Проектирование гидротехнических сооружений

В работе рассмотрены вопросы проектирования ГТС. Выполнены расчёты основных технических характеристик гидроузла. Показано как влияют особенности географического положения и природно-климатических условий на выбор основных гидрологических характеристик источника водоснабжения. Приведены расчёты рыбоохранных сооружений гидроузла. Также рассмотрены вопросы экологии, охраны труда и основные задачи эксплуатации ГТС. ...

Введение
1. Разновидности гидротехнических сооружений
2. Особенности географического положения и природно-климатических условий Краснодарского края
3. Максимальный расход воды в половодье
4. Определения района для размещения гидроузла
5. Основные элементы земляных плотин
6. Гидравлический расчет открытого паводкового водосброса
7. Вычисление максимального расхода воды
8. Элементы гидроузла
9. Рыбоподъемники
10. Рыбоходы
11. Угреходы
12. Подготовка к строительным работам
13. Проект и организация строительных работ
14. Задачи службы охраны труда
15. Решение экологических вопросов
16. Основные задачи эксплуатации ГТС
Список литературы

Гидротехнические сооружения располагают в зависимости от рельефа местности и качества грунтов вблизи источников водоснабжения. Гидроузел, комплекс ГТС построены на одном участке реки и связаны между собой назначением и работой. Гидроузел создается на малых реках для поднятия уровня воды до нужной отметки, обеспечивая самотечную подачу воды для полного спуска воды с водохранилища и для сброса излишков паводковых вод из верхнего бьефа в нижний. Все сооружения гидроузла связаны между собой, поэтому проектирование начинают с компоновки, которая заключается в выборе створа земляной платины, мест расположения водозаборных и водосбросных сооружений и увязке основных отметок. Створ платины выбирают в узком месте поймы реки с таким расчетом, чтобы обеспечить удобный сбор излишек воды. Тип и место в одосбросного сооружения выбирают методом сравнения при сопоставлении различных вариантов и от величины сбрасываемой воды. Водозаборные сооружения располагают в местах сопряжения плотин с берегами на крупных реках России. ГТУ — являются комплексными, т. е. предназначенными для полной энергии, обеспечения судоходства, осуществления орошения, водоснабжения городов и поселков и пропуска рыбы к местам нереста. Следовательно, гидроузел обязательно входит в рыбопропускное сооружение

гребень плотины должен быть укреплен в соответствии с классом дороги, которая будет по нему проходить;
грунты для плотины должны быть определенного качества и хорошо уплотнены;
грунты в основании плотины должны быть всесторонне изучены;
при проектировании плотины руководствуются правилами, изложенными в СНиП 115373 "Плотины из грунтовых материалов.
5. Основные элементы земляных плотин
Земляная плотина представляет собой трапецию, ограниченную сверху гребнем, с боков — откосами, снизу — подошвой. При проектировании земляных плотин устанавливают размеры основных элементов насыпи, заложение и крепление откосов, сопряжение с основанием и берегами и тип дренажа.
Ширина гребня назначается исходя из условий эксплуатации сооружения. При отсутствии специальных дорог минимальная ширина Зм, а если устраивают по гребню плотины автомобильную дорогу, в соответствии с нормами, назначают 6 – 8 м. Полная высоты плотины определяется как суммарная величина напора плотины (Н) и сухого запаса. На практике сухой запас назначают 1,5 – 2 м. Откосы земляных плотин делают различными. Верховой (мокрый откос) более пологий, низовой откос более крутой. Заложение откосов назначают из условий устойчивости грунтов.
6. Гидравлический расчет открытого паводкового водосброса
Паводковые водосбросные сооружения строят в глухих плотинах нагульных (русловых) и головных прудов. Водосбросные сооружения (водосбросы) служат для сброса излишка паводковых вод из головного пруда или водохранилища в нижний бьеф. При помощи таких сооружений регулируют уровень воды в головном пруду, в котором вода должна находится на определенной расчетной отметке.
Через водосбросные сооружения сбрасывают излишки весенних и летне-осенних паводковых вод и воду из головного пруда в нижний бьеф.
Паводковые водосбросные сооружения проектируют двух основных типов: автоматические и управляемые с затворами. Тип водосброса и место расположения его в головном гидротехническом узле выбирают в зависимости от величины пропускаемого расхода, топографических и геологических условий и наличия местных строительных материалов.
При проектировании и строительстве паводковых водосбросов широко используют типовые проекты. Паводковые водосбросы проектируют, руководствуясь гл. 50 Сни П П-50-74.
Конструкции автоматических и управляемых водосбросов различаются тем, что у автоматических водосбросов порог (дно) сооружения располагается на отметке НПУ, при повышении уровня воды над этой отметкой вода автоматически сбрасывается из верхнего в нижний бьеф; у управляемых водосбросов порог сооружения располагается ниже отметки НПУ (вплоть до дна), и отверстие этого сооружения перекрывается затворами, при помощи которых и регулируется уровень воды в водохранилище.
7. Вычисление максимального расхода воды
Гидравлическим расчетом водосбросных сооружений определяются размеры отверстий сооружений, которые должны обеспечивать пропуск максимальных расходов воды.
Расчет отверстий водосбросных сооружений производится на основании величин вероятных наибольших расходов воды в период снегового половодья и дождевых паводков.
Величины максимальных расходов воды талых вод необходимы гидротехникам при проектировании плотин и водосбросных сооружений.
Расчет максимальных расходов воды можно вести по данным гидрометрических наблюдений:
Опах-37,5
НПУ=25м
ПВС=22 м
Уровень нижнего бьефа равен 23 м
Периметр живого сечения перед водосбросом -\у = 30 м 2
Количество стоек т1 = 2
Ширина стоек С = 0,2м
Коэффициент скорости (р = 0,936 у плавного входа и (р = 0,9 - неплавный вход;
Коэффициент расхода для плавного ц = 0,35, неплавный ^ = 0,32.
Гидравлический расчет водосбросного сооружения производят исходя из условий работы прямоугольного водослива с широким порогом, в котором водослив может быть затопленный и незатопленный.
Расчет:
1. Определяем напор на пороге водослива
Н= Зм Н=НПУ
2. Определяем скорость течения воды на подходе к водосливу
Уо = О =37.5 =1,25 м/с
уу 30 где 0 расход м^с расчетный расход,
Уо = 1,25 м/с
3. Определяем действующий напор
Но=Н+У!= Цб = 0,08+3 = 3,08 м
2§ 2-9,8
4. Определяем глубину воды под напором водослива в нижнем бьефе. п=1м
5. Условия работы водослива
Ь= -1=0,32<0,7 3,08
6. Ширина потока воды в сжатом сечении
В. с. = 0 37,5 б,5м (рп-2-ё(Но-п) 0,9129,82,08
7. Количество сжатий
8. п=2т1+2=б
8. Определение строительной величины водосбора. В. с. = 6,5+0,07 -1 +0,2 2
= 7 м
Вывод: строительная величина водосбора равна 7 м, вход неплавный, водосброс незатопляемый.
8. Элементы гидроузла
Проходные и полупроходные рыбы для размножения идут из моря в реки. Нередко места нереста рыб расположены на большом расстоянии от моря и на пути к ним рыба встречает плотины, преграждающие ей путь вверх по реке.
На таких реках как Дон, Волга, Днепр, Обь, Тулома, Кура, Енисей, Даугава и др., имеющих рыбохозяйственное значение, построено по несколько гидротехнических узлов, через которые рыба должна пройти к местам размножения.
Для обеспечения прохода промысловых рыб из нижнего в верхний бьеф к нерестилищам в плотинах гидротехнических узлов строят рыбопропускные сооружения.
Рыбопропускные сооружения различаются по конструкции и бывают двух типов: рыбоходы и рыбоподъёмники.
Рыбоход. Рыбоход — сооружение в виде лотка, устраиваемое в обход плотины или в теле плотины. В рыбоход из верхнего бьефа постоянно подаётся поток воды со скоростями течения, которые может преодолеть рыба при проходе по рыбоходу из нижнего в верхний бьеф.
Особым видом рыбохода является сооружение, пропускающее молодь угря вверх по реке, — угреход.
Рыбоподъемники. Рыбоподъемники — сооружения, располагаемые в теле платины и пропускающие рыбу из нижнего бьефа в верхний при помощи подъемных механизмов или методом шлюзования.
Особым типом рыбопропускных сооружений является рыбопропускной шлюз и плавучая установка для привлечения и транспортировки рыбы.
Для обеспечения нормальной работы рыбопропускных сооружений необходимо соблюдать следующие условия:
1. Для привлечения рыбы к входу в рыбоход из верхнего бьефа в нижний необходимо подавать значительный расход воды, а скорости воды в этом месте должны быть равны скорости течения воды в реке. Вход в рыбоход следует располагать с таким расчетом, чтобы рыба могла легко его обнаружить.
2. Скорость течения воды по рыбоходу следует назначать в зависимости от вида рыбы, идущей по рыбоходу, чтобы рыба могла ее преодолеть.
3. Размеры отдельных конструктивных частей рыбоходов необходимо выбирать в зависимости от вида рыб, которые будут проходить по этому рыбоходу. Так, ширину, длину отдельных бассейнов (ступеней), уклон дна, расстояния между бассейнами для отдыха рыб, размеры вплывных отверстий и т. д. следует назначать в каждом отдельном случае специально.
4. При устройстве рыбоподъемников размеры подходного лотка и камер рыбоприемника необходимо назначать с учетом исключения травмирования рыбы при подъеме ее из нижнего бьефа в верхний.
5. Работа подъемных и других механизмов должна быть по возможности бесшумной, чтобы не отпугивать рыбу от сооружения.
Обеспечение интенсивного пропуска рыбы из нижнего бьефа в верхний во многом зависит от удачного расположения рыбопропускного сооружения в теле плотины и от его размеров. Размеры рыбопропускных сооружений зависят от напора, созданного плотиной, рельефа местности в створе плотины и конструктивных решений всего комплекса сооружений, входящих в состав гидротехнического узла.
Выбор типа рыбопропускного сооружения зависит от напора гидротехнического узла, в котором предполагается его строительство, а также вида и количества рыбы, которая должна быть пропущена через рыбопропускное сооружение из нижнего бьефа в верхний.
На гидротехнических узлах с напором до 30 м рекомендуется применять рыбоходы лестничного типа, при больших напорах лучше устраивать рыбоподъемники и рыбопропускные шлюзы, так как лестничные рыбоходы будут иметь большие размеры и следовательно, дорого стоить.
Для пропуска лососевых рыб пригодны рыбоходы, в которых создаются условия, близкие к природным. Для пропуска осетровых и сельдевых рыб лучше применять рыбоподъемники и рыбопропускные шлюзы, так как крупным осетровым рыбам трудно подниматься по рыбоходу и преодолевать скорости в вплывных отверстиях до 2 м/с; сельдевые же рыбы, идущие на нерест в больших количествах, будут травмироваться в рыбоходах.
9. Рыбоподъемники
Наиболее распространен гидравлический рыбоподъемник с побуждающими устройствами, размещаемый в теле плотины и представляющий собой вертикальную шахту, в которую рыба входит из нижнего бьефа по входному лотку и после заполнения всей шахты водой выходит в верхний бьеф. Для осуществления нормальной работы рыбоподъёмника высота шахты должна быть равна разности отметок уровня воды верхнего и нижнего бьефов.
Принцип работы гидравлического рыбоподъёмника с пробуждающими устройствами таков. Через открытое входное отверстие в вертикальной шахте к которому подходит рыба по входному лотку, она входит в шахту. Выходное отверстие из шахты закрывают. Далее входные затворы в шахту закрывают и шахту по специальным трубопроводам наполняют водой. Во входном лотке и в шахте располагаются специальные побудительные решётки: вертикальные и горизонтальные, заставляющие рыбу сначала передвигаться по лотку, а затем подниматься вверх по шахте при наполнении шахты водой. После наполнения шахты водой открывают выходное отверстие, рыба выходит по верхнему лотку в верхний бьеф. Для бесперебойной работы рыбоподъёмника устраивают два подоходных лотка и две вертикальные шахты, что позволяет производить подъём рыбы беспрерывно.
Рыбоподъёмник на Цимлянской ГЭС для пропуска рыбы из нижнего бьефа в Цимлянское водохранилище расположен между зданием ГЭС и водосливной плотиной и состоит из низового входного лотка шириной 6 м и длиной 110 м; садка размером 5Х18 м с побудительной решёткой, причём для привлечения рыбы в садок на дне его устроены отверстия, через которые подаётся вода; вертикальной шахты размером (в плане) 7Х5 м и высотой З6.8 м с подвижной горизонтальной побуждающей решёткой (по мере наполнения шахты водой поднимается и решётка, которая подталкивает рыбу вверх); верхнего выходного лотка шириной 6 м и длиной 65 м.
Когда уровень воды в шахте поднимается до уровня воды в водохранилище, открывается затвор верхнего бьефа и рыба входит в верхний лоток. Для привлечения рыбы к входу в низовой лоток и садок рыбоподъёмника применён турбинный гидроагрегат. Управление рыбоподъёмником производится с пульта управления.
Однако в конструкции Цимлянского рыбоподъёмника имеются недостатки: скорость течения воды у входа из низового лотка меньше скорости течения воды, идущей от ГЭС, и по этому рыба идёт на более сильный ток воды, к зданию РЭС, проходя рыбоподъёмник; из-за наличия только одной вертикальной шахты в рыбоподъёмнике он работает с перерывами.
Рыбоподъёмник на Волгоградской ГЭС имени XXII съезда КПСС построен в 1961 г. для пропуска рыбы к нерестилищам вверх по Волге.
Волгоградский рыбоподъёмник расположен в теле водосливной плотины во второй секции от раздельного пирса и состоит из двухниточного низового лотка шириной 8,5 м и длиной 85,25 м, причём в лотке имеется побудительная решётка, которая движется по нему от входа в него до шахты рыбоподъёмника, вынуждая рыбу к заходу в шахту; двух вертикальных шахт размером каждая 8,5Х8,5Х36,3 м с горизонтальной и вертикальной побудительными решётками; по мере наполнения шахты водой горизонтальная решётка поднимается, побуждая рыбу к подъёму. В тот момент, когда уровень воды в шахте сравняется с уровнем воды в верхнем бьефе, открывается рабочий затвор со стороны верхнего бьефа и вступает в работу вертикальная решётка, пробуждающая рыбу входить в верхний лоток, верхового лотка размером 100Х12Х8 м.
Для привлечения рыбы к входу в низовой лоток устроен турбинный гидроагрегат, создающий встречный ток воды.
Управление рыбоподъёмником производится со специального пульта.
Наличие двух низовых лотков и двух вертикальных шахт обеспечивает непрерывный пропуск рыбы в верхний бьеф.
10. Рыбоходы
По рыбоходам рыба поднимается из нижнего бьефа в верхний навстречу потоку воды, идущему с определенной скоростью из верхнего бьефа в нижний.
Наиболее эффективным является лестничный рыбоход-лоток, разделенный поперечными стенками на отдельные бассейны. Дно каждого бассейна горизонтально. Каждый последующий бассейн расположен выше предыдущего. В продольном разрезе рыбоход напоминает лестницу.
Для облегчения передвижения рыбы вверх по рыбоходу в поперечных стенках вверху или у дна устраивают вплывные отверстия квадратной или прямоугольной формы. Устройство вплывных отверстий удлиняет путь движения воды, благодаря чему скорость ее уменьшается.
В табл. приведены скорости, которые могут преодолеть различные виды рыб, плывущие в потоке и в узких проходах.
Таблица 1
Рыба
Скорость течения, преодолеваемая рыбами, м/с
в равномерном потоке
во вплывных и входных отверстиях
Карповые
0,5 – 1,0
0,8 – 1,2
Осетровые
0,8 – 1,2
1,0 – 1,5
Лососевые
1,5 – 2,5
2 – 3
Наибольшие скорости в лестничных рыбоходах создаются при переходе из одного бассейна в другой, а в самих бассейнах скорости меньше.
По длине рыбохода устраивают специальные бассейны для отдыха рыб, размеры которых больше, чем других бассейнов.
Ниже приводится описание конструкций двух построенных в Советском Союзе и действующих лестничных рыбоходов: Туломского (нижнего и верхнего) и Кегумского.
Нижне-Туломский рыбоход построен на р. Туломе (Мурманская область) для пропуска сёмги из нижнего бьефа Туломской ГЭС в верхний.
Этот рыбоход имеет вид бетонного лотка, расположенного в обход Туломской ГЭС. Лоток разделён на отдельные бассейны в железобетонными стенками с вплывными отверстиями.
Общая длина рыбохода 513 м, уклон дна 1:25, высота подъёма 16 – 20 м. В рыбоходе 49 бассейнов размером 3Х6 м, глубиной 0,9 м и 9 бассейнов для отдыха рыб размером 4,5Х8 м, глубиной 1,5 м.
Так как рыбоход работает в приливы и отливы, в нём имеются три входных отверстия, расположенных на различных уровнях. Для создания естественного течения воды в бетон дна втоплены булыжные камни.
Верхне-Туломское рыбопропускное сооружение нар.Туломев 65 км от Нижне- Туломской ГЭС, построенное в 1965 году, предназначено для пропуска на нерестилища сёмги и представляет собой сочетание лестничного рыбохода и рыбного шлюза.
По отводному каналу ГЭС рыба заходит в лестничную часть сооружения, а затем через бассейн отдыха в нижнюю камеру шлюза. По мере концентрации рыбы затвор нижней камеры закрывается и вода, а вместе с ней и рыба поднимается по вертикальной шахте шлюза до уровня верхней камеры. После выхода рыбы в верхний бьеф плотины затвор нижней камеры открывается, уровень воды падает до исходного и цикл повторяется снова. Продолжительность цикла от 3 до 10 часов. Управление системой — автоматическое и дублирующее — ручное.
Рыбоход пробит в гнейсовых проходах, не цементирован, что создаёт условия, близкие к естественным.
Общая длина рыбохода 260,5 м, уклон днища от нулевого до 1:9,1, на рыбоходе тридцать ступеней, представляющие собой колодцы различных размеров с перепадами от 0,3 до 0,58 м. Заканчивается рыбоход бассейном для отдыха рыб.
Высота вертикальной шахты шлюза около 60 м. Вход в шахту рыбоподъёмника представляет собой окно, расположенное сбоку шлюзовой камеры.
Общая высота подъёма 63,4 м. Рыба для перехода из нижнего в верхний бьеф преодолевает путь длинной 830 м, в том числе участок (длинной 515 м) тоннеля отводящего канала ГЭС.
Кегумский рыбоход построен на р. Даугаве (Латвийская ССР) для пропуска балтийского лосося и сырти из нижнего бьефа Кегумской ГЭС в верхний.
В отличие от Нижне-Туломского рыбохода, который расположен в стороне от гидротехнического узла, Кегумский рыбоход расположен рядом со зданием ГЭС и водоснабжаемой частью плотины.
Рыбоход представляет собой лоток (лестницу), не развёрнутый по длине, а сгруппированный в систему продольных и поперечных маршей.
Общая длина рыбохода 240 м. В рыбоходе 10 маршей с углами поворота 90 и 180°. Каждый отдельный марш — железобетонный наклонный лоток шириной 3 м с вертикальными продольными стенками высотой 1,8 м. В рыбоходе имеется один бассейн для отдыха рыб размером 6Х6,3 м. Для лучшего захода рыбы в рыбоход со стороны нижнего бьефа имеется направляющая стенка, отделяющая поток воды, сбрасываемые через сбросные отверстия плотины.
Отмечено, что на ход рыбы по рыбоходу очень сильно влияет режим работы ГЭС. При работе всех турбин ГЭС из-за сильного течения в нижнем бьефе рыба дезориентируется и не может зайти в рыбоход. При уменьшении выработки электроэнергии и сброса воды сила течения уменьшается, рыба легко находит привлекаемую струю воды, идущую из рыбохода, и быстро поднимается по нему в верхний бьеф.
11. Угреходы
Угреходы — сооружения типа рыбохода, обеспечивающие проход молоди угря вверх по реке.
Молодь угря, поднимаясь в реки, движется вдоль берега. На пути она встречает различные преграды — пороги, запруды, плотины. Угорь преодолевает преграды даже с совершенно отвесными стенками, однако ему легче подниматься по смоченной и шероховатой поверхности.
Для облегчения передвижения угря вверх по реке и устраивают угреход — деревянный или бетонный наклонный лоток, соединяющий нижний и верхний бьефы. Ширину лотков принимают равной 20 – 40 см. Дно лотка желательно покрыть мелким галечником. По длине лоток делят перегородками с отверстиями, чтобы при значительных уклонах лотка галька не ссыпалась в нижний бьеф.
На р. Нарве при Нарвском гидроузле в 1957 г. был построен угреход для прохода молоди угря из нижнего бьефа плотины в верхний и далее в Псковско-Чудской водоём для нагула. После значительной перестройки угрехода в 1970 г. началась его опытная эксплуатация, а с 1972 г. постоянная эксплуатация.
Угреход после реконструкции представляет собой бетонный лоток с 65 ступенями — бассейнами размером 3Х5 м, глубиной 0,8 – 0,9 м, с перепадами между ними 0,3 м. В каждом бассейне имеется отверстие для прохода рыбы. Ступени объединяются в марши по 12 ступеней в каждом. Марши соединяются с бассейнами размером 4,5Х8 м, глубиной 1,5 метров для отдыха рыбы. Общая длина угрехода 513 м, высота подъёма угрехода 13,8 м. Дно лотка покрыто гравием, однако из-за отсутствия шероховатости лотков камни на участках с резкими уклонами смываются водой, образуя пробки, оголённые участки, которые угорь не может преодолеть, что является недостатком в конструкции угрехода.
12. Подготовка к строительным работам
Чтобы все строительные работы осуществлялись по плану и были закончены в срок, перед началом строительства проводят организационные мероприятия и подготовительные работы.
К организационным мероприятиям относятся: утверждение проектно-сметной документации, проверка обеспеченности строительными материалами, проектной документацией по организации производства работ, рабочими чертежами и сметой на первый год строительства, получение фондов и размещение заказов на изготовление оборудования, утверждение строительных и монтажных организаций, которые будут вести строительство.
В этот период решаются вопросы по размещению и культурно-бытовому обслуживанию строительных кадров, производится отвод территории для строительства, строятся подъездные дороги и обеспечивается подача электроэнергии. Строительство снабжается основными материалами (цемент, металл) и машинами (экскаваторы, тракторы, автомашины и пр.) по специальным фондам.
Местные строительные материалы (кирпич и т. д.) отпускаются для строительства по планам республиканскими органами на основании заявок, полученных от ведомств и строек, а песок, щебень, гравий и др. — на основе договоров, заключенных с определенными местными предприятиями.
К первоочередным подготовительным работам относятся: создание опорной геодезической сети, освобождение зоны затопления от построек и пр., строительство подъездных путей, системы водоснабжения, линии телефонной связи и пр.
За этими работами следует очистка участка, где будут располагаться сооружения, дороги, от леса и кустарника, отвод поверхностных вод и пр.