2. Поняття про гідротехнічні споруди та їх класифікація

Гідротехнічні споруди — це інженерні споруди, які призначені для використання природних водних ресурсів (ґрунтових вод, річок, озер, морів) або для попередження шкідливої дії води на оточуюче середовище (розмив берегів, повені, селі). За їх допомогою можна безпосередньо керувати водотоками і водоймами у відповідності з вимогами користувачів (регулювати рівень і витрату води, режим наносів, змінювати напрямок водного потоку, здійснювати пропуск криги тощо).

Гідротехнічні споруди будуються в найрізноманітніших геологічних, гідрологічних і кліматичних умовах, тому їх типи і конструкції досить різні (всього нараховується більше 100 типів гідротехнічних споруд).

За місцем розташування гідротехнічні споруди діляться на річкові, морські, озерні, ставкові, внутрісистемні і підземні.

За характером функцій, що ними виконуються, розрізняють наступні види гідротехнічних споруд: а) водо підпірні — для створення напору води (греблі, дамби); б) водопровідні — для подачі води до місця її споживання (канали, тунелі, лотоки, трубопроводи); в) водозабірні — для забору води із водотоків і водойм; г) водоскидні — для скидання надлишкової води, а також для корисних попусків у нижній б'єф (водозливи, глибинні і сифонні водоскиди); д) регуляційні (виправні) — для укріплення берегів і регулювання взаємодії річкового потоку з руслом або регулювання дії хвиль та течій на береги- водойм (берегоукріплювальні споруди, струминонапрямні дамби, шпори).

Внутрісистемні (або мережеві) меліоративні споруди поділяються на регулюючі (водовипуски, вододільники, підпірні споруди, які регулюють рівні води та інші), водопровідні (тунелі, труби, акведуки, дюкери, лотоки, зливоспуски) і спрягаючі, що призначені для гасіння енергії на ділянках каналів, які мають великий нахил (швидкотоки, перепади та інші).

За цільовим (водогосподарським) призначенням всі гідротехнічні споруди діляться на дві групи: загального призначення і спеціальні. Споруди загального призначення, до яких відносяться водопідпірні, водопровідні і регуляційні, використовуються для потреб різних галузей водного господарства, а спеціальні — для потреб будь-якої однієї галузі водного господарства. Розрізняються спеціальні гідротехнічні споруди: меліоративні (канали, насосні станції та інші споруди, які призначені для зрошення, обводнення і осушення земель), водноенергетичні (будівлі гідроелектростанцій, зрівнювальні резервуари, дериваційні канали та інші споруди, які призначені для використання водної енергії), водно-транспортні (канали, шлюзи, суднопідйомники, моли, хвилеломи, пристані та причали), лісосплавні (лотоки, колодоспуски, запані, бони), рибогосподарські (рибопідйомники, рибоходи, рибоводні ставки), для водопостачання та водовідведення (водозабори, насосні станції, канали, водонапірні башти, колектори, очисні споруди), для боротьби з повенями, селями, ерозією грунтів (захисні дамби, зливоспуски), для використання ґрунтових вод (підземні водозабори та інші), для створення шламонакопичувачів та хвостосховищ (дамби, трубопроводи, водоскиди тощо). В деяких випадках будуються так звані суміщені споруди, які виконують одночасно декілька функцій, наприклад суміщені гідроелектростанції, які мають водоскидні отвори тощо.

За умовами використання гідротехнічні споруди у відповідності із нормами [ 1 ] діляться на постійні і тимчасові. Постійні споруди використовуються при постійній експлуатації об'єкта, а тимчасові — лише в період його будівництва чи ремонту. Постійні гідротехнічні споруди поділяються на основні і другорядні. До основних відносяться гідротехнічні споруди, ремонт або аварія яких призводить до повної зупинки роботи об'єкта або суттєво знижує ефект його дії (греблі, водоскиди, канали, тунелі, будівлі гідроелектростанцій, регулятори, насосні станції, водоприймачі), а до другорядних — гідротехнічні споруди і їх окремі частини, припинення роботи яких не веде до важких наслідків (берегоукріплювальні споруди, ремонтні затвори, службові містки, які не несуть навантаження від підйомних механізмів, льодозахисні пристрої).

За капітальністювсі постійні гідротехнічні споруди діляться на чотири класи (з І по IV), а тимчасові відносяться до V класу. Клас капітальності постійних гідротехнічних споруд встановлюється згідно нормативів [1] в залежності від їх народногосподарського значення з врахуванням наслідків їх аварій чи порушень експлуатації. Для водопідпірних споруд клас капітальності визначається за таблицею 2.1 в залежності від їх висоти і типу основи і за таблицею 2.2 в залежності від наслідків порушення експлуатації, причому клас основних споруд приймається більшим із визначених за таблицями 2.1 і 2.2.

Клас капітальності основних гідротехнічних споруд може бути зниженим (крім споруд IV класу) або підвищеним у порівнянні з встановленим по таблицях 2.1 і 2.2. При цьому беруться до уваги народногосподарське значення об'єкта, строк його служби, умови експлуатації, можливі наслідки аварії [1].

Якщо аварія тимчасової споруди може викликати катастрофічні наслідки або призвести до суттєвої затримки зведення основних споруд об'єктів І, II і III класів, то при відповідному обгрунтуванні допускається підвищувати клас його капітальності до IV.

В залежності від класу капітальності споруди у відповідності з діючими нормативними документами визначається склад і об'єм вишукувань і проектних робіт, встановлюються коефіцієнти запасу при розрахунках міцності і стійкості, визначаються розрахункові витрати води, вибираються вид і якість матеріалів, які використовуються при будівництві.

Гідротехнічні споруди розрізняються також за основним матеріалом, який використовується для будівництва (земляні кам'яні, бетонні, стальні, дерев'яні та інші), за способом зведення (насипні, намивні, побудовані методом направленого вибуху, монолітні, збірні та інші).

Окремі типи гідротехнічних споруд класифікуються по висоті і за конструктивними прикметами. Ці класифікації наводяться у відповідних розділах підручника.

Особливості і умови роботи гідротехнічних споруд

Гідротехнічні споруди на відміну від інших інженерних споруд працюють у постійному контакті з водою, що рухається або знаходиться в стані спокою, і яка чинить на них механічну, фізико-хімічну і біологічну дію.

Механічна дія води проявляється у вигляді статичних і механічних навантажень, які в значній мірі визначають форму і розміри споруди, і в першу чергу, повинна враховуватися при будівництві підпірних гідротехнічних споруд, які після заповнення водосховища опиняються під напором і зазнають тиску води. Так, гідростатичний тиск, що діє в горизонтальному напрямку зі сторони верхнього б'єфа, намагається зсунути або перекинути споруду. Заповнення водосховища призводить до зміни природного режиму руслового потоку і ґрунтових вод як у верхньому, так і в нижньому б'єфах, що безпосередньо впливає на роботу водопідпірних споруд. Швидкість течії у водосховищі внаслідок збільшення глибини значно зменшується у порівнянні з природними умовами, однак на підході до водоскидних споруд вона збільшується і може викликати розмиви дна у верхньому б'єфі (така небезпека виникає, наприклад, при пропусканні води крізь донні отвори), що потребує в необхідних випадках влаштування перед спорудою кріплення. При проходженні потоку з великими швидкостями (20...ЗО м/с і більше) через водозлив виникають динамічні навантаження на споруду, а в нижньому б'єфі енергія потоку може викликати розмиви грунтів основи, які досить небезпечні для споруди, тому в таких випадках необхідні відповідні захисні заходи (наприклад, влаштування водобою, рисберми). Динамічні навантаження на гідротехнічні споруди виникають також при ударах хвиль, при русі фільтраційного потоку в основі і тілі споруди, при дії сейсмічних сил під час землетрусу, які крім безпосередньої дії на споруду викликають додаткові інерційні сили в прилеглих до неї масах води, а в спорудах із грунту, насиченого водою, зумовлюють появу динамічного порового тиску.

В зимовий період можливе виникнення статичних навантажень на споруду при термічному розширенні суцільного крижаного покрову або при навалі крижаних полів під дією вітру і течії, динамічних навантажень від ударів плаваючого льоду при пропуску його крізь гідровузол, а також навантажень від примерзлого крижаного покрову при коливаннях рівня води, які можуть призвести до порушення кріплення укосів земляних гребель.

При фільтрації води в основі споруди виникає так званий протитиск — фільтраційний тиск, направлений знизу вверх, який зменшує опір споруди зсуву, що залежить від ваги самої споруди. Фільтраційний потік може викликати в грунтах основи різноманітні види фільтраційних деформацій: механічну і хімічну суфозію, випір грунту при виході фільтраційного потоку в нижній б'єф, контактний розмив. Великий вплив чинить фільтраційний потік на роботу земляних гребель, значна частина яких знаходиться в зоні його дії. Пошкодження таких споруд, які спостерігаються на практиці, часто пов'язані з фільтрацією води. Наприклад, фільтраційні сили поруч із силами тяжіння можуть викликати обвал укосів гребель, можливі різні види фільтраційних деформацій таких споруд.

Фізико-хімічна дія води викликає корозію металевих елементів, кавітацію, яка може виникати в зонах, де потік обтікає споруду з великими швидкостями і утворюється значний вакуум, хімічну суфозію в грунтах основи, які містять легкорозчинні речовини (кам'яну сіль, гіпс) тощо.

Біологічна дія води пов'язана з життєдіяльністю різних організмів, що в ній живуть. В результаті може відбуватися заростання трубопроводів, гниття дерев'яних споруд тощо.

Неоднакова дія води на гідротехнічні споруди в поєднанні з рядом інших можливих дій (сейсміка, коливання температури тощо) і найрізноманітнішими кліматичними, інженерно-геологічними і гідрологічними умовами будівництва зумовлює необхідність індивідуального підходу до проектування кожної споруди. Це, звичайно, не виключає можливості і необхідності використання типових проектів різних споруд і окремих елементів, до яких ставиться ряд загальних, обов'язкових вимог, які відображені в діючих нормативних документах.

Будівництво гідротехнічних споруд, особливо великих гідровузлів і гідросистем, суттєво впливає не тільки на економіку цілих районів, але й на природні умови навколишніх територій. Поява великих водосховищ з величезними запасами води, розповсюдження підпору від великих гідровузлів на десятки кілометрів вверх за течією, зрошення безводних земель і осушення боліт перетворює рослинний і тваринний світ району, змінюючи в зонах великих водосховищ в певній мірі навіть клімат.

Гідротехнічні споруди відносяться до числа найбільш відповідальних. Аварія великої підпірної споруди може призвести до найважчих наслідків, пов'язаних з людськими жертвами і необхідністю відбудови самої споруди, а також промислових об'єктів, транспортних магістралей і населених пунктів, розташованих нижче за течією.

За останні 200 років на земній кулі зареєстровано понад 300 випадків руйнування гребель. В 1889 році при руйнуванні земляної Соутфоркської греблі в США внаслідок переливу води через гребінь загинуло біля 2500 людей. Ряд великих аварій сталося в останні роки (руйнування гребель Мальпассе у Франції, Тітон в США та інші).

Відомі аварії гідротехнічних споруд різного типу були викликані, в основному, наступними причинами: переливом води через гребінь, зосередженою фільтрацією крізь тіло споруди чи основу, хімічною суфозією, деформаціями і сповзанням укосів земляних гребель, сейсмічними та хвильовими діями. Руйнування внаслідок вказаних причин стало можливим, головним чином, через недостатнє вивчення інженерно-геологічних умов в створах споруд, що проектуються, і районах водосховищ, неправильного врахування всіх факторів, які впливають на роботу споруди, низької якості виробництва робіт. Вказані питання вимагають пильної уваги з боку інженерів-гідротехніків.

Гідротехнічні споруди мають ряд особливостей, пов'язаних з виконанням робіт при їх спорудженні. Будівництво в межах водних просторів вимагає забезпечення пропуску будівельних витрат і судноплавства на водних магістралях з великим вантажообігом. Прийнята схема пропуску будівельних витрат в значній мірі визначає календарний план будівництва.

Гідротехнічне будівництво відрізняється масовістю основних робіт. До числа основних відносяться бетонні і земельно-скельні роботи, які складають за вартістю і трудомісткістю до 80 % загального об'єму робіт. Очевидно, що такі роботи можуть бути виконані в достатньо короткі строки тільки при умові їх максимальної механізації, що базується на комплексному використанні високопродуктивних механізмів.