Возросший интерес к малой гидроэнергетике в настоящее время связан с рядом факторов
ВВЕДЕНИЕ
Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии, а особенно малая гидроэнергетика, за последние десятилетия заняли устойчивое положение в качестве важной составляющей электроэнергетики многих стран мира. Объекты малой гидроэнергетики могут сооружаться практически на любых водных объектах, имеющих гидроэнергетический потенциал: на малых реках и ручьях, водосбросных сооружениях мелиоративных систем, водосбросах тепловых электростанций, питьевых водоводах, продуктопроводах предприятий, канализационных коллекторах и др. В связи с этим остро встает вопрос о корректности в расчетах и проектировании гидротехнических сооружений, играющих важную роль среди других объектов малой гидроэнергетики.
Строительство гидроузлов комплексного назначения ведется в самых различных климатических, геологических и топографических условиях нашей страны. Возводятся и намечаются к строительству гидроузлы, в состав которых входят плотины из грунтовых материалов и оптимальные водосбросные сооружения. Прогресс в развитии исследований, проектирования и строительства плотин из грунтов и камня позволил существенно увеличить высоту и объем насыпи плотин, использовать для строительства плотин створы, ранее считавшиеся для этого непригодными; более экономично использовать на месте грунты и камень.
Возросший интерес к малой гидроэнергетике в настоящее время связан с рядом факторов. В промышленно развитых районах, в основном исчерпаны возможности крупного гидроэнергетического строительства. Кроме того, создание крупных ГЭС связано с преодолением негативной реакции на экологические последствия такого строительства. В то же время малое гидроэнергетическое строительство, ведущееся, как правило, в границах естественного колебания уровней водотока, практически не приносит экологического ущерба.
Наиболее эффективным направлением является реконструкция и восстановление ранее существовавших, но впоследствии выведенных из эксплуатации малых ГЭС. Это направление может быть особенно эффективным в той части Украины, где ранее работали сотни малых ГЭС. Теперь они могут быть реконструированы и восстановлены на новом техническом уровне. На ряде малых ГЭС сохранились гидротехнические сооружения и подпертые бьефы, которые используются в рекреационных, водохозяйственных, мелиоративных целях, что упрощает задачу восстановления объектов и снимает ряд задач, связанных с экологией.
Данное пособие будет полезно студентам старших курсов и аспирантам.
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЯХ И ГИДРОУЗЛАХ
Виды водоподпорных сооружений
Часть водоема, реки или канала по ту сторону водоподпорного сооружения, где имеется более высокий уровень воды, называется верхним бьефом… - Водоподпорные сооружения, перегораживающие речное русло или речную долину… - Водоподпорные земляные сооружения, устраиваемые по берегам рек для защиты береговых земель от временного затопления…Назначение гидроузлов
В соответствии с водохозяйственными целями, для которых напорные узлы сооружений возводятся, они могут быть, согласно СНиП 2.06.01-86… а) гидроэнергетическими, если цель гидроузла - получение гидроэнергии и в… б) воднотранспортными, или транспортными, если основное назначение узла - обслуживание водного транспорта и в составе…Классификация гидроузлов по величине напора
По величине напора, создаваемого узлом на реке, гидроузлы делятся:
а) на узлы низконапорные, или русловые, в которых нормальный подпертый уровень, как правило, не выходит за пределы меженного русла и при этом
пойма не затопляется; величина напора в наших условиях - примерно до 20 м;
б) узлы среднего напора или средненапорные, для равнинных рек характерны напоры в пределах 20-100 м;
в) узлы высокого напора, или высоконапорные, величина напора которых
превышает 100 м.
Следует отметить, что границы между отдельными видами напорных узлов условны и даны применительно к природным условиям нашей страны. Однако величина напора имеет значение не только для выбора типов сооружений и компоновки их, но нередко определяет и назначение узла. Так, низконапорные узлы строятся обычно в целях водозабора или для судоходства и реже бывают энергетическими (исключение - узлы малых гидроэлектростанций).
Средненапорные гидроузлы чаще всего бывают энергетическими и транспортно-энергетическими, на малых реках - также регулирующими сток.
Высоконапорные узлы в основном строятся для нужд энергетики и регулирования стока в разных водохозяйственных целях.
Состав сооружений в гидроузлах
Постоянные сооруженияделятся на основные, вспомогательные и прочие. Основные сооружения обеспечивают нормальную работу гидроузла и делятся на… Общими сооружениями являются:ПЛОТИНЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Из вышеизложенного следует, что в напорных гидроузлах плотина является главнейшим и наиболее ответственным сооружением и что чем выше напор, тем относительное относительное значение плотины больше.
Классификация плотин по целям их устройства
Эта классификация наименее четка, так как чаще всего назначение плотин бывает комплексным. Правильнее будет делить плотины и гидроузлы по степени регулирования стока. Если плотина создает лишь подъем воды и не может сколько-нибудь существенно регулировать сток, она называется водоподъемной.
Плотина называется водохранилищной, если она и гидроузел в целом обеспечивают регулирование стока реки. Однако особой четкости и в таком делении плотин нет, так как водохранилищная плотина создает обязательно подъем воды перед собой, т.е. выполняет функции и водоподъемной; водоподъемная же может в некоторой мере выполнять задачи частичного, например, суточного, регулирования стока, для которого не требуется накопления значительных объемов воды в верхнем бьефе.
2.2 Классификация плотин по основному материалу, из которого они
выполняются
По этому признаку плотины могут быть подразделены на следующие типы.
- Земляные плотины, основным материалом которых является земля, т.е. песчано-глинистый, песчаный и тому подобные грунты. Это самый древний вид плотин, получивший в последнее время новое развитие; наибольшая достигнутая высота таких плотин - около 140 м.
- Плотины из каменной наброски и из сухой каменной кладки, в основном выполняемые из камня без применения вяжущих веществ. Наибольшая достигнутая высота таких плотин - около 125 м.
- Плотины каменно-земляные, в которых применены земля и каменная наброска; наибольшая осуществленная высота таких плотин - 115м.
- Каменные плотины, выполняемые из каменной (бутовой) кладки на растворе, широко распространенные в 19 и начале 20 в., в настоящее время из-за невозможности широкой механизации процесса кладки строятся редко. Наибольшая высота их - 95 м.
- Бетонные плотины, являющиеся в настоящее время наиболее распространенными во всех странах. Наибольшая достигнутая высота их - 222 м, в постройке - плотина высотой 278 м.
- Железобетонные плотины, в которых в основном применен железобетон, хотя имеются и бетонные элементы, а иногда даже и каменная кладка. Эти плотины достигают высоты до 92 м.
- Деревянные плотины, имеющие обычно каменную или земляную загрузку (в частности ряжевые плотины); имеют обычно небольшую высоту, но есть примеры плотин до 22 м.
- Стальные плотины двух типов:
а) с неподвижными металлическими частями (имеется лишь несколько
примеров, наибольшая высота до 22 м);
б) с металлическими подвижными частями или затворами, которые фактически несут всю нагрузку от воды (например плотины с поворотными фермами, с поворотными рамами, мостовые и др.); плотины эти широко распространены и обычно имеют небольшой напор.
- Плотины комбинированные из различных материалов.
Классификация плотин по конструктивным признакам
По условиям конструктивным, характеру восприятия ими силовых воздействий и сопротивления их сдвигу от напора воды плотины могут быть разбиты на три основные группы (рисунок 1):
Рисунок 1 - Схемы основных конструктивных типов плотин:
а - гравитационная; б - арочная; в - контрфорсная (ребристая) железобетонная
(с плоской напорной плитой); г - заанкеренная (со сваями)
1) гравитационные, обладающие значительным весом для создания сил трения по основанию, сопротивляющихся сдвигающим усилиям от воды, действующим на плотину. Сюда относятся земляные, каменно-набросные, бетонные, ряжевые деревянные и другие плотины; в более глубоком смысле, под на званием гравитационных понимают массивные бетонные и каменные плотины (рисунок 1а);
2) арочные, криволинейные в плане, работающие как свод с вертикальной осью, передающий давление от воды через свои пяты скалистым берегам речной долины; строятся из бетона, железобетона, камня и редко - из дерева (рисунок 16);
3) контрфорсные, или ребристые, в которых давление воды передается через напорные перекрытия в виде плит, арок и т.п. вертикальным контрфорсам (ребрам), откуда и название данного типа плотины; эти плотины выполняются из бетона, железобетона, металла, дерева (рисунок 1в);
4) заанкеренные, или консольные (рисунок 1г), в которых сопротивление сдвигу обеспечивается в значительной мере благодаря заделке конструкции в грунт основания (например, свайные или шпунтовые плотины, плотины с анкерным глубоким зубом и т. п.).
Деление плотин по условиям пропуска ими воды
Плотины, не допускающие пропуска через них воды, называются глухими, а допускающие - водопропускными, или водосбросными. Пропуск воды через плотину… Часть плотины, занятая водосливными отверстиями, называется водосливной, или… Глубинные отверстия располагаются на некоторой глубине от уровня верхнего бьефа, положение порога их характеризует…Действие плотины (узла) на верхний и нижний бьефы
2.6 Действие речного потока на водоподпорные сооружения, имеющие водосбросные отверстия, и прилегающий участок русла В верхнем бьефе у плотины поток имеет обычно скорости течения, меньшие, чем… При наличии водосливного отверстия (рисунок 4а) увеличение скоростей от v0 в русле до v1 на водосливе приведет к тому,…Фильтрация воды под сооружениями
Естественно поэтому, что после поднятия плотиной подпора, основание сооружения насыщается водой, которая движется по порам и трещинам из верхнего… Фильтрация воды под гидротехническим сооружением влечет за собой такие… Происходит потеря (утечка) воды из верхнего бьефа в нижний.ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ
Местными материалами, не требующими дальних перевозок и пригодными для постройки плотин, являются различные рыхлые грунты (песок, супесь, суглинок, глина) и каменные материалы (гравий, галька, камень). Плотины и дамбы, возводимые из этих материалов, отличаются простотой конструкции и относительной дешевизной их возведения.
В зависимости от основного применяемого материала плотины из местных материалов, согласно СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов», делятся на плотины из местных материалов (грунтовые плотины):
1) плотины земляные (насыпные и намывные);
2) плотины из каменной наброски и из сухой кладки камня;
3) плотины из земли и камня или каменно-земляные.
Общие сведения
Земляные плотины являются древнейшим типом плотин. Эти плотины известны издавна, строились они для образования прудов и приведения в движение мельниц, а с 17 - 18 вв. - для обслуживания заводов, рудников. Искусство постройки земляных плотин достигло высокого уровня еще в 18 в., когда были построены плотины значительной высоты, смелые по форме и размерам (Змеиногорская плотина высотой 18 м). В настоящее время земляные плотины имеют самое широкое распространение во всех странах. Развитие механики грунтов и гидравлики грунтовых вод, инженерной геологии, широкое применение механизации земляных работ позволяют в настоящее время осуществлять плотины значительной высоты.
Типы земляных плотин
Рисунок 6 - Основные типы земляных плотин I - плотины из одного, более или менее однородного, вполне удовлетворительного материала, например, из песка,…Деление земляных плотин по способам их возведения
а) плотины насыпные, возводимые путем сухой отсыпки грунта и после дующего его уплотнения (укатки); б) плотины намывные, строительство которых производится при помощи… в) плотины полунамывные, при возведении которых грунт разрабатывается в карьерах, доставляется к плотине и отсыпается…Условия работы земляной плотины
Рисунок 8 - Схема фильтрации и насыщения плотины водой Свободная поверхность этого фильтрационного потока (рисунок 8), постепенно понижающаяся к нижнему бьефу, называется…Дренаж плотин
• дренажная призма (рисунок 9а). Дренажная призма выполняется, как правило, трапецеидального сечения. Берма (верх призмы) - шириной от 2 до 3 м.… Рисунок 9 - Схемы дренажа плотин: а - дренажная призма; б - дренажный тюфяк; в - трубчатый дренажПропуск воды через земляные плотины
Пропуск воды через земляную плотину нежелателен, а перелив через ее гребень без специальных устройств вообще недопустим, так как ведет к быстрому ее разрушению.
Поэтому земляные плотины устраиваются, как правило, глухими.
Водоспуски в теле земляной плотины устраиваются при соблюдении ряда предосторожностей.
Выбор типа земляной плотины. Роль имеющихся для плотины материалов
Наиболее простым, дешевым и удобным в производственном отношении является ил плотины из однородного материала (тип I, рисунок 6а). Однако он требует… Чем выше плотина, тем обычно труднее получить хороший грунт в нужном… При крайне ограниченном количестве хорошего водонепроницаемого грунта переходят к типам плотин III и IV (рисунок 6г,…МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Общие требования к материалам для земляных плотин
В плотине, выполняемой из нескольких грунтов, каждая часть ее требует грунта, обладающего специфическими для этой именно части качествами. Так,…Гранулометрический состав грунта
Насыпные плотины. Наилучшим грунтом для однородной, земляной плотины была бы такая естественная смесь частиц разной крупности, в которой мельчайшие… Одной из основных характеристик грунта является его зерновой состав. Нижние… Большое значение имеет степень неоднородности грунта, характеризуемая коэффициентом , где d60 и dl0 - размеры зерен,…Водоустойчивость и примеси
Грунты также не должны заключать в себе органических примесей более чем 1%, так как большое количество таких примесей может вызвать при разложении… Не допускаются в тело плотины растительные грунты, хотя имеется… По-видимому, для плотин II и IIIклассов капитальности и для временных сооружений это допустить можно. …Основные характеристики грунтов тела плотины, необходимые
Для проектирования
- гранулометрический состав; - объемный и удельный веса; - пористость и влажность грунта с ненарушенной структурой (в карьере);ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Общие положения
• плотина и ее основание должны быть устойчивы при всех возможных условиях их работы; • фильтрация воды через тело плотины и ее основание не должна вести к… • водопропускные устройства в гидроузле и высота гребня плотины над самым высоким горизонтом воды в подпертом бьефе…Назначение основных размеров профиля плотины
Уклоны и форма откосов плотины назначаются в зависимости от высоты ее и рода грунта, из которого они выполнены, от свойств основания и… Таблица 1 - Примерные откосы земляных плотин Высота плотины, м …Отметка гребня плотины
, (1) где - ветровой нагон воды в верхнем бьефе; - высота наката ветровых волн обеспеченностью 1 %;Конструкции гребня и крепления откосов
Ширину гребня плотины, если по нему не предусмотрен проезд, назначают не менее 3 м для плотин низких и средних и не менее 6м- для плотин высоких.… Таблица 8 - Ширина гребня плотины Класс дорог Высота плотины … до 15 м свыше 15 м 1. Дорога в две ленты движения, хозяйственная с обочинами …УСТРОЙСТВА, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ФИЛЬТРАЦИЮ В ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ
Минимальный размер экрана или ядра поверху назначается из условий производства работ, но не менее 0,8 м (обычно 2-4 м), а понизу из того, что…Экраны и понуры
Битумные экраны обладают нужной водонепроницаемостью и гибкостью на случай деформаций откоса, легко ремонтируются и по стоимости дешевле бетонных. В… Рисунок 24 – Плотина с экраном и понуром на канале имени МосквыЯдра и диафрагмы
Рисунок 26 - Плотина с ядром, опущенным до водоупора Толщина ядра зависит от желаемого снижения кривой депрессии, но поверху она делается минимально 1-1,5 м, внизу же…Дренаж земляных плотин
Дренаж тела плотины имеет целью понижение линии депрессии, недопущение выхода фильтрационной воды непосредственно на низовой откос плотины и… Дренаж плотины осуществляется разными способами.Противофильтрационные устройства в основании плотины
1. Мощность проницаемых (коэффициент фильтрации грунтов основания ко больше коэффициента фильтрации тела плотины или ее противофильтрационного… В этом случае в основании может устраиваться «висячая» инъекционная завеса или… Если плотина однородная или с экраном может устраиваться понур (рисунок 33), то длина понура определяется на основе…Сопряжение упорных призм грунтовых плотин с основанием
этом случае необходимо предусмотреть мероприятия повышения прочности и снижения деформируемости основания созданием дренажа. Если в основании залегают равнопрочные телу упорных призм грунты, в этом… В случае скального основания, прикрытого рыхлыми небольшой мощности отложениями, должны быть определены прочностные…Обратные фильтры
Обратный фильтр устраивается обычно из нескольких слоев несвязных грунтов различной крупности, уложенных нормально направлению фильтрационных токов… Фильтр должен удовлетворять следующим условиям: - частицы одного слоя его не должны проходить через поры другого, более крупного;Фильтрационные расчеты
Фильтрационными расчетами следует определять: положение фильтрационной поверхности потока (депрессионной кривой) в теле плотины и берегах; фильтрационный расход воды через тело плотины, основания и берега, напоры (или градиенты) фильтрационного потока в теле плотины и основания, а также в местах выхода в дренаж.
Однородные плотины на водонепроницаемом основании
Расход на 1 п.м её длиныОднородные плотины на водонепроницаемом основании конечной мощности Т.
Расход через плотину на 1 п.м её длины вычисляется 7. Плотина с трубчатым дренажом (кт = кос)Плотины неоднородные на малопроницаемом основании
По способу виртуальных длин плотину приводят к однородной, причемУСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Минимально возможный профиль земляной плотины представляет собой трапецию с откосами, обычно не круче 1:1,5. Вес плотины такого профиля настолько… Неустойчивыми могут оказаться откосы плотины как сами по себе, так и в связи с…Устойчивость земляных откосов
В настоящее время можно считать, что в насыпях из сыпучих (несвяз ных) грунтов, лишенных сцепления и обладающих лишь внутренним трением, если… В связных грунтах устойчивость откосов зависит от сопротивления сдвигу,…Расчет устойчивости земляных откосов
Целью расчета является определение коэффициентов запаса устойчивости откосов плотины заданного поперечного профиля. При проверке устойчивости низового откоса основным расчетным случаем является… Минимальные допускаемые коэффициенты запаса устойчивости откосов при основном и особом сочетании нагрузок,…Метод определения коэффициента устойчивости откоса
Метод ВОДГЕО. В пределах кривой скольжения откос и основание плотины разбиваются на ряд столбиков одинаковой ширины, равной b=0,1R, где R - радиус… Для каждого столбика устанавливается объемный вес каждого слоя (приложение)…Расчет устойчивости экрана и защитного слоя
(91) где F- сила трения от веса экрана на 1 п.м, Т - сдвигающая сила от веса экрана (рисунок 40).Возможность пропуска воды набросными плотинами
Рисунок 42 - Переливные и фильтрующие набросные плотиныМатериал для набросных плотин и его укладка. Общие требования
К камню для наброски в плотины
выветривания (морозоупорностью). Прочность скальных пород, пригодных для набросных плотин, необходима для… Дополнительной характеристикой камня является его вязкость, придающая ему способность сопротивляться динамическим…Размеры и форма камня
Поэтому следует требовать, чтобы соотношения размеров камня - наименьшего и наибольшего, применяемого в наброску, отличались друг от друга не более… сов, т.е. потребует большего объема материала и даст более значительную… Заполнение пустот наброски каменной мелочью, т.е. обычными при разработке карьеров отходами камня, весьма полезно,…Породы камня, пригодные для наброски и сухой кладки
а) изверженные породы - гранит, сиенигг, габбро, диоригг, порфир, пор фирит (если нет следов выветривания), диабаз и базальт (последний - в зависи… б) осадочные - песчаники кремнистые (не глинистые и не мергелистые), кварциты,… Некоторые из этих пород иногда обладают не совсем благоприятными качествами, например, гранит иногда содержит пирит в…Виды наброски камня
Обычная наброска дает значительную осадку, иногда до 5% и более, так как камни ложатся совершенно случайно и неплотно. Для уменьшения осадки и… Еще большее уплотнение наброски достигается засыпкой мелкого камня и карьерной… Тело плотины следует выполнять вообще из камня разных размеров, это позволяет его сделать более плотным. Отдельные…ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ, ФОРМА ПЛОТИН И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
Классификация и конструктивные особенности каменнонабросных и каменно-земляных плотин
Для каменнонабросных и каменно-земляных плотин вопросы устойчивости откосов, грунтовых экранов и защитного слоя фильтрационные расчеты являются общими с аналогичными вопросами при расчетах земляных плотин. Ниже рассматриваются только основные специфические вопросы проектирования.
Основное тело плотин возводят из крупнообломочных грунтов (содержанием частиц крупнее 2 мм более 50 % по массе).
Характеристикой профиля каменных плотин служит отношение ширины плотины понизу к ее высоте В/Нт.
Крутизна откосов каменнонабросных плотин больше, чем земляных, так как угол внутреннего трения каменной наброски принимается в пределах от 36 до 42° (tg ф = 0,75 - 0,9).
Заложение верхового mi и низового т2 откосов следует назначать согласно таблице 13.
Таблица 13 - Некоторые характеристики каменных и каменно-земляных плотин
| Плотины | т, | т2 | ВДи |
| Каменнонабросные | 1,2-1,3 | 1,3-1,4 | 2,5-2,8 |
| Каменно-земляные с ядром | 1,5-2,0 | 1,3-2 | 3-4 |
| Каменно-земляные с экраном | 2-3 | 1,3-2 | 4-6 |
| Гравийно-(щебенисто) земляные: | |||
| с ядром | 2-2,5 | 2-2,5 | 4-5 |
| с экраном | 2,5-3,5 | 2-3 | 5-7 |