3.3. Шлюзованные внутренние водные пути
Существенное улучшение судоходных условий на большом протяжении реки и создание новых воднотранспортных соединений между двумя речными (морскими) бассейнами может быть достигнуто посредством шлюзования, при котором водные ресурсы наиболее полно используются в интересах различных отраслей страны.
Шлюзование предусматривает возведение на реке ряда подпорных сооружений, повышающих в период навигации уровни воды по сравнению с уровнями в естественном состоянии. При шлюзовании река по длине делится сооружениями на отдельные участки, которые принято называть бьефами.
Участок реки, расположенный выше сооружения, считается верхним бьефом, а ниже сооружения – нижним бьефом. Разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов называют напором на сооружение. Бьефы, накапливающие значительные объемы стока воды и перераспределяющие их во времени, носят название водохранилищ.
Подпорные сооружения поднимают уровень воды на каждом участке до необходимой высоты, обеспечивая необходимую судоходную глубину. Одновременно увеличиваются ширина и радиусы поворотов судового хода. Если проектные габариты полностью не выдерживаются, то предусматривают проведение дноуглубительных работ. От каждого сооружения вверх по реке распространяется подпор.
Схемы шлюзования рек выбираются в зависимости от вида решаемых задач. Чаще всего встречаются такие варианты шлюзования, как низконапорный и высоконапорный.
Низконапорный вариант (рис. 40, а) предусматривает шлюзование реки в основном в транспортных целях для улучшения судоходных условий. В этом случае на реке возводятся сооружения небольшого напора, предназначенные для создания подпора в меженный период, когда расходы воды в реке малы и судоходные глубины оказываются меньше проектных. Во время прохождения интенсивных паводков такие сооружения затапливаются, и судоходство осуществляется так же, как и до шлюзования.
Высоконапорный вариант предусматривает шлюзование рек для комплексного использования водных ресурсов, что позволяет удовлетворить потребности в воде различных отраслей народного хозяйства (транспорта, энергетики, промышленного и гражданского водоснабжения, сельского и рыбного хозяйства и др.). В этом случае строятся высоконапорные сооружения (рис. 40, б), поддерживающие
Рис. 40. Варианты шлюзования рек:
а – низконапорный; б – высоконапорный; 1 – кривая низких уровней; 2 – кривая высоких паводков
подпор воды непрерывно с учетом перераспределения стока как в течение одного года, так и за многолетний период.
Целесообразность использования принятой схемы шлюзования должна быть обоснована технико-экономическими расчетами. Учет затрат и результатов при осуществлении проекта должен охватывать изменения экологического потенциала природного объекта и последствия экономического использования водных ресурсов.
Размещение напорных сооружений по длине реки, их число и величины напоров зависят от цели шлюзования: комплексное использование водных ресурсов или решение частной водохозяйственной проблемы. Сооружения гидроузла располагаются на реке в заранее установленных поперечных створах, которые тщательно выбираются путем сравнения ряда вариантов,
отличающихся между собой природными особенностями, условиями строительства и эксплуатации сооружений.
На выбор створа гидроузла существенное влияние оказывают строительные свойства грунтов, на которых возводится напорное сооружение, и рельеф местности в районе строительства. Наиболее надежными и экономичными в эксплуатации считаются сооружения, возводимые, на скальных грунтах, а на нескальных приходится возводить тяжелые гидротехнические сооружения, требующие значительных материальных затрат. При крутых берегах русла и долины реки существенно уменьшаются зона затопления земель и длина напорного фронта сооружений, а следовательно, и их стоимость, но при этом может быть затруднено производство работ по возведению сооружений.
Во избежание затоплений значительных территорий, створы гидроузлов необходимо назначать выше крупных населенных пунктов, промышленных предприятий и территорий, используемых для различных целей (объекты сельского хозяйства, природные ископаемые и ресурсы, зоны заповедников и отдыха и т.п.)
При расположении створа ниже крупного притока реки увеличивается зона затопления поймы притока. На притоке улучшаются судоходные условия. При расположении створа выше протока уменьшается зона затопления земель, но теряются дополнительные выгоды для энергетики и водного транспорта. Окончательный выбор створа в данном случае должен производиться путем сравнения затрат и полученных результатов по различным отраслям народного хозяйства.
При выборе створов необходимо учитывать наличие в районе строительства подъездных путей и других инженерных коммуникаций, жилых поселков, материальных и трудовых ресурсов, промышленных предприятий и производственных баз, а также условия для пропуска льда, паводков, судов и другие факторы.
Группа сооружений, объединенных общим местом расположения на водном пути, решением водохозяйственных целей и условиями совместной работы, называется узлом гидротехнических сооружений или гидроузлом.
По назначению гидроузлы можно разделить на комплексные, предназначенные для решения нескольких водохозяйственных задач (например; транспортно-энергетические гидроузлы), и специальные, предназначенные для решения конкретной водохозяйственной цели (гидроэнергетические, воднотранспортные, водозаборные, ирригационные и т. п.)
Состав гидроузла комплексного назначения могут входить следующие сооружения:
- бетонная (глухая или водосливная) плотина, представляющая собой подпорную стенку, предназначенную для создания подпора воды и поддержания уровня верхнего бьефа на определенной отметке, а также для пропуска паводковых вод из верхнего бьефа в нижний;
- земляные плотины и дамбы – напорное или безнапорное сооружения, служащие для сопряжений бетонных сооружений гидроузла между собой и с берегами русла или поймы реки;
- судопропускные сооружения (шлюзы или судоподъемники), предназначенные для преодоления судами сосредоточенных падений уровней воды при переходе из одного бьефа в другой;
- гидроэлектростанция (ГЭС), использующая энергию речного потока для выработки электроэнергии;
- другие гидротехнические сооружения целевого водохозяйственного назначения: для пропуска через гидроузлы ценных пород рыб, древесины в пучках или плотах, для забора воды на различные хозяйственные нужды; для попусков воды из водохранилища.
На гидроэлектростанции энергия воды при помощи турбины и генератора, расположенных на одном валу, преобразуется в электрический ток. Подача воды к турбине осуществляется по водоводу, охватывающему по окружности рабочее колесо и называемому спиральной камерой, а отвод в нижний бьеф – по отсасывающей трубе. Спиральная камера и отсасывающая труба со стороны бьефов перекрываются затворами.
Для пропуска рыбы через гидроузлы предусматривается возведение специальных рыбопропускных сооружений.
Для пропуска через гидроузлы древесины в пучках или в плотах предусматривают лесопропускные сооружения – лесотаски, лесосплавные лотки и др., к которым с позиций экологии должны предъявляться повышенные требования. Наиболее приемлемой в экологическом отношении считается перевозка древесины в судах, которые могут пропускаться из одного бьефа в другой при помощи судопропускных сооружений. Для этой цели в составе средненапорных гидроузлов могут возводиться вторые нитки шлюзов, а в составе низконапорных – эффективно использовать перегрузку пучков древесины из бьефа в бьеф при помощи кранов, располагаемых на гребне плотины.
Гидротехнические сооружения, обеспечивающие забор воды из водоемов на различный хозяйственные нужды (энергетика, орошение земель, гражданское и промышленное водоснабжение и др.), называют водозаборами.
По типу водоисточника различают водозабор речной, озерный (водохранилищный) и морской, а по способу отбора воды – бесплотинный и плотинный.
Для сброса и полезных пропусков воды из водохранилищ в составе речных гидроузлов предусматривают водопропускные сооружения, которые по назначению разделяются на два типа: водосбросы и водоспуски.
Водосбросы предназначены для пропуска из водохранилища в нижний бьеф паводковых расходов льда, шути, других плавающих тел.
Водоспуски используют для постоянных полезных попусков воды из водохранилища в нижний бьеф, определяемых водохозяйственными и санитарными требованиями, полного или частичного опорожнения водохранилища в целях ремонта сооружений, расположенных в верхнем бьефе, и частичного промыва наносов, отложившихся перед сооружением.
При перекрытии рек плотинами и другими гидротехническими сооружениями выше плотин образуются емкости воды – водохранилища, частично или полностью аккумулирующие сток воды, который можно использовать для различных целей. Создание напорных сооружений по длине реки оказывается наиболее благоприятным для речного транспорта, т.к. в результате обеспечивается улучшение судоходных условий.
Судоходными шлюзами называются напорные гидротехнические сооружения, при помощи которых суда преодолевают сосредоточенные падения уровней воды на гидроузлах при переходе из одного бьефа в другой.
Основными конструктивными частями судоходного шлюза являются: верхняя и нижняя головы, расположенная между ними камера; верхний и нижний подходные каналы, примыкающие к соответствующим головам шлюза.
Головы шлюза поддерживают разность уровней воды между бьефами и камерой при ее наполнении и опорожнении. На них размещается оборудование, предназначенное для осуществления процесса шлюзования. В камере шлюза, ограниченной с боков стенами, находятся суда при их шлюзовании. На стенах камеры размещаются устройства в виде тумб, а по высоте – плавучие рымы, за которые швартуются суда.
Подходные каналы, примыкающие к головам шлюза, имеют размеры, обеспечивающие расхождение судов при входе в камеру и выходе из нее, а также безопасные условия стоянки судов, ожидающих шлюзования у причальных стенок для обеспечения плавного входа судов в отверстия голов шлюза устраиваются направляющие палы, которые имеют в плане вид криволинейных стен.
Процесс пропуска судов из одного бьефа в другой состоит из отдельных операций и может осуществляться в одностороннем (при наличии судов одного направления) или двухстороннем порядке.