Міністерство освіти і науки України
Національний університет водного господарства та природокористування
Кафедра гідротехнічних споруд
Кафедра гідроенергетики і гідромашин
Климук А.С., Рябенко О.А.
Інтерактивний комплекс навчально-методичного забезпечення до курсу "Основи гідротехніки і гідроенергетики"
Рівне 2008
1. Загальні відомості про гідротехніку
Гідротехніка це галузь науки і техніки, зв'язана з використанням водних ресурсів для потреб народного господарства та з заходами боротьби зі шкідливими проявами водної стихії.
Гідротехніка – водна майстерність (переклад з давньогрецької) – одна з найбільш складних галузей будівельного мистецтва [1,2]. Природні та господарські умови (топографія і геологія місця будівництва, гідрологічні умови, клімат, призначення об'єкта) настільки різні, що кожен гідровузол чи гідросистема, особливо значні, проектується, будується і експлуатується індивідуально.
В використанні водних ресурсів зацікавлені практично всі галузі народного господарства, які можна розділити на споживачів і користувачів. Перші – це господарсько-питне і комунальне постачання, технічне водопостачання промислового і сільськогосподарського виробництва. До них також відносять системи зрошення і обводнення сільськогосподарських земель. Для споживачів водні об'єкти потрібні не тільки як джерела води, але і як місця прийому води, що побувала в технологічних процесах і пройшла очищення.
До другої групи (водокористувачі) відноситься гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, використання шельфу тощо. Підприємства цих галузей не споживають воду безповоротно і практично не змінюють її властивостей.
Відповідно до видів використання водних ресурсів змінюється профіль гідротехнічної спеціальності. Найважливіші з них – це водопостачання та водовідведення, гідромеліорація, гідроенергетика, будівництво водних шляхів і портів, а також загальна спеціальність – гідротехнічне будівництво річкових споруд, що орієнтована на любу різновидність гідротехніки.
Інженерна діяльність гідротехніків, крім ділення за спеціальностями, також розділяється за видами роботи. Вони можуть активно приймати активну участь у вишукуваннях – гідрологічних і метеорологічних, топографічних та інженерно-геологічних, включаючи гідрогеологічні і сейсмічні, і в інженерно-економічних вишукуваннях. Ці вишукування дають вичерпні відомості про умови будівництва, що буде основою проектування гідровузлів і гідросистем.
Ведучу роль грають гідротехніки в проектуванні об'єктів галузевого чи комплексного призначення з участю електриків, машинобудівників, корабелів, агрономів, архітекторів, економістів та інших спеціалістів.
Проектування проводиться в такій послідовності: спочатку вирішуються принципові питання, що впливають на об'єми робіт, строки будівництва гідровузла і економічний ефект його експлуатації, включаючи його вплив на природне середовище. Намічається з використанням аналогів і співставляється необхідне число варіантів – водного джерела, схем гідровузлів, складу і типів споруд і обладнання, способів виконання робіт. Приймається і затверджується проектне рішення. В подальшому проект деталізується за вибраним варіантом, компоновка і параметри споруд і обладнання уточнюються на основі відповідних розрахунків – продуктивності, міцності і стійкості, довговічності, економічності. Уточнюються на основі розрахунків і діючих норм тривалість етапів виконання робіт і строки будівництва, потреба в матеріалах, будівельних машинах, складається календарний план будівництва, кошторис і план фінансування. В подальшому, паралельно з будівництвом і з необхідним випередженням виготовляються робочі креслення, за якими створюються реальні споруди.
Основний вид роботи гідротехніків – це будівництво, тому для любої діяльності їх роботи потрібний будівельний досвід. Особливо це важливо для проектувальників. Гідротехніки на будівництві працюють разом з монтажниками, електричного, гідросилового і механічного обладнання (турбін,насосів, затворів, обладнання шлюзів і суднопідіймачів) і представниками багатьох інших спеціальностей. Різновидності робіт на будівництві багато чисельні – це земляні та скельні виїмки, розробка кар'єрів, насипи та намиви різних грунтів в споруди, проходка тунелів, бетонні та залізобетонні роботи на землі, під землею та в воді, буріння свердловин та нагнітання розчинів в основу споруд.
Гідротехніки будують також промислові та цивільні будівлі, дороги, мости та інші споруди, що відносяться до гідровузла чи гідросистеми. Особливістю роботи гідротехніків є зведення споруд там, де тече вода, де є потреба відводити води в сторону на період будівництва, проводити роботи під захистом тимчасових споруд.
Гідротехніки працюють і на експлуатації гідроспоруд разом з електриками, механіками. Хоч керують роботою гідрооб'єкта енергетики чи робітники водного транспорту або сільгосппідприємств, робота гідротехніків також складна та відповідальна. Вони стежать за станом і функціюванням величезних споруд і потужного обладнання, проводять профілактичний та капітальний ремонти, здійснюють реконструкцію. Їх обов'язок – підготовка споруд до екстремальних режимів, пропуску паводків, форсування рівня води тощо.
Значну роль відіграють гідротехніки в забезпеченні безпеки гідротехнічних об'єктів. Аварія на гідротехнічних спорудах, особливо напірних, таких як греблі, шлюзи, гідроелектростанції може мати катастрофічні наслідки включаючи загибель людей. Попередження аварій, контроль розвитку аварійної ситуації, локалізація і ліквідація наслідків – це також в значній мірі компетенція гідротехніків.
Важливу роль в гідротехніці займають наукові дослідження, тематика яких є досить широкою, а ефективність відповідає величині та трудоємкості споруд. Дослідження проводять на стадії вишукувань, проектування, будівництва і експлуатації.
2. Загальні відомості про гідротехнічні споруди
Гідротехнічні споруди – це інженерні споруди, що призначені для використання природних водних ресурсів (грунтових вод, річок, озер, морів)) або для попередження шкідливої дії води на оточуюче середовище (розмив берегів, повені, селі). За їх допомогою можна безпосередньо керувати водотоками і водоймами у відповідності з вимогами користувачів (регулювати рівень і витрату води, режим наносів, змінювати напрямок водного потоку тощо) [1].
Гідротехнічні споруди класифікують за місцем розташування, за характером функцій, що ними виконуються, за цільовим призначенням, за умовами використання, за капітальністю, за основним матеріалом, способом зведення, висотою і конструктивними прикметами [1, с.10…11].
Гідровузлом називається група гідротехнічних споруд, об'єднаних умовами сумісної роботи та розташуванням. Гідровузли класифікуються за рядом ознак: за місцем розташування, за основним призначенням, за створенням напору [1, с.12].
Гідросистема – це комплекс гідротехнічних споруд, що розташовані на значній віддалі одна від одної, але виконують спільні водогосподарські завдання. [1, с.12].
За особливостями і умовами роботи гідротехнічні споруди відрізняються від інших інженерних споруд [1, с.12…13].
Розрахункові витрати, що пропускаються в період експлуатації через постійні гідротехнічні споруди, визначаються з розрахункової максимальної витрати річки з врахуванням її трансформації водосховищем [1, с.13…14].
Проектування – найбільш важливий етап в створенні будь-якого гідротехнічного об'єкта, що визначає як хід його будівництва, так і наступну його експлуатацію [1, с.14].
Гідротехнічна споруда, що створює різницю рівнів води в б'єфах і розташована на водопроникній основі, викликає рух грунтового потоку як в основі споруди, так і в її обхід (фільтрація). В залежності від міри водопроникності грунту основи і самої споруди виникає різний характер взаємодії між потоком і спорудою [1, 2]. Особливе місце в гідротехніці займають питання, пов'язані з фільтрацією води. Явище це неизбежно і задача гідротехніки в її прогнозуванні, організації і попередженні небезпечних її наслідків за допомогою інженерних міроприємств.
3. Греблі з грунтових матеріалів. Водоскиди при грунтових греблях
Греблею називається споруда, що перегороджує водотік, підпирає воду до більш високого, ніж побутовий, рівня і концентрує таким чином в одному місці зручний для використання напір, що є різницею рівнів води перед та за греблею. В складі любого напірного гідровузла гребля займає важливе місце [2].
Греблі зводяться в різноманітних кліматичних і природних умовах – в північних широтах і в районах вічної мерзлоти, а також на півдні, в тропічних і субтропічних зонах, з високими позитивними температурами. Місцем їх розміщення бувають багатоводні рівнинні річки, що протікають в руслах, зложених нескельними грунтами – пісками, супісками, суглинками і глинами, а також гірські річки з руслами в скельних ущелинах, де часто повторюються сильні землетруси.
Різноманітність природних умов, цілі створення гребель, масштабів і технічного оснащення будівництва призвело до багато чисельності їх типів і конструкцій. Як і інші споруди, греблі можна класифікувати за різними ознаками, наприклад, за висотою, матеріалом, з якого вони зводяться, можливості пропуску води, характеру їх роботи як підпірних споруд тощо. На рис.1 наведені поперечні розрізи деяких сучасних гребель в співставленні з іншими крупними спорудами і природними об'єктами.
Давній і найбільш поширений тип напірних гідротехнічних споруд – це греблі з грунтових матеріалів.
Грунтова гребля (рис.2) – це насип з грунту, в поперечному перерізі має форму нерівнобокої трапеції [1, 2]. Верхня частина насипу називається гребенем, нижня – підошвою. Бокові сторони називаються укосами. Укіс, що розташований зі сторони верхнього б'єфу, називається верховим, зі сторони нижнього – низовим. Напір на греблю – це різниця рівнів води верхнього і нижнього б'єфів.