответствующим разделом СНиП. Наиболее распро­ страненная форма сечения канала трапецеидальная, однако она неустойчива и в процессе эксплуатации канала в результате раз­ мыва постепенно меняется на ложбинообразную.

По отношению к естественной поверхности местности, по ко­ торой проходит канал, ложе его может располагаться ниже этой

и долин рек иногда канал приходится поднимать выше естествен­

166

ной поверхности, располагая его в насыпи (рис. 96, г). Такое решение, так же как и расположение канала в глубокой выемке, является тяжелым и требует проведения больших объемов зем­ ляных работ.

Устойчивость откосов канала, зависящая прежде всего от геологического строения массива пород, слагающих откос, и их ме-

а

в

'tW /vW /tf.

Рис. 96. Попереч­ ные профили кана­ лов:

а — в глубокой вы­ емке; о — в мелкой выемке; в -- в полувыемке - полунасыпи; г — в насыпи; 1 -- бермы; 2 — кюветы;

3— противофильтрзционные экраны

ханических свойств, представляет собой сложный вопрос. В пре­ делах части откоса, затопленной каналом, одним из важных факто­ ров, определяющих устойчивость, является размывающая дея­ тельность потока, двигающегося по каналу. Более высоко располо­ женная часть откоса проектируется как откос выемки, но с уче­ том гидродинамических сил грунтовых вод, дренируемых выемкой (если такие воды имеются). Еще более сложно расположение ка­ нала на косогоре. Хотя примеров такого расположения судоход­ ных каналов почти не известно, но в этом случае должна рас­ сматриваться устойчивость всего косогора вместе с каналом с про­ веркой на случай возможного изменения свойств грунтов, слагаю­ щих косогор, под влиянием вод, инфильтрующихся из канала.

Трасса канала в плане должна быть по возможности прямо­ линейной. Однако на практике она всегда имеет повороты и из­

167

гибы. Для того чтобы судно могло преодолеть эти закругления, их

радиус должен быть не менее трех длин судна.

Если канал соединяет два водоема с одинаковыми отметками уровня воды, то он является горизонтальным и называется откры­ тым. Если уровни водоемов лежат на разных отметках, то про­ филь канала должен иметь ступенчатую форму, а сам канал — шлюзы. Такой канал (см. рис. 94) будет называться шлюзован­ ным. Средняя, возвышенная часть канала, расположенная на во­ доразделе между реками, соединяемыми каналом, называется во­ дораздельным бьефом. Питание такого водораздельного бьефа может быть естественным за счет имеющихся озер (как, напри­ мер, на Беломорско-Балтийском канале) или за счет подкачки в него вод мощными насосными станциями (как на канале

им. Москвы).

Берега канала подвергаются воздействию течения при шлюзо­ вании и накачивании воды, придонного течения от действия судо­ вых двигателей (в условиях стеснения русла корпусом судна), ветровых и судовых волн и т. п., в результате чего может проис­ ходить разрушение берегов. Поэтому берега канала укрепляются защитными одеждами — обычно это бетонные плиты на щебни­ сто-гравийном фильтрующем основании. Кроме того, по берегам канала проводят посадки древесной и кустарниковой растительно­ сти и посев трав, что укрепляет поверхность грунтов, слагающих берега, и снижает вредное влияние ветров, вызывающих образо­ вание волн и затрудняющих движение судов.

В целях безопасности судовождения по каналам на берегах и на воде устанавливают судоходную обстановку.

Маневрирование количеством воды в канале производится с помощью водосбросов и водоспусков, располагаемых через опре­ деленные промежутки по длине канала. Конструктивно это малые плотины с щитовыми затворами.

На случай аварии и ремонта определенного участка канала и во избежание необходимости опорожнения всего канала он раз­ бивается на отдельные участки, отделяемые заградительными (аварийными) воротами. По конструкции они аналогичны шлюзо­ вым воротам и обеспечивают быстрое перекрытие сечения ка­ нала.

§ 5. ШЛЮЗЫ И СУДОПОДЪЕМНИКИ

Шлюзование рек — одно из основных мероприятий, корен­ ным образом улучшающих судоходные условия. Оно состоит в постройке плотин, поднимающих уровень воды на определенном участке реки, и к а м е р н ы х шл юз о в , обеспечивающих переход судна с одного уровня на другой.

Для обеспечения необходимых судоходных глубин в меженное Бремя на шлюзованном участке реки возводится ряд плотин со шлюзами при них (рис. 97). Местоположение и высоту этих соору­

168

жений выбирают так, чтобы подпор, создаваемый нижерасполагаемой плотиной, распространялся до вышерасполагаемой. Инже­ нерно-геологические условия являются одним из основных и часто решающих факторов в выборе места расположения гидроузла, а следовательно, и определяющими в установлении высоты плотины.

а — продольный профиль; б — план; 1 — плотина; 2 — шлюз; 3 — канал; 4 — меженный уровень после шлюзования; 5 — меженный уровень до шлюзования; 6 — фарватер до шлюзования; 7 — фарватер после шлюзования

Плотины со шлюзами делят реку на ряд соприкасающихся между собой участков — б ь е фо в . По отношению к плотине раз­

Во многих случаях шлюзование входит в общий комплекс ис­ пользования ресурсов водного потока и в долине реки создается каскад крупных водохранилищ с плотинами, располагаемыми на большом расстоянии друг от друга. В этом случае режим речного стока меняется настолько сильно, что обеспечение судоходных глубин в меженное время в нижнем бьефе производится путем пропусков воды через сооружения. Примером такого комплексного использования рек являются каскады гидротехнических сооруже­ ний на Волге, Днепре, Ангаре, Иртыше и других реках.

При шлюзовании рек только для улучшения судоходных ус­ ловий не прибегают к возведению высоконапорных сооружений, а строят плотины высотой до 5—8 м. В этом случае стремятся выбрать напор так, чтобы вода в верхнем бьефе не выходила за

169