Проектирование водосливной плотины в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла: Комплексный подход к расчету и конструированию

Начало XXI века ознаменовалось обострением глобальных вызовов, среди которых энергетическая безопасность и устойчивое водопользование занимают центральное место. В этом контексте строительство и модернизация гидротехнических сооружений, особенно низконапорных транспортно-энергетических гидроузлов, приобретает особую актуальность. Например, в России, где общая выработка гидроэлектроэнергии в 2024 году составила более 200 млрд кВт·ч, низконапорные ГЭС играют ключевую роль в обеспечении стабильности энергосистемы и развитии внутренних водных путей.

Эти сооружения не только генерируют электроэнергию, но и регулируют уровень воды для судоходства, орошения, водоснабжения, а также выполняют противопаводковые функции. Что же следует из такой многофункциональности? Из этого следует, что проектирование подобных объектов должно быть максимально комплексным, учитывая весь спектр их воздействия на регион и экономику, иначе риски потери эффективности или экологического ущерба значительно возрастают.

Настоящая работа посвящена глубокому исследованию и разработке структурированного плана для курсового проекта по проектированию водосливной плотины в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла. Наша цель — не просто описать общие принципы, но и предоставить студентам инженерно-технических специальностей полноценный инструментарий для создания проекта, соответствующего актуальным нормативным требованиям и современным инженерным практикам. Курсовая работа призвана охватить все ключевые аспекты: от выбора оптимальной компоновки гидроузла и детальных гидравлических расчетов до обеспечения фильтрационной устойчивости и безопасности сооружения, а также вопросов пропуска воды в строительный период и маневрирования затворами. Таким образом, эта работа станет не просто теоретическим изложением, а практическим руководством по проектированию сложного гидротехнического комплекса.

Основные положения гидротехнического строительства и классификация гидроузлов

Мир гидротехники — это сложная система, где каждый элемент играет свою роль в укрощении водной стихии и использовании её потенциала. В основе этой системы лежат фундаментальные понятия, без понимания которых невозможно осмысленное проектирование, поэтому, прежде чем углубляться в детали, важно четко определить терминологию.

Гидроузел — это не просто набор разрозненных сооружений, а единый организм, группа гидротехнических сооружений, объединенных общим расположением и условиями совместной работы для решения многообразных водохозяйственных задач.

Как правило, гидроузлы бывают комплексными, то есть выполняют несколько функций одновременно. Они могут быть энергетическими, преобразуя энергию воды в электричество; водно-транспортными, обеспечивая судоходство и регулируя водные пути; водозаборными, служащими для отбора воды для различных нужд. Но этим их назначение не исчерпывается. Современные гидроузлы зачастую имеют рыбоводческое, лесосплавное, ирригационное (для орошения земель), противопаводковое, рекреационное (для отдыха), коммунально-бытовое и даже природоохранное назначение. Например, низконапорные гидроузлы на равнинных реках, помимо поддержки судоходных глубин, играют важную роль в поддержании экологического баланса и развитии прибрежных территорий.

Сами гидротехнические сооружения — это инженерные конструкции, созданные для использования природных водных ресурсов или для защиты от их разрушительного воздействия. В их числе важнейшее место занимает плотина — сооружение, перегораживающее водоток или водоем, чтобы поднять уровень воды, создать напор и образовать водохранилище. Плотины могут быть глухими, то есть не иметь водосбросных отверстий, или водосливными, предназначенными для контролируемого пропуска воды. Водослив же — это гидротехническое сооружение или его часть, через которую происходит перелив воды, а гребень водослива — это его верхняя часть. Важными конструктивными элементами являются быки — обтекаемые опорные конструкции, разделяющие водопропускные отверстия, а также основание гидротехнического сооружения — естественная или искусственно сформированная грунтовая толща, на которой покоится весь комплекс.

По величине создаваемого напора гидроузлы классифицируются на:

• Низконапорные: напор до 10 м. Характерны для равнинных рек, чаще всего имеют транспортное или комплексное назначение.
• Средненапорные: напор от 10 до 40 м. Могут быть как на равнинных, так и на горных реках.
• Высоконапорные: напор более 40 м. Преимущественно строятся в горных районах, для мощных энергетических установок.

Особая специфика низконапорных гидроузлов заключается в их способности гармонично вписываться в ландшафт равнинных рек. Они создают умеренный подпор, достаточный для поддержания судоходных глубин, обеспечения водоснабжения и орошения, при этом минимизируя затопление прибрежных территорий и воздействие на экосистемы. Их многофункциональность делает их незаменимыми элементами инфраструктуры, способными решать широкий спектр народнохозяйственных задач. Какой важный нюанс здесь упускается? То, что именно эта гармоничная интеграция в ландшафт требует от инженеров не только технических знаний, но и глубокого понимания экологических и социальных аспектов региона.

Выбор створа и общие принципы компоновки низконапорного гидроузла

Выбор створа (места расположения) гидроузла — это краеугольный камень всего проекта, от которого зависят не только техническая реализуемость и экономическая эффективность, но и долговечность, а также безопасность сооружения. Эта задача многофакторная и требует всестороннего анализа.

Прежде всего, учитываются топографические условия объекта. Идеальный створ располагают в наиболее узкой и глубокой части речной долины, перпендикулярно горизонталям местности. Это позволяет минимизировать объем земляных работ и расход строительных материалов, а также обеспечить проектную глубину воды и надежное примыкание плотины к берегам. Однако топография — лишь часть картины.

Инженерно-геологические условия основания и берегов имеют решающее значение. Наличие прочных, устойчивых скальных или плотных нескальных пород является огромным преимуществом. Именно здесь на первый план выходят инженерно-геологические изыскания. Для предварительного изучения потенциального створа плотность бурения скважин может составлять 1 скважину на 20-50 м по оси будущего сооружения. По мере детализации проекта и выявления неоднородностей, эта плотность увеличивается до 1 скважины на 5-10 м на наиболее ответственных участках. Полученные данные позволяют оценить несущую способность грунтов, их фильтрационные характеристики и сейсмическую активность, что напрямую влияет на выбор типа плотины и разработку подземного контура.

Помимо этого, при выборе створа учитываются:

• Наличие и близость карьеров строительных материалов (грунтов, заполнителей для бетона) для снижения транспортных расходов.
• Гидрологические особенности реки: максимальные и минимальные расходы, ледовый режим, паводковые характеристики.
• Трассировка водосбросного тракта и возможность эффективного гашения энергии сбрасываемого потока.
• Способ пропуска строительных расходов, который может потребовать обводных каналов или туннелей.
• Возможность устройства транспортных дорог и прокладки линий электропередачи (ЛЭП) для строительства и последующей эксплуатации.

Выбор створа и типа водоподпорного сооружения неразрывно связаны с технико-экономическим обоснованием (ТЭО), которое является многоэтапным процессом. На первом этапе проектирования, как правило, рассматривается от 3 до 7 потенциальных створов в пределах выбранного района. Для каждого из них выполняются эскизные проработки и предварительная технико-экономическая оценка, включающая анализ капитальных и эксплуатационных затрат, определение срока окупаемости, расчеты по снижению ущерба от паводков и оценку воздействия на окружающую среду. На втором этапе, на основе более детальных изысканий, детализируется проектирование на выбранном и 2-3 ближайших створах для окончательного определения оптимального варианта. Такой подход, с разработкой 3-5 конкурирующих вариантов компоновки и конструкций, позволяет выбрать наиболее эффективное и надежное решение, учитывая различные типы плотин (грунтовые, бетонные гравитационные, арочные) и схемы пропуска строительных расходов.

Компоновка гидроузла — это взаимное расположение всех входящих в него сооружений (водосливной плотины, здания ГЭС, судоходного шлюза, грунтовых плотин), которое наилучшим образом обеспечивает решение поставленных народнохозяйственных задач. Основные принципы компоновки включают:

1. Максимальное использование гидроэнергетических ресурсов (если предусмотрена ГЭС).
2. Создание оптимальных условий для судоходства и водопользования.
3. Минимизация строительных затрат и эксплуатационных расходов.
4. Уменьшение экологического воздействия на окружающую среду.
5. Обеспечение безопасности и надежности работы всего комплекса сооружений.

Выбор типа плотины тесно связан с условиями основания. Гравитационные плотины предпочтительны при широких створах и достаточно прочных основаниях. Арочные плотины — в узких скальных ущельях, где они могут эффективно передавать нагрузку на берега, снижая объем бетона. Контрфорсные плотины используются для уменьшения объема бетона при наличии прочных оснований, способных воспринимать сконцентрированные нагрузки.

Ось плотины обычно прямолинейна, но в случаях неоднородности геологических условий или для минимизации объема сооружения может быть криволинейной (ломаной или арочной). Криволинейная ось (например, арочная или арочно-гравитационная) целесообразна в узких скальных створах. Её преимущества — высокая устойчивость при минимальных объемах материалов, но она требует прочных береговых примыканий и чувствительна к неоднородности геологии. Для низконапорных гидроузлов на равнинных реках, как правило, применяется прямолинейная или ломаная ось, обусловленная необходимостью размещения водосливного фронта, шлюза и здания ГЭС.

Типы и конструктивные особенности водосливных плотин

Водосливная плотина, являясь ключевым элементом гидроузла, представляет собой сложную инженерную конструкцию, спроектированную для безопасного пропуска избыточных вод и поддержания заданного уровня в верхнем бьефе. Её общая архитектура включает несколько основных компонентов:

• Флютбет – бетонная плита, расположенная в основании плотины, воспринимающая нагрузки и обеспечивающая сопряжение с грунтовым основанием.
• Береговые устои – конструкции, сопрягающие плотину с берегами, защищающие их от подмыва и обеспечивающие опору для затворов и мостов.
• Бычки – массивные опоры, разделяющие водосливной фронт на отдельные водопропускные отверстия и служащие для крепления затворов и мостовых ферм.
• Затворы – подвижные элементы, регулирующие расход воды через водосливные отверстия.

Бетонная водосливная плотина не всегда перекрывает всю ширину русла реки; она может быть дополнена земляной или смешанной плотиной, расположенной на пойме. Тип бетонной плотины выбирается в зависимости от величины воспринимаемого напора, инженерно-геологических условий площадки и топографических особенностей местности. При напорах выше 25-30 м плотины обычно возводят на скальных основаниях, а при меньших напорах – на мягких грунтах, что требует более сложных конструктивных решений для подземного контура. На нескальных основаниях бетонные плотины чаще всего являются водосливными, в то время как глухую часть нередко возводят из местных грунтовых материалов.

По характеру восприятия нагрузок бетонные плотины делятся на:

• Гравитационные: устойчивость обеспечивается собственным весом, бывают глухими и водосливными (с затворами и без).
• Контрфорсные: давление воды передается напорным перекрытием на контрфорсы и далее на основание.
• Арочные: в узких скальных створах передают значительную часть нагрузки на берега.

По высоте порога водосливные плотины бывают:

• С высоким порогом: напор поддерживается как бетонной частью, так и затворами.
• С низким порогом: напор создается преимущественно затворами, а профиль определяется их конструкцией. Низкие плотины часто имеют сильно уширенный гребень.

По форме поперечного профиля плотины различают:

• Высокие профили: ширина подошвы меньше высоты (для прочных оснований).
• Распластанные профили: ширина подошвы больше высоты (для слабых, деформируемых оснований).

Особое внимание уделяется экономичному профилю водосливной плотины. Достижение такого профиля возможно при использовании вертикальной верховой грани и развитой в сторону верхнего бьефа фундаментной плиты. Эта конструкция позволяет пригрузить фундаментную плиту весом воды, что существенно снижает объем бетона, необходимого для обеспечения устойчивости. По сравнению с традиционными трапецеидальными профилями, это может привести к сокращению объема бетона на 15-25% при сохранении или даже улучшении условий устойчивости.

Выбор типа, числа и размеров водосливных отверстий является критически важным этапом проектирования. Он осуществляется исходя из требований пропуска расчетного расхода воды (Q_расч), который определяется с учетом класса сооружения и требуемой обеспеченности. Для сооружений I класса Q_расч принимается с обеспеченностью 1% (один раз в 100 лет), для II класса — 0,1% (один раз в 1000 лет), а для I и II классов при особых условиях — 0,01% (один раз в 10000 лет). Это обеспечивает надежность и безопасность плотины даже при самых неблагоприятных гидрологических сценариях.

Разрезку плотины поперечными осадочно-температурными швами обычно производят по быкам. Расстояние между швами в бетонных плотинах обычно составляет от 15 до 30 м. Для сокращения расхода бетона и уменьшения количества швов применяют разрезку на двух- и трехпролетные секции, что позволяет увеличить длину блока до 30-60 м и, соответственно, снизить объем гидроизоляционных работ.

Зонирование бетона в теле плотины — это процесс, при котором к бетону в различных зонах сооружения предъявляются разные требования. Например, для напорной грани и поверхностей, подверженных абразии, необходим бетон с высокой морозостойкостью (F200-F300) и водонепроницаемостью (W6-W12), тогда как для внутренних, менее нагруженных зон, могут использоваться бетоны с более низкими требованиями, например, по марке прочности (B15-B25) и водонепроницаемости (W4). Это позволяет оптимизировать затраты, сохраняя при этом необходимую прочность и долговечность.

Помимо постоянных водопропускных отверстий (водосбросы, водоспуски, водовыпуски, водоводы для ГЭС), в теле бетонной плотины могут устраиваться временные (строительные) отверстия для пропуска воды в период возведения сооружения.

Интересным решением для определенных условий являются низконапорные деревянные плотины свайной и ряжевой конструкции. Они применяются, как правило, при напорах до 5-7 м, экономичны для небольших рек в лесных районах с доступной древесиной. Однако их срок службы относительно короток — 20-30 лет, что существенно меньше, чем у бетонных сооружений.

Шахтный водосброс — еще один тип водосбросного сооружения, который может быть целесообразен в узких скальных створах. Он использует туннель, пробитый в береге, который может быть использован для пропуска строительных расходов. После завершения строительства плотины, вход в туннель перекрывается и делается новый в виде вертикальной или наклонной шахты. Преимущества шахтных водосбросов — компактность и эстетичность, возможность использования строительного туннеля. Однако они имеют и недостатки: сложность инспекции и ремонта, подверженность засорению и обмерзанию, что требует тщательного анализа при выборе данного типа сооружения.

Гидравлические расчеты водосливной плотины и сопряжения бьефов

Гидравлический расчет водосливной плотины — это краеугольный камень в обеспечении её функциональности и безопасности. Он позволяет определить, как водный поток будет взаимодействовать с сооружением, как эффективно будет сбрасываться избыточная вода и как будет гаситься её энергия в нижнем бьефе.

В основе гидравлического расчета лежат ключевые параметры:

• Форсированный подпорный уровень (ФПУ) верхнего бьефа и Уровень нижнего бьефа (УНБ) при различных расчетных расходах.
• Плановое сжатие потока на входе в водосливные отверстия.
• Поперечный профиль водосливной стенки и очертание гребня в плане.
• Положение и конструкции раздельных стен (быков).
• Степень открытия затворов.

Главная задача гидравлического расчета — определить оптимальные геометрические характеристики водосливного фронта, чтобы он мог безопасно пропустить максимальный расчетный расход воды. Это включает:

• Требуемую ширину водосливного фронта (B).
• Ширину водосливного пролета (b).
• Количество пролетов (n).
• Расчетный напор (H_р) перед плотиной.
• Отметку порога водослива.

В первом приближении, ширину водосливного фронта B’ (в метрах) можно оценить как отношение заданного расчетного расхода (м³/с) к предварительно заданному удельному расходу на водосливе (м²/с). Для водосливов практического профиля, удельный расход (q) обычно варьируется в диапазоне от 5 до 15 м²/с. Однако для высоконапорных водосливов, где скорость потока значительно выше, это значение может достигать 20 м²/с и выше, что требует более точных расчетов и, зачастую, модельных исследований. Разве это не означает, что универсальных решений в гидротехнике практически нет и каждый проект уникален?

Важнейшая часть гидравлических расчетов — обеспечение безопасного сопряжения бьефов и гашения энергии сбрасываемого потока. Высокая кинетическая энергия воды, переливающейся через водослив, способна вызвать разрушительную эрозию русла и основания плотины, если её не погасить. Для этого проектируются:

• Водобой – элемент, предназначенный для создания гидравлического прыжка и интенсивного гашения энергии потока.
• Рисберма – донное крепление ниже водобоя, обеспечивающее постепенное замедление потока до скорости, характерной для нижнего бьефа. Длина рисбермы должна быть достаточной, чтобы поток после прохождения водобоя приобрел скорость, не вызывающую размыва русла. Методики определения длины рисбермы основаны на гидравлических модельных исследованиях или эмпирических формулах, например, по А.Н. Рахманову, а также на требованиях СП 38.13330 (актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*).
• Гасители энергии – дополнительные элементы (например, гасительные стенки, блоки-рассекатели), устанавливаемые на водобое или рисберме для интенсификации гашения энергии.

Расчет водосливной плотины также включает выбор и построение оптимального профиля. За расчетный принимается профиль водослива практического профиля криволинейного очертания, с плавным оголовком, спроектированный таким образом, чтобы исключить образование вакуума под струей, что может привести к кавитационной эрозии. Профилирующий напор перед плотиной определяется как разница между отметками подпертого уровня высоких вод (ПУВВ) и нормального подпертого уровня (НПУ).

Для определения бытовой глубины в нижнем бьефе плотины (h_б) при заданном расходе строится график зависимости Q = f(h_б), что позволяет оценить условия затопления и формирования гидравлического прыжка.

Отдельное внимание уделяется гидравлическому расчету безнапорного движения воды в шахтах и туннелях, используемых, например, для пропуска строительных расходов или в шахтных водосбросах. Для обеспечения безнапорного режима и предотвращения напорных пульсаций, уклон туннеля должен быть не менее 0,001-0,003, а диаметр или площадь поперечного сечения подбираются таким образом, чтобы при расчетном расходе заполнение было не более 0,7-0,8 от полной высоты. Это предотвращает возникновение нежелательных напорных режимов и связанных с ними рисков.

Проектирование подземного контура и обеспечение фильтрационной устойчивости

Подземный контур гидротехнического сооружения — это скрытая от глаз, но критически важная часть, определяющая его долговечность и безопасность. Основная задача подземного контура и, в частности, его противофильтрационных элементов, состоит в минимизации фильтрации воды из верхнего бьефа в нижний через основание и тело плотины. Если не контролировать этот процесс, могут возникнуть серьезные проблемы, вплоть до разрушения сооружения.

Механизм фильтрации заключается в движении воды через поры и трещины грунта или строительных материалов под действием напора, создаваемого плотиной. В результате этого процесса формируется свободная поверхность грунтового потока, называемая депрессионной поверхностью, или, в плоской постановке, депрессионной кривой. Линия пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью показывает, до какого уровня насыщены грунты водой.

Основные задачи фильтрационного расчета включают:

1. Определение потерь воды через тело плотины и её основание, что важно для оценки эффективности водопользования.
2. Установление положения кривой депрессии, необходимое для анализа устойчивости откосов и расчета дренажных систем.
3. Определение выходных градиентов напора — ключевого параметра для оценки фильтрационной прочности грунтов.

Фильтрационная устойчивость грунтовой перемычки (временного сооружения) или ядра плотины обеспечивается, когда действующий гидравлический градиент на контакте различных грунтов значительно меньше допустимого градиента, что исключает суффозионный вынос частиц и размыв. Требуемый коэффициент запаса по фильтрационной прочности (отношение критического градиента к действующему) должен составлять не менее 2,0-2,5 в нормальных условиях и не менее 1,5 при особых сочетаниях нагрузок. И что из этого следует? Это означает, что даже при временных конструкциях требования к безопасности и надежности остаются чрезвычайно высокими, поскольку их отказ может привести к катастрофическим последствиям для всего проекта.

Для глубокого понимания и точного прогнозирования фильтрационных процессов активно применяется численное моделирование. Наиболее распространенными методами являются метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР), реализуемые в специализированных программных комплексах, таких как GeoStudio (модули SEEP/W) или PLAXIS. Эти инструменты позволяют учесть сложную геометрию, неоднородность грунтов и различные граничные условия.

Закон Дарси является фундаментальным для определения удельного фильтрационного расхода:

v = k · I

где:

• v — скорость фильтрации;
• k — коэффициент фильтрации грунта;
• I — гидравлический градиент.

Для более сложных случаев, учитывающих геометрию потока и разность напоров, используются специализированные формулы.

Для расчета установившейся фильтрации через земляные плотины применяются различные методы, от упрощенных схем до сложных численных моделей. Одним из базовых является формула Дюпюи для однородной грунтовой плотины на непроницаемом основании. Расход фильтрационного потока (Q) на единицу длины плотины определяется как:

Q = k * (H2 - h2) / (2 * L)

где:

• Q — расход фильтрации (м³/с на единицу длины плотины);
• k — коэффициент фильтрации грунта (м/с);
• H — напор со стороны верхнего бьефа (м);
• h — напор со стороны нижнего бьефа (м);
• L — длина пути фильтрации (м).

Этот метод, наряду с графическим построением гидродинамических сеток (сеток движения) и методом эквивалентных фильтрационных сопротивлений, позволяет получить достаточно точные результаты для инженерных расчетов.

Важным аспектом является условие применения плоской или пространственной постановки фильтрационного расчета. Если отношение длины плотины по гребню к её высоте (L/H) превышает 4-5, расчет может выполняться в плоской постановке. При меньших значениях необходимо учитывать пространственный характер фильтрации.

Для повышения фильтрационной устойчивости применяются специальные конструктивные элементы:

• Противофильтрационные завесы (цементационные, глинистые) — создают барьер для фильтрации в основании.
• Экраны (глинобетонные, асфальтобетонные, пленочные) — располагаются по верховому откосу плотины.
• Ядра (глиняные, суглинистые) — водонепроницаемые элементы в теле плотины.
• Дренажные устройства (пластовые, трубчатые, щебеночные дренажи и обратные фильтры) — собирают и отводят фильтрационную воду, снижая напор в низовой части плотины.

Нормативные показатели играют ключевую роль. Для грунтов основания и тела плотин определяются требования к водонепроницаемости (например, для глинистых ядер коэффициент фильтрации k < 10^-7 м/с) и фильтрационной прочности, которая оценивается по допустимому гидравлическому градиенту (I_доп). Значения I_доп варьируются для различных грунтов от 0,1-0,2 до 0,8-1,0 и более. Локальное нарушение фильтрационной устойчивости, проявляющееся в превышении этих значений, может привести к суффозионному выносу материала, образованию полостей и, как следствие, к разрушению сооружения.

Таким образом, комплексный подход к проектированию подземного контура, включающий детальные изыскания, численные и аналитические расчеты, а также применение эффективных противофильтрационных и дренажных устройств, является залогом надежности и безопасности гидротехнического сооружения.

Безопасность, надежность и расчеты устойчивости плотин

Безопасность и надежность гидротехнических сооружений — это не просто желаемые качества, а императивные требования, которые определяют саму возможность существования этих массивных инженерных объектов. Плотность воды в 1000 кг/м³ и огромные объемы водохранилищ создают колоссальные нагрузки, которые должны быть восприняты и безопасно переданы основанию.

На плотины из грунтовых материалов и бетонные плотины действуют множество сил. К ним относятся:

• Собственный вес плотины — фундаментальная стабилизирующая сила.
• Гидростатическое давление воды верхнего бьефа — основная сдвигающая и опрокидывающая сила.
• Фильтрационные воздействия — противодавление, выпор и суффозия.
• Сейсмические воздействия — динамические нагрузки, возникающие при землетрясениях.
• Второстепенные нагрузки — волновое давление, давление льда, ветра, снега, а также эксплуатационные нагрузки от оборудования.

Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин являются критически важным этапом проектирования. Наибольшее распространение получил метод расчета по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения, который имеет множество разновидностей. Среди них наиболее известны:

• Метод Феллениуса (круговых цилиндрических поверхностей).
• Метод Бишопа (упрощенный и полный).
• Метод Янбу (упрощенный).
• Метод Моргенштерна-Прайса.

Каждый из этих методов позволяет определить коэффициент устойчивости K_уст как отношение суммарной удерживающей силы (или момента) к суммарной сдвигающей силе (или моменту) вдоль гипотетической поверхности скольжения. Расчеты выполняются для нескольких возможных круглоцилиндрических поверхностей обрушения, а также для зон с ослабленными прослоями грунта.

Согласно СП 39.13330.2012, минимальные требуемые коэффициенты устойчивости откосов грунтовых плотин зависят от класса сооружения и расчетного случая:

• Нормальный эксплуатационный режим: K_уст ≥ 1,2-1,5.
• Режим быстрого сброса уровня водохранилища: K_уст ≥ 1,0-1,2 (для верхового откоса).
• Режим после длительного подтопления.
• Особые сочетания нагрузок, включая сейсмические воздействия: K_уст ≥ 1,0-1,2.

Расчеты устойчивости откосов, как правило, выполняются не менее чем для 2-3 расчетных поперечных сечений: в наиболее высоком створе плотины, на участках с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями, а также на участках с наибольшими изменениями уровня воды.

Для массивных бетонных плотин на скальных основаниях проводится расчет устойчивости на сдвиг и опрокидывание. Коэффициент устойчивости на сдвиг K_уст для плоской задачи определяется по формуле:

Kуст = (ΣN ⋅ tgφ + Σc ⋅ L) / ΣT

где:

• ΣN — сумма нормальных сил, действующих на поверхность скольжения;
• φ — угол внутреннего трения грунта или контакта;
• c — удельное сцепление грунта или контакта;
• L — длина поверхности скольжения;
• ΣT — сумма сдвигающих сил.

Меры по увеличению устойчивости плотины на сдвиг включают:

• Понижение отметки подошвы плотины для перехода на более прочные слои грунта.
• Придание подошве плотины наклона (10-15°) для повышения прижимающей силы.
• Снижение противодавления за счет эффективной дренажной системы.
• Придание плотине арочности в плане (для узких створов).
• Цементация деформационных швов.

Проверка на опрокидывание важна для высоких плотин. Требуемый коэффициент устойчивости на всплывание K_всп обычно составляет 1,25-1,30. Прочность бетонных плотин рассчитывают по формулам сопротивления материалов и теории упругости, а для плотин на нескальных грунтах выполняют расчеты осадок оснований.

Критерии безопасности гидротехнического сооружения (согласно СП 58.13330.2019) — это предельные значения количественных и качественных показателей состояния и условий эксплуатации, соответствующие допускаемому значению риска аварии.

Безопасность ГТС означает способность сооружения обеспечивать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, имущества, окружающей среды и хозяйственных объектов. Гидротехнические сооружения должны удовлетворять нормативным показателям по устойчивости, прочности, долговечности, водонепроницаемости и фильтрационной прочности.

Пропуск воды в строительный период и маневрирование затворами

Строительство гидроузла — это сложный процесс, который невозможно представить без решения задачи пропуска речных вод через створ сооружения на период его возведения. Этот этап, называемый пропуском строительных расходов воды (Q_стр), является одним из наиболее ответственных и определяет множество конструктивно-технологических решений.

Существуют различные подходы к организации пропуска Q_стр:

• Нулевой пропуск: возможен, если плотины строятся в суходоле за один летний сезон или при создании деривационных водохранилищ, где река отводится по новому руслу.
• Использование эксплуатационного водопропускного сооружения: часто для пропуска Q_стр используют будущий водосброс или водопропускные отверстия ГЭС, иногда в недостроенном виде. Это целесообразно, если Q_стр не превышает 20-30% от максимального эксплуатационного расхода, и конструкция сооружения позволяет безопасный пропуск воды на промежуточных стадиях строительства.
• Одна верховая перемычка: применяется при очень малых строительных расходах воды (до 50-100 м³/с). В этом случае поток перебрасывается в обводной канал или временный туннель.
• Система поперечных перемычек: необходима при больших строительных расходах (свыше 500-1000 м³/с и более, в зависимости от габаритов реки), когда требуется оградить место строительства глухой плотины от основного русла.

Место строительства глухой плотины, как правило, ограждают поперечными перемычками, а Q_стр пропускают через обводной канал или строительный туннель. Здесь важно отметить экономическую эффективность использования напорных туннелей вместо безнапорных. Площадь поперечного сечения напорного туннеля может быть уменьшена на 30-50% по сравнению с безнапорным, что значительно снижает объем скальных работ и, соответственно, затраты на проходку.

В целом, различают два основных способа пропуска строительных расходов через створ гидроузла:

1. Без отвода воды из русла реки: поток пропускается через недостроенные части основного сооружения.
2. С отводом воды из русла реки: поток направляется через временные обводные сооружения (каналы, туннели).

В каждом из этих методов можно выделить перемычечный способ (с использованием временных плотин) и бесперемычечный.

Секционный способ строительства предусматривает разбиение сооружений, расположенных в русле реки, на очереди строительства. Каждая очередь ограждается перемычками, что позволяет поэтапно возводить сооружение, не перекрывая полностью русло реки.

Временные перемычки классифицируются по назначению и конструкции:

• Поперечные: устанавливаются поперек русла для осушения котлована, относительно мало подвержены воздействию потока, часто земляные.
• Продольные: ограждают котлован вдоль потока, подвержены значительному воздействию стесненного потока, могут быть ряжевого, ячеистого или шпунтового типа.

Принятый способ пропуска строительных расходов оказывает существенное влияние на общую компоновку отдельных сооружений гидроузла, определяя их взаимное расположение и очередность возведения.

Маневрирование затворами водосливной плотины в эксплуатационный период также требует тщательного проектирования. Оно должно обеспечивать:

• Безопасный пропуск паводковых вод без переполнения водохранилища.
• Поддержание заданного уровня воды в верхнем бьефе для работы ГЭС, судоходства и водозабора.
• Предотвращение критических режимов течения (например, вакуума под струей).
• Надежную работу механического оборудования затворов в различных условиях, включая обледенение.

Правильное проектирование маневрирования затворами гарантирует эффективную и безопасную работу водосливной плотины на протяжении всего срока её службы.

Взаимодействие сооружений в составе низконапорного гидроузла

Низконапорный гидроузел — это не просто совокупность отдельных сооружений, а сложный, взаимосвязанный комплекс, где каждый элемент работает в тесной координации с другими. В контексте транспортно-энергетического гидроузла это взаимодействие приобретает особое значение, поскольку должны быть гармонично сопряжены две основные функции: выработка электроэнергии и обеспечение судоходства.

Ярким примером такого комплексного подхода в России является Саратовский гидроузел на реке Волге. Он включает в себя Саратовскую ГЭС, судоходные шлюзы, а также водосливную и глухую плотины. Этот комплекс не только обеспечивает выработку электроэнергии, но и регулирует судоходство, поддерживая необходимые глубины на значительном участке Волги.

Рассмотрим ключевые элементы и их взаимодействие:

1. Водосливная плотина является центральным сооружением, регулирующим водный режим. Её основная задача — пропуск избыточных расходов воды и поддержание заданного уровня в верхнем бьефе. Эффективность её работы напрямую влияет на:
   • Работу здания ГЭС: стабильный напор на турбинах зависит от уровня верхнего бьефа, который поддерживается водосливной плотиной.
   • Функционирование судоходного шлюза: уровень воды в верхнем бьефе должен быть достаточным для входа судов в шлюзовую камеру.
   • Устойчивость грунтовых плотин: правильный сброс воды предотвращает их перелив и эрозию.
2. Здание ГЭС (гидроэлектростанции) — это сооружение, где кинетическая энергия воды преобразуется в электрическую. В низконапорных гидроузлах часто применяется приплотинная компоновка, когда здание ГЭС сооружают непосредственно за глухой частью плотины или интегрируют в неё. В этом случае здание ГЭС не воспринимает полного напора воды, так как основной напор удерживается плотиной, а вода подается к турбинам через водоводы. Такое расположение позволяет сократить длину напорных водоводов и оптимизировать использование площади.
3. Судоходный шлюз — это ключевое сооружение для обеспечения водного транспорта. Его функция заключается в пропуска судов на плаву между бьефами с разными уровнями воды. Принцип работы шлюза основан на поочередном наполнении или опорожнении камеры, выравнивая уровень воды в ней с уровнем верхнего или нижнего бьефов. Размеры и расположение шлюза (как правило, с одного из берегов) напрямую влияют на общую компоновку гидроузла и должны быть скоординированы с водосливной плотиной и зданием ГЭС. Например, в рассмотренном варианте левобережной компоновки гидроузла, судоходный шлюз располагается с левого берега, а рядом с ним — водосливная и грунтовая плотины, а также здание ГЭС.
4. Грунтовые плотины (глухие или намывные) часто дополняют водосливную часть, перекрывая пойменные участки или менее глубокие части русла. Их роль заключается в формировании водохранилища и обеспечении необходимого напора. Береговые устои служат переходными элементами между водосливной плотиной и грунтовыми сооружениями, защищая берега или земляную плотину от действия сбрасываемого потока воды и снижая фильтрацию в обход водосброса.
5. Термин «судоходная плотина» иногда применяется к низконапорным плотинам, которые создают подпор только при малых расходах воды. При больших расходах и высоких уровнях стояния воды суда могут проходить непосредственно над гребнем плотины, что является одной из особенностей таких сооружений.

Взаимодействие этих сооружений требует тщательного планирования и проектирования на всех этапах. Например, при разработке шахтного водосброса часто применяется русловая компоновка гидроузла, когда основные сооружения располагаются непосредственно в русле реки. Комплексный анализ работы всех элементов в различных эксплуатационных режимах (нормальный, паводковый, аварийный) позволяет обеспечить максимальную эффективность, надежность и безопасность всего гидроузла.

Нормативно-техническая база проектирования гидротехнических сооружений

Проектирование гидротехнических сооружений, к которым относится и водосливная плотина, невозможно без строгого соблюдения нормативно-технической документации. Эти документы являются краеугольным камнем инженерной практики, гарантируя безопасность, надежность и долговечность возводимых объектов. В Российской Федерации действует обширная система стандартов и правил, определяющая все этапы жизненного цикла гидротехнического сооружения — от изысканий и проектирования до строительства, эксплуатации, реконструкции и даже ликвидации.

Ключевые нормативно-технические документы, регламентирующие проектирование водосливных плотин в составе низконапорных транспортно-энергетических гидроузлов, включают:

• СП 58.13330.2019 «Гидротехнические сооружения. Основные положения». Это основополагающий Свод Правил, который распространяется на проектируемые, строящиеся, эксплуатируемые, реконструируемые и подлежащие консервации или ликвидации гидротехнические сооружения всех видов и классов. Он определяет общие требования к обеспечению надежности и безопасности, классификацию сооружений (в том числе класс речных гидроузлов) и является отправной точкой для всех дальнейших разработок. Важно отметить, что он является актуализированной редакцией СНиП 33-01-2003 и заменил СП 58.13330.2012.
• СП 40.13330.2012 «Плотины бетонные и железобетонные». Этот документ конкретизирует требования к проектированию, расчету и конструированию бетонных и железобетонных плотин, включая водосливные. Он содержит указания по выбору материалов, расчету прочности и устойчивости, а также по особенностям армирования и устройства деформационных швов.
• СП 39.13330.2012 «Плотины из грунтовых материалов». Актуализированная редакция СНиП 2.06.05-84*, этот Свод Правил регулирует проектирование грунтовых плотин, которые часто являются частью низконапорных гидроузлов. Он устанавливает требования к выбору грунтов, расчету устойчивости откосов (для нескольких расчетных случаев, включая нормальный эксплуатационный режим, быстрый сброс уровня водохранилища, режим после длительного подтопления и сейсмические воздействия) и фильтрационной прочности, а также к устройству противофильтрационных и дренажных элементов. Минимальные коэффициенты устойчивости, такие как K_уст ≥ 1,2-1,5 для основного сочетания нагрузок и K_уст ≥ 1,0-1,2 для особого сочетания, строго регламентированы этим СП.
• СП 23.13330.2018 «Основания гидротехнических сооружений». Этот Свод Правил, являющийся актуализированной редакцией СНиП 2.02.02-85*, определяет требования к инженерным изысканиям, проектированию и расчету оснований гидротехнических сооружений. Он не распространяется на проектирование подземных гидротехнических сооружений, но является обязательным при работе с поверхностными фундаментами плотин и других объектов гидроузла.
• ГОСТ Р 70214-2022 «Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения». Данный стандарт устанавливает единую терминологию в области гидротехники, что крайне важно для однозначного понимания и использования профессионального языка в проектной документации и научных работах.

Помимо вышеперечисленных, в проектировании могут быть задействованы и другие нормативные документы, такие как:

• СП 101.13330.2012 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения» — для проектирования судоходных шлюзов и других элементов гидроузла.
• СП 38.13330.2018 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*) — для определения всех видов нагрузок, действующих на сооружения.

Важность использования актуализированных редакций Сводов Правил не может быть переоценена, поскольку нормативная база постоянно обновляется, и применение устаревших норм может привести к ошибкам в проектировании, снижению безопасности и, в конечном итоге, к авариям. Только опора на действующие документы обеспечивает юридическую корректность и инженерную обоснованность всех проектных решений.

Заключение

Проектирование водосливной плотины в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла — это многогранный инженерный вызов, требующий глубоких знаний, системного подхода и неукоснительного следования нормативным требованиям. В ходе данного исследования мы сформировали комплексный план, охватывающий все критически важные аспекты такого проекта: от первичного выбора створа и обоснования компоновки до сложнейших гидравлических, фильтрационных и статических расчетов.

Мы подчеркнули актуальность и многофункциональность низконапорных гидроузлов, способных решать широкий спектр водохозяйственных задач – от энергетики и судоходства до ирригации и экологии. Детально рассмотрена методология выбора створа, включающая специфику инженерно-геологических изысканий с количественными показателями плотности бурения, а также процесс технико-экономического обоснования с вариантной проработкой конкурирующих решений.

Особое внимание уделено конструктивным особенностям водосливных плотин, в том числе концепции экономичного профиля, позволяющей значительно сократить объем бетона, а также специфике зонирования бетона с учетом его функциональных требований. Мы углубились в детали гидравлических расчетов, определив ключевые параметры и методики для сопряжения бьефов, включая формулы для определения длины рисберм и правила расчета безнапорного движения в туннелях.

Критическим разделом стал анализ подземного контура и обеспечение фильтрационной устойчивости. Мы рассмотрели методы численного моделирования (МКЭ, МКР с применением GeoStudio или PLAXIS), закон Дарси и формулу Дюпюи для расчета фильтрации, а также нормативные показатели водонепроницаемости и допустимых гидравлических градиентов.

Вопросы безопасности и надежности нашли свое отражение в подробном изложении расчетов устойчивости откосов грунтовых плотин с учетом многосценарного анализа по СП 39.13330.2012 и сравнительного обзора различных методов (Феллениус, Бишоп, Янбу, Моргенштерн-Прайс), а также расчетов устойчивости бетонных плотин на сдвиг и опрокидывание.

Не остались без внимания и практические аспекты, такие как пропуск воды в строительный период с количественными оценками расходов для различных схем и экономическим обоснованием использования напорных туннелей, а также вопросы взаимодействия всех сооружений в составе гидроузла на примере комплексных российских объектов, таких как Саратовский гидроузел.

Наконец, была систематизирована актуальная нормативно-техническая база, включающая ключевые Своды Правил и ГОСТы, подчеркивая их определяющую роль в обеспечении юридической корректности и инженерной обоснованности проекта.

Таким образом, представленный материал не просто описывает процесс, а предлагает полноценный инструментарий для разработки курсового проекта, соответствующего передовым инженерным практикам и актуальным требованиям безопасности. Важность комплексного подхода, тщательного учета всех факторов и неукоснительного соблюдения нормативно-технических требований является залогом успешного функционирования гидротехнических сооружений. Перспективы дальнейших исследований в данной области связаны с развитием интеллектуальных систем мониторинга, применением новых материалов и адаптацией к изменяющимся климатическим условиям, что позволит создавать ещё более надежные и устойчивые гидротехнические объекты будущего.

Список использованной литературы

1. Бухарцев В.Н. Речные гидротехнические сооружения. Водосбросные сооружения низконапорных гидроузлов: учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2013. 88 с.
2. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения: учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. Ч. II. Водосливные плотины. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1985. 302 с.
3. Телешев В.И. Организация, планирование и управление гидротехническим строительством: учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1989. 416 с.
4. Телешев В.И., Галузин В.М., Севенард Ю.К. Бетонные работы в гидротехническом строительстве. Приготовление, транспорт и укладка бетонной смеси: учеб. пособие. СПбГТУ. СПб., 1993. 108 с.
5. Белоликов В.Т. Производство бетонных работ в гидротехническом строительстве.
6. Фильтрационная устойчивость грунтовых перемычек плотин как временных гидротехнических сооружений. Фёдоров. Строительство и реконструкция.
7. Расчеты устойчивости откосов плотины. 23.04.2019.
8. СП 58.13330.2019. Гидротехнические сооружения. Основные положения.
9. СП 23.13330.2018. Основания гидротехнических сооружений.
10. Гидравлический расчет водосливной плотины: Разработка методики и программного комплекса для расчетов оптимальных параметров сооружений водосливного фронта низконапорных плотин.
11. Гидравлический расчет водосливной плотины. Studbooks.net.
12. Речной гидроузел.
13. Гидроузел. Большая российская энциклопедия.
14. Бетонные плотины. Основы гидротехники — электрические сети.
15. Пропуск речных вод через створ земляной насыпной плотины в период ее строительства. 01.03.2025.
16. П-783-88 (Гидропроект). Рекомендации по проектированию плотин из грунтовых материалов. Раздел: Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин — 5.1. Общие положения. docs.cntd.ru.
17. Расчет устойчивости плотин.
18. Расчет устойчивости откосов земляных насыпных плотин. Гидротехнические сооружения: учебник.
19. Расчёт водосливной плотины: Гидравлический расчёт узла гидротехнических сооружений.
20. Конструктивные особенности плотин на нескальных основаниях и схемы их подземного контура.
21. Обоснование выбора створа и типа грунтовой плотины. Studbooks.net.
22. Фильтрационные расчеты земляных плотин. Гидротехнические сооружения. Учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. Ч. I. Глухие плотины. М.: Агропромиздат, 1985.
23. Классификация водосливных плотин. Гидротехнические сооружения. Учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. Ч. II. Водосливные плотины. М.: Агропромиздат, 1985.
24. Фильтрация через плотины на проницаемом основании. Гидротехнические сооружения.
25. Конструкции плотин и их элементов.
26. Фильтрационный расход в плотине на непроницаемом основании. Гидротехническое бюро.
27. Выбор створа гидроэнергетического узла. Строительные материалы и технологии.
28. О недостаточности существующих методов повышения фильтрационной устойчивости насыпных гидротехнических сооружений горного профиля. КиберЛенинка.
29. Механизмы негативного влияния локальных нарушений фильтрационной устойчивости на надежность насыпных гидротехнических сооружений. Проблемы недропользования. 16.06.2018.
30. Численное моделирование фильтрационной устойчивости грунтовых перемычек плотин. КиберЛенинка.
31. Плотины. CAWater-Info.
32. Фильтрация воды в гидротехнических сооружениях: Методические указания. Н. Новгород: Нижегород. гос. архитектурно-строительный ун-т, 2011.
33. Шахтный водосброс. Гидротехнические сооружения. Учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. Ч. I. Глухие плотины. М.: Агропромиздат, 1985.
34. Пропуск строительных расходов через створ гидроузла в период строительства. Гидротехнические сооружения. Учеб. пособие для студ. гидротехн. спец. вузов. В 2-х ч. Ч. II. Водосливные плотины. М.: Агропромиздат, 1985.
35. Прочность и устойчивость гидротехнических сооружений.
36. Выбор створа гидроузла и компоновка его сооружений. Брестский государственный технический университет. 23.12.2018.
37. Гидроузел — группа гидротехнических сооружений.
38. Водосливная плотина в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла 2, Архитектура и строительство — Курсовая работа — Referat Books.
39. ГОСТ Р 70214-2022. Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения.
40. Водосливная плотина в составе низконапорного транспортно-энергетического гидроузла в условиях Центра… Исаев Андрей Владимирович, 2024. ЭБ СПбПУ.