Для чего используют плотины шлюзы насыпи дамбы и укрепление берегов
Научная электронная библиотека
Седрисев Д Н, Рубинская А В, Аксёнов Н В, Кожевников А К,
1.2. Общая классификация гидротехнических сооружений
Гидротехническими сооружениями называются объекты, предназначенные для использования водных ресурсов (рек, озер, морей, грунтовых вод) или предотвращения вредного воздействия воды на окружающую среду (борьба с наводнениями, размывами берегов и пр.). С помощью гидротехнических сооружений осуществляются различные виды водохозяйственной деятельности: создаются водохранилища, регулируются расходы и уровни воды, осуществляется водный транспорт и пр.
Гидротехнические сооружения бывают различного назначения и строятся в разнообразных природных условиях.
По роду водотока или водоема, на котором они построены, гидротехнические сооружения разделяют на речные, морские, озерные или прудовые, внутрисистемные или сетевые (на гидротехнических системах) и подземные.
Сетевые мелиоративные сооружения разделяют на регулирующие (регуляторы или шлюзы-регуляторы, водовыпуски, перегораживающие и сбросные вододелители),
водопроводяшие (дюкеры, трубы, акведуки, ливнепроводы и пр.) и сопрягающие (перепады, быстротоки и пр.).
По условиям взаимодействия с водотоком или водоемом и по характеру выполняемых функций различают гидротехнические сооружения:
– водоподпорные (плотины, дамбы и др.), которые перегораживают водоток или ограждают водохранилище и воспринимают напор воды. Участок водотока (водоема) выше водоподпорного сооружения называется верхним бьефом, ниже – нижним бьефом. Разница уровней воды в верхнем и нижнем бьефе непосредственно около сооружения называется напором на сооружении;
– водопроводяшие (каналы, трубопроводы, гидротехнические туннели, лотки и др.), служащие для подачи воды к местам потребления, например из реки на орошаемые земли;
– водозаборные, служащие для забора воды из водотоков и водоемов;
– водосбросные (водосливы, глубинные водосбросы и пр.) – для сброса излишков воды (паводков) и полезных «попусков» в нижний бьеф, для поддержания необходимых санитарных условий в нижнем бьефе, глубин для судоходства и пр.;
– регуляционные (струенаправляющие дамбы, берегоукрепительные сооружения и пр.), предназначенные для регулирования взаимодействия потока с руслом (борьба с размывами и отложениями наносов), защиты берегов от воздействия волн и течений [2].
По целевому назначению гидротехнические сооружения разделяют на сооружения общего назначения и специальные. К сооружениям общего назначения относятся водоподпорные, водопроводящие, водосбросные и регуляционные сооружения, используемые для различных отраслей водного хозяйства и предназначенные для обеспечения требуемого подпора и емкости водохранилища, пропуска предполагаемого паводкового расхода и т.п. К специальным относятся сооружения, предназначенные для нужд одной отрасли водного хозяйства. Специальные сооружения бывают: мелиоративные (каналы, насосные станции и др.); водноэнергетические (здания гидростанций, деривационные каналы и туннели, уравнительные резервуары и другие сооружения, предназначенные для использования энергии воды); воднотранспортные (каналы, судоходные шлюзы, причалы, волноломы и пр.); лесосплавные (бревноспуски, лесозадерживающие сооружения и др.); рыбохозяйственные (рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды и др.); для водоснабжения и водоотведения (водозаборы, насосные станции, каналы, коллекторы, очистные станции и др.); для борьбы с наводнениями, селями, эрозией почвы (защитные дамбы, ливнестоки и др.); для использования грунтовых вод (подземные водозаборы и др.); для создания хвостохранилищ, шламонакопителей (дамбы, трубопроводы и др.).
В ряде случаев применяют совмещенные сооружения, которые одновременно выполняют несколько функций, например совмещенные здания ГЭС (с водосбросными отверстиями), судоходные шлюзы – водосбросы, совмещенные с водозаборами, и др.
По условиям использования речные гидротехнические сооружения разделяются на постоянные, используемые при постоянной эксплуатации, и временные. При этом к временным относятся сооружения, используемые только в период строительства или ремонта постоянных сооружений.
Постоянные гидротехнические сооружения разделяются на основные и второстепенные. К основным относятся гидротехнические сооружения (плотины, дамбы, водосбросы, каналы, туннели, трубопроводы, водозаборные сооружения, здания ГЭС и насосных станций, судоходные шлюзы и судоподъемники, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения и др.), разрушение которых приводит к нарушению нормальной работы электростанций, прекращению или уменьшению подачи воды в оросительные системы, подтоплению осушаемой и затоплению обвалованной территории, прекращению или сокращению судоходства, лесосплава. К второстепенным относятся гидротехнические сооружения (ремонтные затворы, струенаправляющие и раздельные стенки и дамбы, палы судоходных шлюзов, берегоукрепительные и ледозащитные сооружения и др.), разрушение которых не влечет за собой указанных выше последствий [2].
Постоянные гидротехнические сооружения разделяют на четыре класса (1–4). При установлении класса ГТС учитывают последствия при возможной аварии, их высоту, материал и вид грунта основания.
В зависимости от последствий нарушения эксплуатации ГТС, в соответствии со СНиП (11-50-74. Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования), класс назначают по данным табл. 1.1 [2].
Определение класса гидротехнических сооружений в зависимости
от последствий нарушения их эксплуатации
Объект гидротехнического строительства
и его показатель
Как строят дамбы? Какое различие между плотиной и дамбой? Как их обезопасить?
Автор: Робин · Опубликовано 13.11.2009 · Обновлено 25.04.2016
Дамбы и плотины зачастую огромны. Иногда, например, в альпийских долинах, эти сооружения достигают облаков и превращают реки в многокилометровые озера. При строительстве плотин и дамб крайне важно предотвратить исчезновение реки.
Для этого вначале необходимо проложить для нее новое русло, по которому она будет течь во время строительных работ. В узких долинах, где для подобного маневра нет места, сооружают даже тоннели, по которым, минуя строительную площадку, направляется вода…
Если обогнуть место строительства невозможно, то плотину сооружают очень осторожно, участок за участком, отводя воду через все новые вспомогательные каналы.
Каково различие между плотиной и дамбой?
Плотины представляют собой отвесные, мощные стены из бетона и железобетона. Зачастую они имеют высоту с многоэтажный дом и толщину в несколько десятков метров. Они сооружаются в тех местах, где вода должна подняться на большую высоту, например в узких горных долинах.
Дамбы насыпают из камня, земли и гравия. Дамбы должны быть очень толстыми в нижней части, чтобы выдержать давление воды. А чтобы воспрепятствовать проникновению воды сквозь дамбу, ее сердцевина сооружается из плотного материала, например из глины. Фундамент таких сооружений должен быть укреплен и уплотнен до больших глубин, чтобы избежать подмыва дамбы и утечки воды по подземному пути.
Как можно обезопасить дамбы от паводков?
Плотины и дамбы построены таким образом, что при паводках могут быть переключены на другой режим. Во время паводков излишняя вода сбрасывается с тыльной стороны плотины через систему так называемых отводных каналов, что предохраняет сооружение от ущерба. Сила падающей воды гасится с помощью мощных бетонных блоков. В противном случае паводок мог бы разрушить речную долину.
В принципе, сами электростанции тоже могут смягчать воздействия паводков. Например, когда несколько электростанций построены друг за другом, они отлавливают часть паводковой воды через накопители, предотвращая выход реки из берегов и затопление городов и сел.
Что такое дамба
Дамбы могут устанавливаться, чтобы защитить определенную территорию от весеннего паводка и половодья. Чаще всего таким способом ограждаются сельскохозяйственные угодья и населенные пункты, которые расположены на берегу реки или моря. В портах дамбы устанавливают для защиты шлюза от течения и волн, чтобы морские суда имели возможность спокойно подходить, шлюзоваться и отходить от порта.
Отличие дамбы от плотины заключается в том, что плотина – это всегда напорное сооружение. Дамба может быть безнапорным сооружением или переменно напорным, когда это необходимо, например, при строительстве для ограждения территорий, расположенных ниже уровня моря.
Способ построения дамбы подразделяется на естественный и рукотворный. Естественные сооружения создаются случайно, когда поток воды делает затор, принося в одно место бревна, льдины. Кроме того, бобры, обитающие в реках, создают заводи, сооружая дамбы из сваленных деревьев или другого подручного материала.
Сооружения, созданные людьми, изготавливаются из камней, каменной кладки, земли, бетона, железобетона. Также может использоваться металл, дерево, искусственные материалы.
По срокам возведения дамбы различаются на постоянные и временные. Постоянные ограждения устанавливают в местах систематического подтопления, в портах. Временные – для проведения в русле реки строительных работ.
Постоянные гидротехнические сооружения выполняются особенно тщательно. Разработку плана проводят лучшие инженеры, иначе при малейшей ошибке вода затопит защищаемые районы. Водная стихия может нанести серьезные потери, поэтому дамбу устанавливают из мощных бетонных блоков.
Кроме того, в экстренных случаях, чтобы защитить населенные пункты от грядущего паводка или наводнения, делают дамбы, используя мешки с песком или щебнем.
Проектирование и строительство дамб
Дамба — это сооружение гидротехнического характера, представляющее собой трапециевидную конструкцию в виде земляной насыпи или бетонного сооружения. Основная функция этого сооружения заключается в создании ограждения, препятствующего неконтролируемому перемещению воды на определенной территории. Дамба по своему строению очень похожа на плотину, но имеет упрощенную конструкцию и выдерживает меньшую нагрузку.
Виды и функции
Вид будущей дамбы определяется исходя из того, для каких целей она строится. А назначения у нее могут быть разные:
В зависимости от конкретного назначения, дамбы могут быть напорными и безнапорными. Напорные выполняют защитные и барьерные функции. Безнапорные используют для коррекции русла реки.
По расположению к водоему грунтовая насыпь может быть контурной, то есть располагаться по краю берега и разделительной (располагается на перешейке парных прудов). Также, в зависимости от того, как образовалась дамба, она может быть естественной и искусственной.
Естественные дамбы — это заторы из бревен, веток и прочих материалов, нанесенных потоком в течение определенного времени. Искусственная дамба может быть сделана из разных материалов. Например, из грунта, камней или бетона.
Дамбы могут строиться для постоянной эксплуатации и для временного пользования. Последние обычно создают в экстренных ситуациях, например, при наводнении или угрозе шторма.
Структура дамбы
Дамба, созданная из грунта или камней и грунта, состоит из нескольких слоев: основа, ядро, тело и каменная посыпка. Есть и другой способ создания дамбы, когда вся она складывается из водонепроницаемого грунта.
Если проектом предусмотрено, что по плоскости дамбы будет проходить транспорт, ее необходимо сделать такой высоты, чтобы транспортное полотно не покрывалось водой даже при условии, что уровень воды будет максимальным. Ширина дамбы, соответственно, должна быть равна ширине дорожного полотна.
Строительство дамб с помощью металлического шпунта
Грунтовые и земляные дамбы не всегда удобны в эксплуатации. Например, их возведение и использование будет достаточно непростым в водоемах небольшого размера. В таких ситуациях, чтобы уменьшить размеры дамбы, ее стенки обжимают. Такая дамба имеет верхнюю часть в форме трапеции и вертикальные нижние стенки.
Рано или поздно дамбы размываются, и тогда их необходимо укрепить. И самым лучшим способом укрепления также являются шпунты.
Технология строительства
К строительству дамбы предъявляется ряд обязательных требований:
Строительство дамбы происходит в несколько этапов:
Монтаж укрепления производится с помощью металлопрофильных шпунтовых свай.
Подрядная компания Лимакмаращстрой занимается проектированием и строительством зданий и сооружений любой сложности. За нашими плечами — масса разнообразных проектов: Дамба Моглидже, Дамба Юсуфели, Дамба питьевой воды (г. Анкара) и другие. Чтобы узнать условия сотрудничества, позвоните по номеру, указанному на сайте, или напишите нам на почту.
Плотина
Плотина — гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток для подъёма уровня воды, также служит для сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища.
Плотины на небольших водотоках, а также временные, называют также запрудами.
Назначение
Обычно плотины входят в комплекс гидротехнических сооружений (гидроузел), сооружаемый в конкретном месте для использования водных ресурсов в различных целях: мелиорации, гидроэнергетики, обводнения пастбищ и прочего. Чаще плотины входят в группу речных гидротехнических сооружений (чем в группу внутрисистемных, расположенных на каналах). Если при этом комплекс сооружений связан с забором воды из реки, то его называют водозаборным гидроузлом.
В общем случае состав гидроузла, где располагают плотины, следующий:
По назначению плотины бывают водохранилищные, водоопускающие и водоподъёмные. Подпор уровня воды у водоподъёмных плотин невысок, целью устройства таких плотин является улучшение условий водозабора из реки, использования водной энергии и пр. Водохранилищные плотины отличаются заметно большей высотой, как следствие, большим объёмом создаваемого водохранилища. Отличительной особенностью больших водохранилищных плотин является способность регулировать сток, малые плотины, с помощью которых создают, например, пруды, сток не регулируют. Чаще всего подобное функциональное разделение плотин на водохранилищные и водоподъёмные является условным, в силу трудности определения более важной функции. Вместо этого может использоваться деление плотин по высоте подъёма воды: низконапорные (глубина воды перед плотиной до 15 м), средненапорные (15-50 м), высоконапорные (более 50 м).
Поперек рек и речек плотины устраиваются с целью поднять уровень воды и образовать искусственный водопад, которым пользуются как механическою силою или же чтобы сделать мелкие реки судоходными и распространить судоходство и сплав далее вверх по течению реки.
Ручьи, балки, овраги и ложбины заграждаются плотинами для задержания в них дождевых и снеговых вод, образующих пруды и резервуары, запасами которых пользуются в сухое время года для орошения полей, для водопоя и других потребностей в домашнем хозяйстве или же для водоснабжения населенных мест, для питания судоходных каналов, а также для пропусков воды в реки при недостаточной глубине их для судоходства (реки Мста, Верхняя Волга и другие).
Плотины вдоль рек возводятся для направления течения соответственно потребностям судоходства, а по берегам рек, озёр и морей — для предохранения от наводнений и для предупреждения вторжения морских вод внутрь страны.
Классификация плотин
Тип и конструкция плотины определяются её размерами, назначением, а также природными условиями и видом основного строительного материала. Плотины различаются по типу основного материала, из которого они возводятся, по назначению и по условиям пропуска воды.
По типу материала
По типу основного материала различают плотины:
По способу возведения
По способу восприятия основных нагрузок
По условиям пропуска расхода воды
История
Искусство возведения плотин известно уже с глубокой древности. О водоподъёмных плотинах упоминает Геродот. Абу-л-Фида сообщает о плотине, построенной персами для отвода воды от города Тостара. Аббас I Великий соорудил близ Кашана каменную плотину длиной 36 метров, высотой 16 м и толщиной 10 м, снабженную у подошвы каналом для пропуска воды. Наконец, в древние времена строились также весьма большие плотины для ограждения местностей от наводнений, например, арабами во II столетии н. э. Подобные же работы, по рассказу Абу-л-Фиды, предприняты были Александром Македонским для предупреждения разлива озера Кадис близ сирийского города Эмесы.
Во время подготовки к заливке фундамента плотинного шлюза. Плотина на Оке в районе Белоомута, Московская губерния. 1912
Самая древняя из известных плотин датирована 3000 годом до нашей эры. Располагалась она в ста километрах от Аммана; это была каменная стена 4,5 метра в высоту и 1 метр в толщину. В 2800/2600 году до нашей эры в 25 километрах от Каира была возведена плотина протяжённостью 102 метра; она была вскоре разрушена ливнем. В середине III века была построена целая система рядом с индийским городом Дхолавира. Римляне строили весьма разнообразные плотины, в первую очередь — для получения водохранилищ на засушливые периоды; самая высокая римская плотина достигала 50 метров в высоту и была разрушена лишь в 1305 году.
С 1998 года в десятках стран мира ежегодно 14 марта по инициативе организации «Международная сеть рек» отмечается «Международный день действий против плотин» (иначе: «День действий в защиту рек, воды и жизни»). Активистам движения против плотин уже удалось добиться реальных результатов: в Соединённых Штатах были демонтированы две шестидесятиметровые плотины, а в Швеции принят закон, который запрещает строить плотины более пятнадцати метров в высоту.
Гравитационные плотины
Давление от масс воды гравитационные плотины воспринимают своей массой. Сопротивление сдвигу происходит за счёт сил трения или сцепления подошвы плотины по основанию. Вследствие этого такие плотины имеют массивный характер, чаще близкое к трапецеидальному сечение в поперечнике.
Арочные плотины
Арочные плотины давление от масс воды передают на берега ущелья (реже — на искусственные устои). В силу этого такие плотины чаще возводятся в горной местности, где берега сложены прочными породами. Часть нагрузок арочная конструкция передаёт на основание. При этом, чем шире арка, тем больше давление на основание. Это требует увеличение ширины плотины в нижней части, и приводит к появлению арочно-гравитационных плотин. Арочные плотины с контрфорсами в нижней части арки называют арочно-контрфорсными. В них работа арки ограничивается верхней частью, что позволяет применять арочные плотины в более широком диапазоне мест расположения.
Арочно-гравитационные плотины
Арочно-гравитационные плотины совмещают в себе свойства арочных и гравитационных плотин.
Контрфорсные плотины
Как и арочные плотины позволяют уменьшить массу тела плотины, её размеры за счёт более эффективной расчётной схемы. Стена в контрфорсной плотине более тонкая, чем в гравитационной благодаря её усилению с низовой стороны подпорными конструкциями (стенами).
Грунтовые плотины
Грунтовые, или земляная плотина строится из грунтовых материалов, в том числе песчаных, суглинистых, глинистых, как правило, без перелива воды через неё. Обычно форма поперечного сечения приближается к трапецеидальной. Грунтовые плотины просты по конструкции, строительство их возможно в очень широком диапазоне геологических условий. Учитывая это, а также использование при возведение плотины местных строительных материалов, почти полную механизацию труда и сокращение трудозатрат, грунтовые плотины можно считать самым распространённым типом водоподпорного сооружения. Грунтовые плотины относятся к гравитационным плотинам.
Грунтовые плотины были в числе самых первых плотин в истории человечества. С давних пор такие плотины строились и в России. Известна Змеиногорская плотина XVIII века, построенная выдающимся русским инженером Козьмой Фроловым.
Современные грунтовые плотины достигают весьма больших размеров, к примеру, Нурекская плотина достигает высоты трёхсот метров, а плотина Тарбела объёма 130 миллионов кубических метров. География плотин чрезвычайно широка: Вилюйская, Усть-Хантайская, Колымская плотины возведены в условиях вечной мерзлоты, в Средней Азии строится самая высокая в мире Рогунская плотина, существуют плотины на Кавказе — Сарсангская, Мингячевирская, известны плотины на Дальнем Востоке, Карпатах, Крыму.
Классификация грунтовых плотин
Грунтовые плотины классифицируются по материалу тела плотины, по конструкции, методу производства работ, высоте, типу противофильтрационных устройств в основании.
Низкими считаются плотины высотой до 25 метров, средними в диапазоне 25-75 метров, выше 75 метров — высокие плотины. Особо высокие плотины (более 150 м) относятся к «сверхвысоким».
Расчёты грунтовых плотин
При проектирование современных грунтовых плотин проводятся расчёты с учётом напряжённо-деформированного состояния при статических и динамических воздействиях. При проведении расчётов используются компьютеры, а инженеру-проектировщику требуются знания теории упругости и пластичности, ползучести, численных методов. Работа грунта моделируется с учётом наиболее важных его свойств, и применение методов механики сплошных сред позволяет получить весьма близкие к реальности результаты расчётов. Современное проектирование грунтовых плотин учитывает иногда и реологию грунтов.
При проектировании плотин следует провести несколько групп расчётов, среди которых:
Расчёты фильтрации в теле плотины необходимы для проведения прочих расчётов, например, устойчивости откосов. Фильтрационный поток через плотину влияет на работу плотины в целом. Параметры фильтрационного потока определяют конструкцию как плотины, так и сопутствующих устройств. В ходе расчёта фильтрации определяются скорости движущейся грунтовой воды, фильтрационные расходы через тело плотины, строится гидродинамическая сетка движения фильтрационного потока и депрессионная поверхность (верхняя граница фильтрационного потока в теле плотины).
При расчётах основания определяются осадки основания, несущая способность грунта, прогнозируется уплотнение (консолидация) основания.
Расчёты тела плотины определяют его осадки, проверяются прочность грунтовых материалов, даётся оценка трещинообразования.
Конструкции грунтовых плотин
Конструкция плотины во многом определяется свойствами местных грунтов, имеющихся вблизи створа. Также на конструирование влияют инженерно-геологическая ситуация места строительства, гидрологические характеристики реки и стока, климатические условия, сейсмичность района, наличие парка необходимых строительных машин.
В ходе конструирования решаются следующие задачи:
Разрушения плотин и обеспечение безопасности
Ущерб от разрушения плотины может быть чрезвычайно большим. Обусловлено это тем, что разрушение непосредственно конструкции плотины является, зачастую, лишь небольшой частью общего ущерба, в который включаются потери от разрушения сопутствующих сооружений (поскольку плотина почти всегда является лишь частью гидроузла), потери предприятий, производство на которых может быть парализовано в результате прекращения поступления от ГЭС, потери от разрушений, произведённых катастрофическим водосбросом в нижнем бьефе плотины.
Крупные катастрофы на плотинах
Список некоторых крупных катастроф, произошедших на плотинах.
Обеспечение безопасности
В Российской Федерации безопасность гидротехнических сооружений регулируется Федеральным Законом «О безопасности гидротехнических сооружений», принятым Государственной Думой 23 июня 1997 года. Плотины должны проектироваться в соответствии с действующими нормативными документами: строительными нормами и правилами (СНиПами), Государственными стандартами (ГОСТами), ведомственными нормативными документами (РД).
Мероприятия по обеспечению безопасности должны выполняться начиная со стадии проектирования. В ходе возведения плотины должна производиться проверка на соответствие работ, свойств оснований и строительных материалов проектным данным. В ходе эксплуатации сооружения требуется осуществлять натурные наблюдения — мониторинг плотины с помощью контрольно-измерительной аппаратуры. Установка аппаратуры в сооружении должна предусматриваться ещё на стадии проектных работ и обеспечивать, в зависимости от класса сооружения, наблюдения за осадками, горизонтальными смещениями, параметрами фильтрационного потока в теле плотины, температурой, напряжённо-деформированным состоянием и прочим.
Помимо аппаратного мониторинга на всех плотинах следует выполнять натурные визуальные и геодезические наблюдения. Подобные наблюдения позволяют установить фактическое состояние сооружения и определить его соответствие проектным прогнозам, своевременно предотвратить негативные процессы.
Различают два случая несоответствия плотин проектно-нормативным требованиям:
Потенциально опасное состояние не вызывает скорого разрушения сооружения, однако требует принятия незамедлительных мер по устранению причин состояния. Предаварийное состояние означает, что в считанные часы может случиться разрушение плотины, требуется эвакуация населения и проведение аварийно-спасательных работ.
Проведение измерений, наличие плана действий в экстренных ситуациях и готовность персонала гидроузла к аварийным ситуациям способны предотвратить аварии и избежать трагических последствий. В 1993 году на Курейской плотине резко возрос фильтрационный расход через насыпь. Произошло вымывание мелкозернистого грунта, на откосах появился и стал расти провал, грозящий катастрофическим прорывом воды через считанные часы. Руководство гидроузла смогло предотвратить катастрофу, резко снизив уровень воды в верхнем бьефе, организовав немедленную засыпку образовывавшейся воронки и кольматацию трещины с верховой стороны глинистым грунтом.