По способу перемещения

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ НА ВОДНЫХ ПУТЯХ

 

На реках и их притоках, находящихся в естественном состоянии, гарантированные судоходные глубины уменьшаются вверх по течению. А плавать туда порой надо – многие промышленные центры и экономические районы расположены там, где возможности увеличения глубин дноуглубительными и прочими выправительными способами ограничены.

Иногда на реках встречаются порожистые участки или реки впадают в озера или вытекают из озер с тяжелым ветро-волновым режимом.

И наконец, бассейны рек, впадающих в разные моря, разделены водоразделами, через которые по естественным протокам не проплыть, это ограничивает возможности водной перевозки грузов.

Все эти причины вызывают необходимость создания искусственных водных путей.

В зависимости от назначения и характера искусственные водные пути разделяют на следующие виды:

· шлюзованные реки;

· обходные и подходные судоходные каналы;

· межбассейновые воднотранспортные соединения;

· водохранилища.

Шлюзование

Шлюзованием реки называется способ увеличения судоходных глубин возведением на реке ряда гидроузлов, повышающих в период навигации уровни воды в реке по сравнению с имевшимися в ее естественном состоянии. При этом преодоление судами сосредоточенных перепадов уровней воды осуществляется через входящие в состав гидроузлов судопропускные сооружения – судоходные шлюзы и судоподъемники.

В судоходных шлюзах суда переходят из верхнего бьефа в нижний и обратно через камеры, уровни воды в которых попеременно выравниваются с уровнями верхнего и нижнего бьефов.

В судоподъемниках камеры вместе с находящимися в них судами перемещают между уровнями воды в бьефах по наклонным путям или по вертикальным направляющим.

Каскады гидроузлов на судоходной реке возводят, как правило, не на всем ее протяжении. В нижнем течении рек, особенно в устьевых участках, судоходные глубины значительно возрастают, и необходимости шлюзования нет. Помимо этого, в районах реки, расположенных выше крупных экономических районов, нет необходимости обеспечивать большие объемы водных грузовых перевозок. Поэтому выше и ниже шлюзованных участков реки остаются свободные участки, на которых улучшение судоходных условий обеспечивается другими способами (дноуглублением, выправлением русла и т. п.).

При шлюзовании реки от каждого гидроузла вверх по реке распространяется подпор. При этом на всем шлюзованном участке глубины должны быть такими, чтобы подпор нижележащего гидроузла обеспечивал в нижнем бьефе вышележащего гидроузла заданные судоходные глубины. Река гидроузлами разделяется на ряд бьефов. Общая схема такого разделения зависит от характера намечаемого шлюзования, целей использования гидроузлов:

· шлюзование реки только в интересах транспорта – для улучшения судоходных условий;

· каскад гидроузлов предназначен для комплексного использования: в интересах водного транспорта, энергетики, мелиорации, водоснабжения и т. д.

В случаях, когда шлюзование проектируется только в транспортных целях, основным условием является только обеспечение заданных судоходных глубин в бьефах. Именно из этого условия и выбираются расстояния между гидроузлами, места их расположения. Обычно в таком случае реализуется низконапорный вариант шлюзования (рис.).

Низконапорный вариант шлюзования:

1 – кривая низких уровней воды; 2 – кривая высоких паводков

 

Наименьшие капиталовложения при строительстве и эксплуатационные затраты получаются, когда подпорные уровни гидроузлов не выходят из коренного русла и пойма не затопляется. Понятно, что это возможно, когда напоры на гидроузлы будут небольшими – обычно 2 – 6 м. В этом случае, во избежание затопления пойменных земель расходы высоких половодий пропускают при уровнях верхнего бьефа, близких к обычным (бытовым). При высоких и длительных половодьях иногда целесообразным оказывается пропускать суда через плотины без шлюзования. При этом применяют разборные плотины, и движение судов в период половодья осуществляется помимо шлюза, то есть, в этот период река находится в естественном состоянии. В меженное время плотину собирают и суда идут через шлюз. На зиму плотину вновь разбирают, поднимают или укладывают под воду во избежание повреждения льдом.

При строительстве низконапорных гидроузлов антропогенное воздействие на реку минимально. Такие гидроузлы построены на Северо-Двинской системе, Оке, Северском Донце, Дону и др.

 

Комплексное использование водных ресурсов в большинстве случаев более целесообразно. При этом реализуется высоконапорный вариант шлюзования. В этом случае строятся высоконапорные сооружения, поддерживающие подпор непрерывно с учетом перераспределения стока как в течение одного года, так и за многолетний период (рис.).

Высоконапорный вариант шлюзования:

1 – кривая низких уровней воды; 2 – кривая высоких паводков

 

При комплексном использовании водных ресурсов определяющим компонентом, как правило, является гидроэнергетика. Устройство гидроузлов (место расположения, емкость водохранилища, уровень бьефов и напор на гидроузел) определяются из условий достижения максимального энергоэкономического эффекта. При высоких напорах на гидроузел происходит затопление поймы, а иногда и надпойменных террас. Поэтому при проектировании таких гидроузлов следует учитывать размещение предполагаемых к затоплению сельскохозяйственных земель, промышленных объектов и населенных пунктов. Средненапорными комплексными гидроузлами с гидроэлектростанциями (ГЭС) осуществлено шлюзование рек Волга, Кама, Свирь, Днепр и др.

На рис. приведена схема Волжского и Волжско-Камского каскадов гидроузлов.

Волжский каскад энергетически-транспортных гидроузлов

 

Схема Волжско–Камского шлюзованного водного пути

 

Судоходные шлюзы

 

По своей конструкции судоходный шлюз – это напорное гидротехническое сооружение на судоходных и водных путях, обеспечивающее переход судов из одного водного бассейна (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них.

Обычно судоходный шлюз имеет в своем составе следующие основные части: верхний подходной канал, собственно конструкции шлюза, нижний подходной канал.

 

Схематический план судоходного шлюза:

1 – верхний подходной канал; 2 – верхняя голова; 3 – камера шлюза; 4 – нижняя голова;

5 – нижний подходной канал; 6 – направляющие палы; 7 – причальные стенки

 

Примыкающие к головам шлюза подходные каналы имеют размеры, обеспечивающие расхождение судов, ожидающих входа в камеру и судов, выходящих из нее. В подходных каналах обеспечиваются безопасные условия движения судов и стоянки их у причальных стенок.

Для входа судов в относительно узкие судоходные пролеты голов шлюза сооружаются направляющие палы, которые имеют в плане криволинейное очертание.

Собственно шлюз имеет три главных элемента:

· герметичную камеру, имеющую верхнюю и нижнюю головные части и объем (вместимость), достаточный для размещения одного или нескольких судов; уровень воды в камере изменяется в процессе шлюзования;

· ворота – металлические щиты, расположенные на обоих концах камеры и служащие для впускания и выпускания судна из камеры и герметизирующие камеру во время шлюзования;

· водопроводные устройства, предназначенное для наполнения и опорожнения камеры; как правило, в качестве таких устройств используются щитовые затворы.

План шлюза

 

Продольный разрез

Конструкция унифицированного однокамерного шлюза (ВБВП):

1 – аварийно-ремонтные ворота верхней головы; 2 – порог верхней головы и стенка падения; 3 – основные подъемно-опускные ворота; 4 – гасительный экран; 5 – опорный бычок; 6 – распределительная решетка; 7 – плавучий рым; 8 – температурно-осадочный шов (через 20 – 30 м); 9 – секция камеры; 10 – галерея опорожнения;

11 – двустворчатые ворота; 12 – порог нижней головы; 13 – паз ремонтных ворот нижней головы; 14 – камера гашения; 15 – устои верхней головы; 16 – пазы ремонтных затворов галерей опорожнения; 17 – рабочий затвор галереи опорожнения; 18 – нижний подходной канал; 19 – верхний подходной канал

 

Широкое распространение в России (СССР) получил тип шлюза с наполнением камеры из-под подъемно-опускных ворот верхней головы и опорожнением через короткие галереи, проходящие в устоях нижней головы (ВБВП, ВДСК и др.).

Принцип работы шлюза при проходе из верхнего бьефа (с более высоким уровнем воды) в нижний следующий:

· входные ворота открываются, в камере устанавливается уровень воды верхнего бьефа;

· судно заходит внутрь камеры и швартуется к тумбам, расположенным на плавучих рымах;

· входные ворота закрываются;

· открываются затворы водопроводных устройств на нижней голове, вызывая падение уровня воды в камере с находящимся в ней судном до уровня нижнего бьефа;

· впускные ворота открываются, судно выходит из камеры.

Шлюзование длится, как правило, от 10 до 20 минут в зависимости от размера камеры и перепада уровня воды. В случае если судно движется вверх по течению, из нижнего бьефа в верхний, процесс меняется на обратный: судно входит в камеру с уровнем воды, соответствующим нижнему бьефу, швартуется, нижние ворота закрываются, затем открывается затворы водопроводных устройств верхней головы, наполняя камеру водой и поднимая судно.

При необходимости преодоления значительного напора воды или по иным технико-экономическим соображениям строят многокамерные шлюзы. Многокамерный шлюз представляет собой несколько последовательно расположенных шлюзов с общими средними (промежуточными) головами.

Двухкамерные шлюзы имеются на Волгоградском гидроузле, Беломорско-Балтийском канале, канале имени Москвы. Трехкамерные шлюзы имеются на Днепрогэсе, Новосибирском гидроузле, шестикамерный шлюз – на Пермском гидроузле.

 

Схема многокамерного шлюза

 

Для увеличения пропускной способности шлюза устраивают несколько камер, расположенных параллельно друг другу. Такие шлюзы называются многониточными (двухниточными, трехниточными).

В Китае на крупнейшем в мире гидроузле «Три ущелья» сооружен пятикамерный двухниточный шлюз. В Англии на канале Эйвон есть даже шестнадцатикамерный (16-ти) шлюз. В практике гидротехники шлюзы, следующие непосредственно друг за другом принято называть «лестницей».

 

 

Шлюз Волго-Донского судоходного канала

 

Куйбышевское водохранилище на участке судоходного двухниточного шлюза

 

а

 

 

б

 

Схема гидроузла «Три ущелья»:

а – схематический план гидротехнических сооружений;

б – продольный разрез по шлюзу;

1 – здание гидроэлектростанции; 2 – водосливная плотина; 3 – двухниточный пятиступенчатый шлюз; 4 – вертикальный судоподъемник для скоростных судов

 

 

Двухниточный пятиступенчатый шлюз гидроузла «Три ущелья»,

Китай (модель)

 

 

Камера шлюза «Три ущелья», Китай

 

 

Камера шлюза «Три ущелья»

 

Соседние камеры для спуска судов – «Три ущелья»

 

 

Панамский канал

 

 

Шестнадцатикамерный (16) шлюз (лестница) на канале Эйвон, Англия

Судоподъемники

 

Судоподъёмник – комплекс механизмов, позволяющий осуществлять подъём и спуск судов с одного уровня водного пути на другой, например, для пропуска судов через плотины гидроэлектростанций.

При строительстве гидроэлектростанции водный бассейн реки разделяется комплексом глухих и водосливных плотин на две несообщающиеся части, что не позволяет осуществлять судоходство. Для возможности перемещения судов между верхним и нижним бьефом плотины традиционно используются судопропускные шлюзы. Шлюзы также используются на каналах, соединяющих водные пути с разным уровнем воды. Однако, если перепад высот достаточно велик, то строительство шлюза нецелесообразно. В этом случае сооружается судоподъёмник. Преимущество судоподъёмников перед шлюзами – относительно малая потеря воды из верхнего канала при подъёме и спуске судов. Недостатки – более сложная конструкция, более высокая цена сооружения, а также ограничения по размерам и водоизмещению судов, из-за огромной массы, которую необходимо поднимать.

Потребности в судоподъемниках возникают в случаях строительства судоходных каналов с малыми водными ресурсами, либо когда целесообразно заменить ими шлюзовую лестницу с большим количеством сооружений на ней.

Конструкции судоподъемников весьма разнообразны. На практике осуществлены следующие основные схемы судоподъемников: вертикальные, наклонные и вращающийся (пока единственный в мире).

Судоподъёмники классифицируют по способу перемещения судов, по направлению перемещения, по типу привода и балансировке. Судоподъёмники, способные перемещать одновременно несколько судов, разделяют на двойные и парные.

По способу перемещения

Судно может перемещаться либо на плаву – в камере, наполненной водой, – либо без воды, по принципу сухого дока.

 

Без воды

В таких судоподъёмниках судно поднимается из воды, перемещается на специальных опорах и затем снова спускается на воду. Преимущества этого метода в том, что работа затрачивается лишь на перемещение самого судна, а также в отсутствии потерь воды из верхнего канала. Недостаток заключается в том, что возможно повреждение корпуса, если судно очень тяжелое или специально не оборудовано для такого подъёма.

 

На плаву

Судно перемещается в подвижной камере, наполненной водой. Камера и торцы каналов запираются водонепроницаемыми затворами. По сравнению с подъёмом без воды, повреждение корпуса маловероятно, поскольку судно находится в камере на плаву. Кроме того, сокращается время подъёма, потому что достаточно лишь пришвартоваться, как в шлюзах.

Вместе с судном приходится поднимать громадный объём воды в камере. Однако по закону Архимеда вес судна в камере равен весу вытесненной им воды, следовательно, вес камеры всегда одинаков. Это позволяет точно подобрать противовесы или подъёмную силу поплавков так, чтобы работа по перемещению судов сводилась к работе против сил трения.