13.1. Водные ресурсы и водное хозяйство страны

Вода играет большую роль в народном хозяйстве и жизни человека. Запасы воды на Земле велики — это воды озер, морей и океанов; воды речного стока; грунтовые воды. Вода распределяется неравномерно по земной поверхности и во времени и может быть различного качества.

Из-за отмеченной неравномерности распределения воды часто приходится проводить ряд дорогостоящих инженерных мероприятий, преследующих цель получить воду в данном месте и в определенном ее количестве в определенный момент времени. Совокупность такого рода инженерных мероприятий образует определенную часть народного хозяйства, называемую водным хозяйством. Различают следующие четыре основные отрасли водного хозяйства: 1.

Гидроэнергетика, то есть использование движущей силы воды как источника энергии. 2.

Водный транспорт, то есть использование воды в качестве путей сообщения. 3.

Водоснабжение и канализация населенных мест. 4.

Водная мелиорация: использование воды для орошения земель (ирригация); отвод избыточных грунтовых вод с территории (осушение); использование воды для так называемого обводнения земель, то есть устройство отдельных водоемов сельскохозяйственного назначения.

Следует подчеркнуть, что один и тот же водный ноток может быть применен в разных отраслях народного хозяйства. Например, одна и та же река может быть использована как источник энергии, водный путь, для орошения земель, ведения рыбного хозяйства и т. д.

Отсюда вытекает важный принцип комплексности водохозяйственных мероприятий. Примером комплексного решения водохозяйственной проблемы является строительство (1932-1937 гг.) канала им. Москвы, который обеспечивает судоходство между Москвой-рекой и Волгой, водоснабжение Москвы, получение электрической энергии на ряде гидростанций, улучшение санитарных условий в столице и др. 13.2.

Общие понятия о гидротехнических сооружениях и их классификация

Гидротехническим сооружением называется инженерное сооружение, построенное для решения тех или других водохозяйственных задач.

Все гидротехнические сооружения (ITC) делятся на две категории (табл. 13.1): 1.

Общие ГТС, применяемые в двух или нескольких различных отраслях водного хозяйства. 2.

Специальные ГТС, используемые только в одной отрасли водного хозяйства.

Таблица 13.1. Категории гидротехнических сооружений Общие ГТС Специальные ГТС

Водоподпорные — создающие подпор воды, Гидроэнергетические — здания ГЭС, например, в русле реки (сюда относятся плотины уравнительные резервуары, строящиеся и некоторые дамбы, работающие как плотины) при ГЭС, и т. д.

Водопроводящие — искусственные русла Гидросооружения водного транспорта —

(каналы, туннели, лотки, трубопроводы) судоходные шлюзы, судоподъемники,

пристани, набережные, маяки, лесосплавные лотки и т. д.

Регуляционные — устраиваемые с целью Гидросооружения водоснабжения

регулирования режима водного потока, защиты и канализации — особые водоподъемники, его дна и берегов от размыва и т. д. насосные станции, очистные сооружения

и т. д.

Гидросооружения для целей инженерной мелиорации — гидромелиоративные сооружения (особые водоподъемники, шлюзы-регуляторы, дренажные устройства ИТ. д.)

Сооружения рыбного хозяйства — рыбоходы, рыбоводные пруды И Т. д.

Наиболее важным типом общего гидросооружения яатяется плотина с водопропускными и другими устройствами, создаваемыми при ней.

В связи с комплексностью решения водохозяйственных проблем и по целому ряду других соображении очень часто некоторые из перечисленных пиросооружения приходится группировать в комплексы. Такие комплексы гидросооружении называют гидроузлами. Особенно сложными бывают речные гидроузлы на равнинных реках: в них обычно входят плотина, здание ГЭС. судоходный шлюз, какой- либо водозабор (например, для орошения земель) и т. д. 13.2.1.

Основные цели устройства плотин

На примере гидротехнического сооружения в виде плотины удобно пояснить почти все общие гидротехнические принципы проектирования любых специальных гидросооружений.

Плотины устраивают с целью: ?

поднятия уровня воды в реке и регулирования этого уровня; ?

создания хранилища для воды (водохранилища).

Поднятие уровня воды в реке бывет необходимым: ?

при устройстве ГЭС; ?

для отвода воды из реки каналом на орошение земель; ?

для улучшения условий судоходства — увеличения глубины воды и уменьшения скоростей в реке; ?

для увеличения глубин в месте устройства водоподъемников гидромелиоративных систем и систем водоснабжения; с увеличением таких глубин условия забора воды из реки облегчаются; ?

по санитарным соображениям и т. д.

Плотины, построенные с целыо поднятия уровня воды в реке, называют водоподъемными.

Создание водохранилищ преследует следующие цели: ?

получить водоем для регулирования стока реки (в период многоводья вода скапливается в водохранилище; в засушливый же период эта вода расходуется из водохранилища, причем расход речной воды во времени выравнивается); ?

получить водоем, необходимый, например, для работы так называемых гидроаккумулирующих установок, для рыбного хозяйства и т. и. Уровень воды в водохранилище во время его эксплуатации может меняться.

Плотины, построенные для создания водохранилища, называют водохранилищ- ными.

В некоторых случаях одну и ту же плотину устраивают и для поднятия уровня воды в реке, и для образования водохранилища. Такая плотина будет и водоподъемной, и водохраиилищной. 13.2.2.

Основная классификация плотин

По своему назначению плотины бывают трех видов; водоподъемные, водохрани- ЛИ1ЦНЫС и водохранилищные и водоподъемные. Плотины отмеченных трех видов делятся на двс основные группы. 1.

Глухие плотины — это плотины, непосредственно через которые воду нс сбрасывают; пропуск воды через створ плотины (если он требуется) осуществляется береговыми водопропускными сооружениями или через отверстия, хотя и сделанные в теле плотины (или ее основании), но имеющие весьма малую ширину но сравнению с длиной плотины. 2.

Водосбросные (водопропускные) ПЛОТИНЫ — это плотины, по длине которых устраивают достаточно широкие (по сравнению с длиной плотины) водопропускные отверстия (безнапорные или напорные).

Глухие плотины можно классифицировать по различным признакам: 1)

по материалу, из которого возводится тело плотины; 2)

из грунтового материала, то есть из обычного грунта или каменной наброски; 3)

из бетона, то есть искусственного камня; 4)

из железобетона и т. д.

По конструктивным признакам и условиям статической работы различают: ?

гравитационные плотины (рис. 13.1, а), то есть плотины, устойчивость которых обеспечивается благодаря цх собственному весу, - горизонтальному гидростатическому давлению Р в данном случае противопоставляется сила сопротивления сдвигу 'Г, действующая на подошве секции плотины; эта сила зависит от веса С плотины: Тт/С + сЛ, где/ — коэффициент внутреннего трения грунта основания, с — удельное сцепление грунта; Л — площадь подошвы плотины; ?

контрфорсные плотины (рис. 13.1, б), устойчивость которых обеспечивается благодаря не только весу самой плотины С, но и весу воды С„ в объеме призмы; для этого контрфорсные плотины имеют большой уклон верховой грани; в конструктивном отношении они представляют собой ряд контрфорсов треуголь ной формы, на грани которых опираются плиты (или своды); ?

арочные плотины (рис. 13.1. в), работающие как свод, поставленный на торец и упирающийся своими пятками в скальные берега.

Т =/(G + GJ

Рис. 13.1. Классификация плотин по конструктивным признакам Водосбросные (водопропускные) плотины рЗЗЛИЧЯЮТСЯ Двух ТИПОВ (ВЗЯЙИСИМО“

сти от характера пропуска воды черех НИХ). ?

водослшные плотины, водосбросный фронт которых образован поверхностными отверстиями, - такие плотины главным образом и сооружаются, ?

водопропускные плотины, водосброс фронт которых образован глубинны-

ми (водопропускными) отверстиями.

В конструктивном отношении различают водосливные плотины: гравитационные, контрфорсные и арочные. 13.3.

Состояние гидротехнических сооружений Российской Федерации

В мире построено свыше 100 тыс. подпорных гидротехнических сооружений, в том числе около 35 тыс. больших и малых плотин. Многие крупные подпорные сооружения эксплуатируются длительное время (30-50 лет и более), а согласно статистическим данным, именно после этого срока возрастает вероятность аварии и разрушения плотины. Увеличение числа и размеров гидротехнических соружений обусловливает возрастающее значение проблемы безопасности населения, проживающего ниже напорных фронтов и дамб, и предотвращения крупных экологических катастроф.

Практика показывает, что невозможно со стопроцентной вероятностью гарантировать безаварийную эксплуатацию напорных гидротехнических объектов. В соответствии с графиком Минтопэнерго РФ в 1993 г. было проведено централизованное обследование состояния гидротехнических сооружений 26 тепловых и 9 гидравлических электростанций. По результатам обследования было выявлено около 20 гидротехнических сооружений, состояние которых не обеспечивает надежность и безопасность их дальнейшей эксплуатации. Наибольшее количество нарушений отмечается на водосбросных и водопропускных сооружениях электростанций. Основным видом повреждений является разрушение бетонных поверхностей конструктивных элементов сооружений, расположенных в зоне переменного уровня воды, нарушение целостности водогасительных устройств и креплений в нижних бьефах, в отдельных случаях с подмывом и опусканием бетонных плит и крепления откосов. Далее приводятся краткие характеристики технического состояния некоторых из обследованных гидротехнических сооружений.

Волжская ГЭС (г. Волгоград). Мощность — 2541 МВт. В состав гидроузла входят водохранилище полным объемом 31 450 млн м3 и бетонная плотина общей длиной 3249 м и максимальной высотой 47 м. Общее состояние гидротехнических сооружений удовлетворительное. Вместе с тем в блоках, эксплуатируемых более 30 лет, отмечается образование трещин (ширина раскрытия трещин до 0,3 мм), прогрессирует разрушение бетонных поверхностей водосливной плотины в зонах переменного уровня воды. Повреждена водосливная поверхность на участках строительных швов, глубина разрушений достигает 20-40 см с обнажением рабочей арматуры. Поверхности быков имеют повреждения площадью до 1 м3 и глубиной 15-20 см.

Череповецкая ГРЭС. Мощность 630 МВт. Отмечается повреждение бетонных подводных частей водозаборного ковша блочной насосной станции и небольшие разрушения поверхностного бетона быков водосливной плотины.

Орловская ТЭЦ. Мощность 330 МВт. Водохранилище объемом 3,96 млн м3. На момент обследования в аварийном состоянии была водосливная плотина гидроузла. Бетонные поверхности имеют разрушения глубиной более 10 см и многочисленные трещины с раскрытием до 5 мм.

Подобные повреждения конструкций отмечены и на многих других плотинах. 13.4.