2. Варианты компоновки гидроузла

Различают три основных типа компоновки: пойменную, русловую и береговую, отличающихся расположением основных бе­тонных сооружений гидроузла по отношению к руслу реки. За­метим, что по ряду причин редко удается осуществить тот или другой тип компоновки в чистом виде. Чаще поэтому встре­чаются так называемые смешанные решения. Ниже приводится не­сколько примеров компоновок.

Для равнинных рек с широкой поймой, т.е. в" широких створах, для которых (где L - ширина долины в створе, H - напор на гидроузле), целесообразно применение внерусловых, пойменных компоновок с перекрытием русла (час­тично или полностью) земляной плотиной. Дно и борта долины у таких створов чаще всего сложены нескальными породами. При наличии выходов в створе гидроузла скальных пород целесообразно наиболее тяжелые - бетонные сооружения располагать на скале.

Здесь чаще всего встречаются следующие основные разновидности указанного типа компоновки:

а) долина реки с широкой односторонней поймой (рис. 1).

Все сооружения расположены рядом, в указанной на рис.1 последовательности и возводятся одновременно. Строительный расход и судоходство пропускаются через нестесненное русло реки. При этом надо стремиться обеспечить возможность ввода части агрегатов ГЭС в эксплуатацию сразу после образования частичного напора - за счет перекрытия русла земляной пло­тиной и направления строительного расхода в отверстия водосливной плотины с тем, чтобы возможно раньше (за счет выра­ботанной энергии) начать окупать сделанные капиталовложения. Водосливная плотина достраивается обычно методом гребенки. Шлюз двух ниточный, с расположением камер в верхнем бьефе от­носительно напорного фронта гидроузла, что позволяет обеспе­чить по гидроузлу авто- и железнодорожный переходы. Пункти­ром показана трасса расположения третьей - резервной нитки шлюза и соответствующее уширение при этом нижнего подходно­го канала, определяющее границы зоны отчуждения земель.

Стрелки показывают возможность сброса всей сливной призмы в нижний подходной канал при малом напоре и частично или пол­ностью помимо канала при среднем или высоком напоре на гид­роузле. Существенная экономия капвложений в последнем слу­чае достигается тем, что сброс воды требующих до­полнительного усиления осуществляется на мощ­ный водобой и рисберму водосливной плотины, не

С целью исключить перерыв судоходства в створе гидроуз­ла конструкция верхней головы шлюза должна допускать возможность наращивания ее стенки по мере повышения уровня верхне­го бьефа. В связи с указанным возникает необходимость дноуг­лубительных работ с целью создания подходного канала для вре­менного судоходства.

Для пропуска скоростного и мелкота флота предусмотрено самостоятельное судоходное сооружение вне основной судоход­ной трассы гидроузла, что существенно улучшает условия и бе­зопасность плавания как большегрузного, так и мелко тоннажного и скоростного флота.

Рис.1. Схема компоновки низко- и средненапорного гидроузла в долине с односторонней поймой:

1 - ГЭС; 2 - водосливная плотина; 3 - судоходные сооружения; 4 - аванпорт; 5 - земляная левобережная плотина; 6 - ось резервной нитки шлюза; 7 - граница судоходного канала после сооружения резервной нитки; 8 - нижний подходной канал; 9 - русло реки; 10 - земляная русловая плотина; 11 - трасса судоходного сооружения для скоростного и маломерного флота; 12 -граница коренного берега долины; 13 - дамбы- волноломы аванпорта; 14 - подходной канал на период временного судоходства; 15 - выемка грунта; 16 - отводящий канал ГЭС и водосливной плотины

б) долина реки с двухсторонней поймой (рис. 2), позволяющая разместить все сооружения гидроузла по одну сторону русла. Работы ведутся на разных берегах, что требует развертывания обычно двух строительных площадок, часто с самостоятельными бетонными заводами. Все основные сооруже­ния возводятся одновременно. Как и в предыдущем случае, обес­печивается частичный ввод в эксплуатацию ГЭС до завершения работ по бетонной плотине и непрерывность судоходства в пе­риод возведения гидроузла.

Для обеспечения благоприятных условий отвода воды в нижнем бьефе водосливной плотины и ГЭС напорный фронт гид­роузла принят непрямолинейным. Шлюз двух ниточный, располо­жен в нижнем бьефе относительно напорного фронта гидроузла, что облегчает статическую работу камер и обеспечивает их бо­лее экономичную конструкцию. Указанное обстоятельство стало возможным благодаря пропуску через гидроузел только автодо­рожного перехода, допускающего закругления дороги со сравни­тельно небольшими радиусами.

Вследствие значительного удаления шлюза от русла реки, опорожнение камер помимо подходного канала при больших сброс­ных расходах потребует значительных капиталовложений, для предотвращения возникновения тяжелого волнового режима в ка­нале может оказаться целесообразным устройство регулирующе­го бассейна (рис. 2).

в) долина реки с многорукавным руслом (рис. 3).

Очередность работ аналогична рассмотренным выше вариан­там. Ограниченная ширина правобережной поймы заставляет раз­местить водосливную плотину и ГЭС по разные стороны главного русла. При узкой правобережной пойме может оказаться целесо­образным разместить все основные сооружения на острове, рас­положив ГЭС частично в русле с введением достаточно мощных перемычек. Близость несудоходного рукава к нижней голове шлю­за позволяет обеспечить сброс сливных призм частично или пол­ностью помимо подходного канала. Шлюз расположен в верхнем бьефе относительно напорного фронта. Через гидроузел в этом случае обеспечены и железнодорожный и автомобильный переходы.

В случае возведения гидроузла в зоне распространения вечномерзлых грунтов в целях обеспечения надежной работы бетонных сооружений следует стремиться расположить их в районе под руслового талика, т.е. перейти к русловой компонов­ке.

В состав гидроузла помимо транспортных и энергетических сооружений могут входить мелиоративные, рыбопропускные и пр. водозаборные сооружения мелиоративных систем. Неред­ко размещаются в пределах аванпорта при условии обеспечения требований СНиП [12]. Рыбопропускные сооружения должны располагаться в створах, где имеется течение с необходимыми для привлечения рыб скоростями в 0,5...0,1 м/с. Чаще всего эти сооружения располагаются рядом с водосливными плотинами и ГЭС (рис. 2). Более подробно требования к компоновке этих сооружений в составе гидроузла изложены в СНиП [12].

При каньонной форме долины, т.е. в узких створах ( ) и при скальных грунтах, слагающих обычно не только дно, но и борта долины, применяются береговая или русловая компоновки.

Если гидроузел возводится в узком створе, но в сравни­тельно широком русле с островом посередине на крупной рав­нинной судоходной реке (где целесообразно строительство крупной ГЭС), то ГЭС и водосливную плотину, если они вмес­те не помещаются в одном рукаве, целесообразно разместить в разных рукавах (рис. 4). Судоходный шлюз в этом случае мо­жет быть размещен в пределах острова. В связи с не особенно большой шириной долины и малым разгоном ветровой волны не­обходимость в устройстве аванпорта отпадает. Вследствие не­обходимости пропуска больших строительных расходов осуществлять работы сразу по всем сооружениям гидроузла становится невозможным. Под защитой перемычек возводятся в первую оче­редь часть ГЭС и полностью или частично водосливная плотина. Строительный расход пропускается через не перекрытые части русла, стесненного перемычками. В теле водосливной плотина для пропуска строительных расходов при последующих очередях работ, оставляют донные отверстия, которые впоследствии за­крываются бетонным пробками. Работы, таким образом, выпол­няются в две или более очередей. Наибольшую сложность пред­ставляет собой организация непрерывного судоходства, если (как это чаще всего и бывает) но тем или иным причинам заполнение водохранилища не может быть обеспечено паводком одного года. Верхней голове шлюза в этом случае приходится придавать конструкцию, позволяющую поэтапность наращива­ния стенки падения. Кроме того, необходимо произвести зна­чительные выемки грунта в верхнем подходном канале.

Если грузооборот, пропускаемый через створ гидроузла, во время строительства и в перспективе будет не особенно велик и судоходство может осуществляться грузовыми теплохо­дами, а не составами, целесообразным может оказаться приме­нение двухскатного продольного наклонного судоподъемника, верхние пути которого будут использоваться все меньше и меньше по мере заполнения чаши водохранилища. В этом случае судоподъемник должен быть отнесен к сооружениям первоочеред­ным и его возведение должно быть полностью закончено к мо­менту перекрытия русла.

Из приведенных примеров видно, что благоприятные усло­вия входа судов в нижний подходной канал и выхода из него под небольшим углом к направлению течения в реках (15...20°) создаются в гидроузлах на реках при расположении судоходной трассы на выпуклом берегу. Такая компоновка обеспечивает также снижение заносимости на входе. При этом удается до­биться не особенно длинных подходных каналов, что сокращает объемы работ по созданию канала и время прохода судов через гидроузел.

Для обеспечения благоприятных условий судоходству при выходе из нижнего подходного канала в компоновках, где шлюз располагается рядом с ГЭС или водосливной плотиной, рассто­яние от этих последних до места выхода подходного канала в реку должно быть равно 3...4-м длинам камеры при удельных расходах на рисберме до 20 м²/с и увеличивается до 1,5...2 км при удельных расходах 50...60 м²/с. Заметим, что при пойменных компоновках на нескальных грунтах основания не представляется возможным приблизить шлюзы непосредственно к водосливной плотине или ГЭС, вследствие необходимости раз­местить между ними в подходах земляные раздельные дамбы (имеющие значительную ширину по основанию), а также вследст­вие большого различия в отметках оснований голов и камер шлюзов по сравнению с отметками водосливных плотин и особенно зданий ГЭС, что требует соответствующего расстояния между котлованами шлюза и других бетонных сооружений гидроуз­ла для обеспечения устойчивости откосов этих котлованов. На рис.1 видно, что между шлюзом и водосливной плотиной приходится делать вставки из земляных сооружений.

При русловых компоновках на скальном основании шлюз может непосредственно примыкать к ГЭС или водосливной пло­тине. Подходные каналы отделяются от подводящих и отводя­щих каналов ГЭС или плотин раздельными железобетонными стенками с отверстиями в концевых участках (для улучшения гидравлических условий в районе входа в подходной канал).

Приведенные примеры далеко не исчерпывают всего много­образия реальных компоновок, но имеют своей целью лишь об­ратить внимание на основные факторы, подлежащие учету при выполнении рассматриваемого этапа проектирования, а также дать некоторые методические рекомендации по решению постав­ленной задачи.

После надлежащего обоснования принятого варианта ком­поновки следует перейти к краткому описанию запроектирован­ных и заданных основных сооружений гидроузла.

1.3. Состав сооружений гидроузла

1.3.1. Земляная плотина

Сообщаются тип, материал и основные габаритные размеры глухой земляной плотины. Зало­жение откосов и бермы, длина и ширина по гребню, противофильтрационные элементы в теле и основании плотины, креп­ление откосов, ливневая и дренажная системы, гребень пло­тины, дороги, сопрягающие сооружения.

1.3.2. Водосливная плотина

Длина водосливного фронта, удельный расход, число пролетов и их габаритные размеры, быки, гидромеханическое оборудование и верхнее строение плотины.

Гашение энергии потока воды, водобой и рисберма. Подземный контур сооружения и его конструктивные элементы: понур, шунты, дренажи.

Разрезка плотины деформационными швами и сопряжение плотины с другими сооружениями.

1.3.3. Судоходные сооружения

Тип сооружения, основные габаритные размеры, напор, пропускная способность.

Для шлюзов: число камер (ступеней) и ниток, тип камер и голов, палы, тип и расположение мостовых переходов.

Подходы к судопропускным сооружениям с верхнего и нижнего бьефов, аванпорт.

1.3.4. Гидроэлектростанция

Дается тип, установленная мощность, габаритные размеры, число агрегатов, расчетный турбинный расход и пр.

2. Земляная плотина

К рассмотрению принимается земляная насыпная или на­мывная плотина заданного типа. Основными типами насыпных и намывных плотин приведены в СНиП [б, с. 4 и 14] или в [9, с. 163 - 164].

2.1. Конструирование профиля плотины

При проектировании земляной плотины необходимо подо­брать устойчивый и наиболее экономичный профиль сооружения. Размеры поперечного профиля зависят от типа плотины, ее высоты, характера грунтов в основании, а также условий строи­тельства и требований эксплуатации.

Рис.5. Схемы к определению отметки гребня плотины:

а) плотина без парапета; б) плотина с парапетом; в) схема определения _,  и L; 1 - расчетный статический уровень; 2 - средняя волновая линия; 3 - гребень плотины; 4 - гребень парапета; 5 - створ плотины; 6 - продольная ось водохранилища; 7 - береговая линия