Взаимодействие плотины с рекой и речным руслом

1.3 Взаимодействие плотины с рекой и речным руслом

Классификация плотин.

Плотины являются общими гидросооружениями, по целевому назначению относятся водоподпорным сооружениям и являются среди них наиболее важными.

Водоподпорным называется сооружение, удерживающее с одной стороны воду на более высоком уровне, чем с другой. Как отмечалось выше, часть водного объекта по ту сторону водоподпорного сооружения, где имеется более высокий уровень воды, называется верхним (подпёртым) бьефом, а по другую сторону – нижним бьефом. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов называется напором на сооружении. Плотиной называется водоподпорное сооружение, перегораживающее русло или долину реки. Водоподпорные сооружения же, устраиваемые по берегам рек для защиты земель от затопления, носят название дамб или валов.

К подпорным сооружениям относятся также ряд специальных сооружений, например, судоходные шлюзы и шлюзы-регуляторы на оросительных и осушительных системах, плотоходы и некоторые другие.

Плотины принято классифицировать по нескольким признакам.

По цели устройства. Различают две основные цели устройства плотины: а) поднятие уровня воды в реке на некоторую высоту и регулирование этого уровня, что достигается строительством водоподпорной плотины; б) создание хранилища воды, что достигается строительством водохранилищной плотины. Во многих случаях одну и ту же плотину устраивают и для поднятия уровней воды в реке, и для образования водохранилища. Такая плотина будет и водоподъёмной, и водохранилищной.

По возможности пропуска воды. В зависимости от пропуска воды через створ плотины различают: глухие плотины и водосбросные плотины.

По основному материалу: из грунтовых строительных материалов, бетонные плотины, железобетонные плотины, деревянные плотины, плотины из прочных материалов (стали, синтетической плёнки и т. д.) и комбинированные.

По высоте создаваемого напора. Принято выделять низконапорные плотины с напором менее 25 м, средненапорные – с напором от 25 до 75 м и высоконапорные – с напором более 75 м.

По характеру основания. Различают плотины, построенные на мягких грунтах (проницаемых, нескальных) и на скальных грунтах (от вида грунта основания зависит характер фильтрации воды под плотиной). [2, с. 16-18].

Действие речного потока на плотину.

Кроме тех видов воздействия, которые вода оказывает на любое гидросооружение (см. п. 1.1), плотины испытывают со стороны водного потока ряд дополнительных действий, последствия которых учитываются в конструкциях рассматриваемых сооружений.

В верхнем бьефе у плотины поток имеет обычно скорости течения меньше, чем они были до создания подпора. Однако на подходе к водосбросным отверстиям местные скорости возрастают и при известном их значении возможны размывы русла, способные привести к нарушению устойчивости плотины (рис. 1.3.1). Для защиты русла от размыва перед плотиной устанавливается специальное покрытие, носящее название понур. Другое назначение понура – борьба с фильтрацией воды под сооружением.

В пределах плотины вода движется с очень большими скоростями (иногда более 20 м/с), оказывая на сооружение динамическое воздействие ввиду возникающих пульсаций потока, местных сопротивлений и пр. Сведение этих воздействий до возможного минимума достигается путем подбора плавных форм тех поверхностей сооружения, по которым движется поток.

В нижнем бьефе за плотиной значительная кинетическая энергия потока, пропорциональная расходу воды и квадрату скорости, неизбежно разрушает русло, вызывает глубокие размывы даже скального грунта дна реки, что будет угрожать целости плотины. Поэтому принимаются меры гашения избыточной кинетической энергии и защиты русла от разрушения специальными покрытиями.

Для этого непосредственно за водосливом укладывают массивную плиту, называемую водобоем. На нем теряется основная часть кинетической энергии путем образования вальцов при сопряжении потока с водой нижнего бьефа, а также благодаря расщеплению потока на отдельные струи и взаимному перемешиванию струй, для чего на водобое часто устраивают специальные выступы, пороги, стенки. За водобоем следует обычно гибкое, проницаемое для воды покрытие, называемое рисбермой, на которой скорости потока доводятся до величин, не опасных для грунта русла (рис. 1.3.2). [2, с. 18-21].

Заиление водохранилищ. Влекомые и взвешенные наносы, попадая в водохранилище, вследствие малых скоростей течения в нем начинают осаждаться и откладываться на дне. При осаждении более крупные наносы откладываются в верхней (хвостовой) части водохранилища, более мелкие сносятся ниже и самые мелкие, взвешенные, разносятся течением по всей части водохранилища. При сработке водохранилища наносы, отложившиеся в его хвостовой части, постепенно смываются вниз и более равномерно распределяются по всей чаше. Смыв наносов прекращается ниже уровней мертвого объема, и поэтому последний постепенно и непрерывно заполняются наносами. Наносы, остающиеся в водохранилище во взвешенном состоянии, частично удаляются через водозаборные и водосбросные сооружения вместе с водой. При заполнении мертвого объема дальнейшее отложение наносов приводит к уменьшению полезного объема водохранилища и нарушению его работы. Расчет заиления водохранилищ и определения срока их службы является одним из основных и еще недостаточно разработанных вопросов гидрологии [6, с.320].

Действие плотины на речной поток.

Плотины, образующие водохранилища, особенно крупные, приводят к коренным преобразованиям водного режима, увлажненности и микроклимата, прилегающих к ним территорий, вызывая изменение их флоры и фауны. Остановимся на основных изменениях, происходящих выше и ниже плотины в реке и речном русле.

Подпор, созданный плотиной, распространяется на значительные расстояния, вызывая увеличение глубин в реке и уменьшение скорости течения, что приводит к разнообразным последствиям. Так, повышаются уровни грунтовых вод в речных поймах, долинах и в прибрежной зоне водохранилищ. Это явление в большинстве случаев отрицательно сказывается на окружающей среде, так как сопровождается заболачиванием территории, выпадением лесов по берегам водохранилищ в северных районах, засолением почв в южных районах, всплытием торфяников и др. (рис. 1.3.3).

В связи с уменьшением по мере приближения к плотине скорости течения потока в водохранилище происходит выпадение из воды наносов, которые сортируются по крупности сообразно со скоростями течения, т.е. с постепенным уменьшением крупности по направлению к плотине.

Помимо наносов, приносимых рекой, твердый материал поступает в водохранилище за счет обрушений берегов вследствие размывающего действия волн, вследствие оползней, осыпей и обвалов крутых берегов. Все эти процессы приводят к так называемому переформированию берегов водохранилищ и образованию пологих «пляжей» в прибрежной зоне.

В связи с отложением наносов емкость водохранилища уменьшается, причем темпы такого уменьшения зависят от количества наносов, от емкости водохранилища, условий работы последнего и других факторов. Отмечаются случаи, когда построенное водохранилище заиляется за относительно короткий срок – за несколько лет; например, подпорный бьеф Земо-Авчальской ГЭС на реке Куре в течение 5 лет был заилен на 60 %, Штеровское водохранилище на реке Миус (Донбасс) за такой же период на 85%. Вместе с тем в литературе приводятся также примеры водохранилищ, которые почти не заиляются; к ним относится водохранилище одной из высочайших в мире плотин Боулдер (на р. Колорадо), которое в соответствии с проведенными расчетами должно заполниться илом только через 445 лет.

Откладывающиеся наносы не только уменьшают полезную емкость водохранилища и создают в хвостовой его части затруднения для судоходства, но и приводят к постепенному подъему уровня воды в верхнем бьефе, а также более дальнему от плотины распространению кривой подпора, что вызывает увеличение затоплений земель. В частности, в зоне примерного подпора может оказаться гидрологический (водомерный) пост, который до строительства плотины и наполнения водой водохранилища находился на свободном участке реки.

Поэтому при проектировании и эксплуатации водохранилищ на реках с повышенным содержанием наносов приходится интересоваться вопросами заиления водохранилищ, а в ряде случаев намечать соответствующие меры по борьбе с этим явлением.

Если ситуация такова, что насыщенность водного потока наносам значительно уменьшается за счет осаждения их в зоне водохранилища, то тогда в нижний бьеф водоподпорного сооружения поступает осветленная вода. В результате устойчивость русла в нижнем бьефе, установившаяся в предшествующий строительству плотины период, нарушается, так как поток начинает интенсивно размывать русло и насыщаться наносами в соответствии со своей «транспортирующей способностью». При этом дно русла нижнего бьефа будет несколько понижаться, иногда на значительное расстояние от плотины (десятки и даже сотни километров). Снижение дна русла в нижнем бьефе может вызвать:

а) нарушение устойчивости мостовых опор;

б) понижение уровня грунтовых вод в берегах, что сопровождается, в частности, обсыханием колодцев;

в) ухудшение работы ранее построенных водозаборов.

После строительства плотины существенно меняется и ледово-термический режим на участке реки, оказавшейся в зоне распространения подпора. В верхнем бьефе вследствие резкого замедления скоростей течения быстрее наступает ледостав, ледяной покров достигает большей толщины, чем имел место до строительства сооружения, затягиваются сроки вскрытия, что отрицательно сказывается на условиях судоходства и даже может оказать влияние на микроклимат прилегающей территории.

Накопление больших объемов воды способствует аккумуляции в водохранилищах дополнительного тепла (впрочем, мало влияющего на ледовый режим верхнего бьефа). Это тепло, поступая с водой в нижний бьеф, вместе с высокими скоростями потока зимой замедляет формирование за плотиной ледяного покрова, приводя к образованию полыней. Последние при определенных метеорологических условиях являются «фабриками шуги». Шуга же, перемещаясь водным потоком в больших количествах на нижележащие участки реки, где установился ледяной покров, способствует образованию зажоров, приводящих к зимним наводнениям и образованию обширных наледей, иногда приносящих значительный ущерб народному хозяйству (выход из строя дорог, мостов и линий связи и т.п.). [1, с. 21-23].

Фильтрация воды под плотиной. Причины и последствия.

Основания плотин – различные горные породы – обычно в той или иной степени проницаемы для воды (в том числе и скальные). [2, с. 21-23]. Это происходит вследствие пористости грунтов, слагающих основание плотин, берега рек, поймы и речные долины - вода из верхнего бьефа под действием напора фильтрует в основание плотины и в берега в обход её. [2, с.317]. Естественно, что после поднятия плотиной уровня воды в реке основание сооружения насыщается водой, которая движется по порам и трещинам из зоны большего давления в зону меньшего давления, т. е. из верхнего бьефа в нижний бьеф. Это движение называется фильтрационным или фильтрацией воды.

Область фильтрации под напорным гидротехническим сооружением ограничивается сверху поверхностями сооружения, которыми оно соприкасается с грунтом основания и берегов, а снизу – кровлей водоупора (иногда водоупор отсутствует на практически достижимой глубине). Входной поверхностью фильтрационного потока является дно верхнего бьефа, выходной – дно нижнего бьефа и проницаемые для воды части сооружения (рисберма, дренажные устройства и пр.).

Фильтрация воды под сооружением является напорной, т. к. свободная поверхность фильтрационного потока отсутствует. Линия контакта сооружения с грунтом основания по направлению продольной оси потока называется подземным или фильтрационным контуром, который обычно представляет собой ломаную линию (на рис. 1.3.2 линия ABCDEFGKL).

Фильтрация воды под напорными гидротехническими сооружениями имеет следующие последствия:

1)  происходит потеря (утечка) воды из водохранилища в нижний бьеф;

2)  фильтрующаяся вода оказывает гидростатическое давление на подошву сооружения, направленное снизу вверх и называемое обычно противодавлением ввиду направленности его противоположно силе тяжести. Противодавление как бы облегчает сооружение, уменьшает его вес и сопротивление сдвигающим сооружение горизонтальным силам;

3)  фильтрующаяся вода может механически и химически действовать на грунт, слагающий основание сооружения, увлекая за собой мелкие частицы, а соли растворяя и унося их в нижний бьеф. В первом случае процесс называется механической суффозией грунта, а во втором – химической суффозией. Начавшаяся суффозия делает грунт основания проницаемым для воды, скорости фильтрации возрастают, фильтрующийся поток оказывается способным выносить частицы большего размера и при дальнейшем развитии явления может закончиться разрушением основания и аварией сооружения.

Таким образом, борьба с последствиями фильтрации конкретно направлена на сокращение потерь воды из верхнего бьефа, на уменьшение противодавления, на снижение скоростей фильтрационного потока.

Априори можно утверждать, что при одном и том же напоре на плотине фильтрация под сооружением и её последствия будут тем меньше, чем больше путь фильтрации, т.е. длина фильтрационного контура.

Удлинение путей фильтрации создаётся устройством перед плотиной водонепроницаемого покрытия, называемого понуром, а под понуром и сооружением - вертикальных преград в виде шпунтовых стенок в мягких грунтах, либо в виде цементных, битумных и других завес в скальных основаниях.

Аналогичный процесс фильтрации совершается и в берегах русла или долинах, к которым примыкает подпорное сооружение. Борьба с этим явлением также ведётся в основном удлинением путей фильтрации.

Для обоснованного определения размеров противофильтрационных элементов плотины и полного учёта стока в створе гидроузла необходимо уметь рассчитывать значения основных параметров фильтрационного потока: его скорости, расходы и противодавления. [1, с. 23-24].

Бетонные и железобетонные плотины.

Плотины по конструктивным признаками и условиям статической работы различают:

·  гравитационные массивные (рис. 1.3.4 а), т.е. плотины, устойчивость которых обеспечивается их собственным весом – горизонтальному сдвигающему гидростатическому давлению воды в данном случае противостоит сила трения (а иногда и сила сцепления), действующая по подошве плотины, которая зависит от веса плотины и коэффициента трения тела плотины по основанию;

·  контрфорсные (рис. 1.3.4 б), устойчивость которых обеспечивается не только весом самой плотины, но и весом воды в объеме призмы АВС; эти плотины имеют большой уклон верховой грани со стороны верхнего бьефа;

·  арочные (рис. 1.3.4 в), работающие как свод, «положенный на бок» и упирающийся своими пятами в берега;

·  гравитационные облегченные, т.е. такие плотины, в которых предпринят ряд конструктивных мер с целью экономии дорогостоящего бетона, разумеется при сохранении необходимой устойчивости сооружения.

Среди наиболее известных бетонных гравитационных плотин на скальном основании следует назвать плотины:

·  Гранд-Диксанс на р. Диксанс (наибольшая высота – 281 м, Швейцария),

·  Гувер (Боулдер) на р. Колорадо (наибольшая высота – 222 м, США),

·  Шаста на р. Сакраменто (наибольшая высота – 184 м, США),

·  Братская на р. Ангаре (наибольшая высота – 124 м, Россия),

·  Элефант Бьют на р. Рио-Гранд (наибольшая высота – 94 м, США) и др.

Плотины из грунтовых материалов.

К грунтовым материалам относятся:

·  нескальные грунты (глинистые, песчаные, крупнообломочные);

·  естественный камень, получаемый путем разработки скального грунта.

Плотины из грунтовых материалов почти всегда бывают глухими: перелив воды через их гребень допускается только как исключение для плотин малой высоты (при условии принятия соответствующих мер).

Плотины из грунтовых материалов оказываются весьма экономичными конструкциями, если вблизи места строительства имеется соответствующий грунт или камень. Существенным положительным качеством рассматриваемого типа плотин является их долговечность, простота конструкции и производства работ по их осуществлению, в связи с чем для сооружения таких плотин не требуется, в частности, большого количества квалифицированной рабочей силы.

Земляные плотины, являясь древнейшим типом плотин, и в настоящее время имеют самое широкое распространение. Эти плотины можно троить практически на всех основаниях, что является их крупнейшим преимуществом. Среди наиболее известных земляных плотин следует назвать:

·  Андерсон Рэнч (наибольшая высота – 139 м, США),

·  Плотина ГАЭС (наибольшая высота – 125 м, Люксембург),

·  Сер-Понсон (наибольшая высота – 122 м, Франция),

·  Барири (наибольшая высота – 112 м, Бразилия) и др.

По способам постройки земляные плотины делятся на насыпные, возводимые путем отсыпки грунта в тело плотины (насухо или в непроточную воду) и намывные, возводимые средствами гидромеханизации земляных работ.

Способ постройки плотины существенно влияет на ее конструктивные особенности.

Земляные насыпные плотины по конструктивным признакам принято разделять на следующие основные типы (рис. 1.3.5):

·  плотины из однородного грунта, т.е. выполненные из одного вида слабоводопроницаемого грунта (рис. 1.3.5 а);

·  плотины из неоднородного грунта, т.е. выполненные из разных грунтов; часто отдельные грунты в теле плотины располагают так, чтобы водопроницаемость плотины увеличивалась по направлению от верхнего бьефа к нижнему (рис. 1.3.5 б), иногда же наиболее водонепроницаемый грунт помещают в центральной части профиля плотины (рис. 1.3.5 в);

·  плотины с наружной (верховой) маловодопроницаемой или водонепроницаемой противофильтрационной преградой в виде экрана, выполненного из маловодопроницаемого грунта (рис. 1.3.5 г, е), асфальтобетона, полиэтиленовой пленки и т.п. (рис. 1.3.5 д);

·  плотины с внутренней (центральной) маловодопроницаемой или водонепроницаемой преградой в виде ядра, образованного маловодопроницаемым грунтом (рис. 1.3.5 ж), или диафрагмы (рис. 1.3.5 з) из негрунтовых материалов – бетона, железобетона, асфальтобетона, полиэтиленовой пленки, металла и т.п.

Деревянные плотины.

Деревянными плотинами называются такие, в которых нагрузка от воды и других факторов воспринимается в основном деревянными конструкциями, а устойчивость против сдвига обеспечивается закреплением деревянных частей в основании, нагрузкой их балластом в виде земли, камня и другими средствами.

Деревянные плотины, как правило, устраивают водопропускными (водосливными); глухие деревянные плотины применяются очень редко, так как они оказываются даже в лесистых местностях дороже глухих земляных или каменно-набросных плотин. Рассматриваемые плотины сооружаются:

·  главным образом в целях улучшения лесосплава на небольших лесосплавильных реках;

·  иногда в связи с устройством небольших ГЭС или тех или других интересах сельского хозяйства.

Основной породой дерева в плотиностроении является сосна как наиболее распространенная и стойкая в условиях переменной влажности.

Положительными качествами древесного строительного материала, содействовавшими широкому применению его в плотиностроении, являются: легкость обработки и простота конструкции, упругость, малая чувствительность к колебаниям температуры, хорошая сопротивляемость размывающему действию воды, сравнительная дешевизна.

Недостатком дерева являются: деформативность древесины (усушка, коробление и снижение ее прочности под влиянием влажности); трудность конструирования элементов, работающих на растяжение; сгораемость; подверженность гниению и разрушению вредителями. Последнее обстоятельство наиболее важно, так как до 10-15 лет сокращает срок надежной службы сооружения, хотя при своевременном ремонте верхних частей плотины срок этот может быть доведен до 25 лет и более. В целях борьбы с гниением дерево в соответствующих местах конструкции пропитывается антисептиками.

Плотины из прочих строительных материалов.

Особое место занимают небольшие плотины временного типа, выполняемые или из подручного материала или разборчатые.

К числу первых, в частности, относятся плотины из хвороста, устраиваемые до напоров 2-3 м; плотины, выполняемые из свежесрубленных деревьев с ветвями и листвой (высотой до 5,0 м); габионные плотины, образованные из проволочных (сетчатых) «ящиков», заполненных камнем, называемых габионами (высота достигает 5 метров и более).

Разборчатые плотины используются для производства ремонтных работ на шлюзах, в доках и для создания на небольших водотоках сезонных водохранилищ с целью удовлетворения разнообразных потребностей сельского хозяйства. Раньше такие плотины применялись и для улучшения судоходных условий на реках. [2, с. 23-24].

Похожие работы

Тактика спасательных работ и ликвидации последствий при прорыве плотины водохранилища

Скачать

129772

36

15

... ; Защита личного состава формирований Ее организуют, чтобы не допустить поражения (травмирования) людей при ликвидации последствий затопления после прорыва плотины водохранилища и обеспечить выполнение поставленных задач. В основном задача решается путем соблюдения мер безопасности в ходе спасательных, восстановительных и других неотложных работ. Основными из них являются: разведка, инженерное ...

Оценка экологических и экономических последствий строительства и эксплуатации водохранилищ

Скачать

224699

13

7

... в предсказании краткосрочных процессов (на 10-15 лет), что связано с отсутствием необходимых материалов о состоянии компонентов экосистем и процессах их эволюционных и циклических изменений.   1.4 Экономические последствия строительства и эксплуатации водохранилищ   1.4.1 Воздействие ГТС на земельные ресурсы Изменения, вносимые созданием и эксплуатацией ГТС в режим водотока, как и изменения, ...