Судоходные плотины, их типы и устройство

Судоходными плотинами называют плотины, создающие подпор воды при низких уровнях воды в реке и обеспечивающие безопасные условия пропуска судов при гарантированных габаритах судового хода.

Судоходные плотины поддерживают подпор воды в ограждаемой акватории и по продолжительности их работы могут быть с сезонным и суточным регулированием расходов.

Плотины с сезонным регулированием расхода поддерживают расчетные уровни воды в реке с гарантированной глубиной судового хода в течении определенного времени, например, в летнюю межень. Судоходные отверстия плотин в этом случае закрыты с возможностью частичного пропуска расхода воды через них, и движение судов может осуществляться только через судоходный шлюз, который устраивается без стенки падения. При уровнях воды выше судоходного (в паводок), а также в зимнее время судоходные отверстия открыты и позволяют пропускать полный расход воды в реке. В паводок судоходство осуществляется через отверстие плотины при естественных уровнях воды в реке.

Плотины с суточным регулированием расхода поддерживают расчетные уровни воды с гарантированной глубиной судового хода на мелководных участках рек в течение небольшого промежутка времени.

Эти плотины позволяют на определенный период повысить уровни воды в реке, создавая тем самым условия для безопасного прохождения судами перекатов и мелей. После прохождения судном опасного места, судоходное отверстие открывается, и в реке восстанавливается естественный уровень воды. Закрытие отверстия судоходной плотины для создания подпора и открытие его для пропуска судна осуществляется неоднократно в течение суток по мере подхода судов к опасным участкам. Поскольку движение судов осуществляется через судоходное отверстие плотины, то строительство судоходного шлюза в этом случае не предусматривается.

Наиболее широкое применение в составе транспортных гидроузлов при низконапорном варианте шлюзования получили судоходные плотины с сезонным регулированием расходов воды в реке. В их состав обычно входят: судоходная плотина, водосбросная и земляная плотины, судоходные шлюзы, рыбопропускные, водозаборные и другие гидротехнические сооружения.

Основными элементами судоходных плотин являются: искусственное основание (флютбет), береговые устои, стойки или быки и подвижные конструкции затворов различных типов.

Самые простейшие конструкции плотин, известные с XVIII в., представляли собой деревянные щиты с подкосами, опирающимися на флютбет, которые использовались в основном для закрытия отверстий водосбросных и реже судоходных плотин. Щиты, поставленные в ряд, могли перекрывать значительные пролеты на высоту до 2,0 м. Плотины простейшего типа были весьма примитивными, требовали много ручного труда для их сборки и разборки и поэтому в течение долгого периода они постоянно совершенствовались.

Более совершенная конструкция щитовых затворов, используемая для перекрытия отверстий судоходных плотин, была предложена французским инженером Шаноаном в 1850 г. (рис. 14.5).

Она состоит из щитов, свободно опирающихся на флютбет и шарнирно связанных с рамами, вращающимися около оси на флютбете; подкоса, шарнирно соединенного с рамой; упорной коробки на флютбете, которая служит упором для нижнего конца подкоса. В безнапорном состоянии конструкция затвора находится в сложенном виде на флютбете и защищена от потока, судов и плавающих предметов высоким порогом. При установке конструкции в напорное состояние нижней конец щита тянут при помощи лебедок или плавучего крана в сторону верхнего бьефа до тех пор, пока нижний конец подкоса не дойдет до упора коробки. Аналогичным образом действуют при выведении подкоса из упора во время укладки щитов.

Эксплуатация щитовых затворов с подкосами на флютбетах плотин была сложной и трудоемкой. Из-за частых поломок, в особенности подко-сов, затворы выходили из строя и их приходилось восстанавливать заново. Поэтому искали другие типы конструкций затворов судоходных плотин, более удобные и надежные в эксплуатации.

В XIX в. широко использовались судоходные плотины с крышевидными типами затворов (иногда их называют “дахверами”: немецкое слово “Dachwehr” означает крыша). Они были предложены американскими учеными Уайтом и Хазаром в 1818 г. Существует большое разнообразие конструкций крышевидных плотин, известных по имени инженеров изобретателей: Дюбуа, Кулея, Карро, Ланга, Паркера и др.

Судоходные плотины с крышевидными затворами представляют собой двухстворчатые клапанные затворы (рис. 14.6), идея создания которых связана с использованием гидростатического давления воды для маневрирования клапанами.

Затвор состоит из двух клапанов (щитов), которые, вращаясь вокруг горизонтальных осей на флютбете, могут опираться друг на друга при закрытии судоходного отверстия или складываться в нишу при его открытии. При закрытии отверстия камера давления заполняется водой до необходимого уровня при помощи системы труб с задвижками, а при открытии, наоборот, – воду удаляют в нижний бьеф. В опущенном состоянии клапаны находятся в нише флютбета, не уменьшая судоходной глубины отверстия. Крышевидные затворы способны поддерживать подпор воды до 7-8 м при пролете отверстий до 100 м, имеют относительно неглубокую донную нишу и простую конструкцию, требуют мало времени для подъема и опускания клапанов (около 5 мин) и могут использоваться также для пропуска льда. К их недостаткам можно отнести: неудовлетворительную работу при большом количестве наносов, ограниченную ширину перекрываемых пролетов, плохую ремонтопригодность и большое число шарнирных соединений, постоянно находящихся под водой.

Наиболее распространенным типом плотин, в которых для перекрытия судоходных пролетов используются щиты, являются плотины с поворотными фермами. Идея создания такой плотины принадлежит французскому инженеру Поаре и впервые была реализована в 1834 г. во Франции на р. Йоанне у Бассевиля. Плотины типа Поаре (рис. 14.7) состоят из флютбета, в нише которого шарнирно закреплен ряд металлических ферм с шагом от 1,6 до 3,2 м; мостика, укладываемого на фермы в поднятом положении; затворов в виде щитов, спиц или штор, перекрывающих пролеты между фермами и устоев по концам флютбета (тонкого и толстого).

Фермы соединяются между собой при помощи замка тросом или цепью и поэтому могут лебедкой свободно подниматься в вертикальное положение или укладываются в нишу. Затворы с поворотными фермами являются простыми в конструктивном отношении и способны перекрывать отверстия судоходных плотин пролетом до 300 м. Плотины с поворотными фермами типа Поаре, построенные в XIX в. в России, эксплуатируются в настоящее время на реках Москве, Оке, Северском Донце, Дону, Цне и др.

К недостаткам плотин данного типа относятся: большое время установки и разборки (до 2-4 суток и более); неудовлетворительная работа при большом количестве наносов; неудобства в эксплуатации, при осмотрах и ремонтах.

Продолжительность установки и разборки плотины с поворотными фермами зависит в основном от операций укладки большого числа мостиков и щитов. С целью исключения этих операций французский инженер Томас предложил вместо ферм Поаре использовать плоские рамы.

Судоходные плотины с поворотными рамами состоят из ряда плоских треугольных рам шириной от 0,6 до 1,0 м., также закрепленных на флютбете с помощью шарниров. В поднятом состоянии, прилегая вплотную друг к другу, рамы могут перекрывать большой судоходный пролет без дополнительных водоудерживающих щитов и секционных мостиков. Плотины Томаса позволяют сократить процесс их сборки и разборки, однако они не получили широкого распространения из-за неудобств в эксплуатации и более высокой стоимости. Этим плотинам присущи те же недостатки, что и плотинам с поворотными фермами.

В XX в. осуществлялась разработка и строительство судоходных плотин, основанных на использовании клапанных, сегментных опускных или подъемных, сегментных полноповоротных, цилиндрических и плоских затворов.

Клапанный затвор состоит из плоского щита (клапана), подкоса и гидроподъемника. Плотина, составленная из ряда клапанных затворов, способна перекрывать судоходный пролет шириной 120 м на высоту 6,0 м. Примером плотин, основанных на использовании клапанных затворов, может служить плотина, построенная на реке Сене вблизи Парижа, получившая название «мобильной плотины», а также мостовые плотины.

Мостовыми плотинами принято называть плотины, судоходные отверстия которых могут перекрываться затворами различных типов, расположенными на мосту через реку. Мостовая плотина с клапанными затворами, осуществленная на гидроузле Молдова вблизи Моровица, (рис. 14.8) имеет массу затвора около 210 т., время подъема и опускания которого составляет 20 мин.

Она состоит из клапанов, шарнирно закрепленных к нижнему поясу моста, и канатного механизма на мосту, предназначенного для их подъема или опускания. Подобного типа плотины построены на Нью-Йорском Барж – канале с шириной отверстий 64,0 м. и высотой 6,0 м. Основные недостатки клапанных затворов – плохая ремонтопригодность и наличие под водой шарнирных соединений.

Плотины с сегментными опускными затворами с осью вращения на флютбете являются удобными в части регулирования расходов воды в реке, пропуска судов, льда и плавающих тел. Сегментные затворы обладают большой жесткостью конструкций и требуют небольших подъемных усилий.

Однако они нуждаются в устройстве глубокой ниши, плохо работают при большом количестве наносов, их ремонт и осмотр затруднен из-за наличия под водой осей вращения. При устройстве подъемных сегментных затворов с осями вращения на устоях или быках необходимость в устройстве глубоких ниш отпадает, однако для беспрепятственного пропуска судов ноги затворов иногда приходится удлинять больше, чем это требуется для целесообразности конструкции. Плотины с опускными и подъемными сегментными затворами осуществлены на р. Одере в Германии и р. Эльбе в Чехии, но в дальнейшем они не нашли широкого распространения из-за отмеченных недостатков. Ширина перекрываемых судоходных отверстий у существующих плотин не превышает 40 м при высоте до 4,0 м.

Плотины с сегментными полноповоротными цилиндрическими затворами уравновешенного типа являются более удобными в эксплуатации, но их использование также ограничено шириной перекрываемого отверстия и создаваемым подпором воды.

Цилиндрические затворы использованы для перекрытия судоходного отверстия плотины на р. Майне у Швейнфурта в Германии: ширина отверстия 35 м при высоте 2,0 м. Для открытия или закрытия отверстия плотины затвор необходимо поднимать или опускать посредством качения по упорным поверхностям пазов устоев. Цилиндрические затворы обладают большой жесткостью конструкций и способностью хорошо сопротивляться значительным нагрузкам, однако имеют сложную конструкцию и неудобны в эксплуатации. Эти затворы, как и сегментные, пока не нашли широкого применения при устройстве судоходных плотин.

Более широкое использование при устройстве судоходных плотин нашли плоские затворы, из-за простоты конструкции, компактности и лучших эксплуатационных показателей по сравнению с другими типами затворов. Впервые плоские затворы были использованы при строительстве мостовых плотин. Мостовая плотина с плоскими стоечными затворами, построенная в 1920 г. на р. Одере вблизи Браславу, имеет судоходный пролет шириной 51,0 м, перекрываемый на высоту 4,17 м. Из существующих плотин данного типа наибольшие размеры пролетов имеет плотина в Нидерландах, построенная на р. Маас вблизи Гавра: два пролета шириной 51,8 и 63,9 м при высоте 4,8 м. Судоходные плотины с плоскими затворами в нашей стране осуществлены при реконструкции гидроузлов “Андреевка” и “Трудкоммуна” на Москворецкой шлюзованной водной системе. При реконструкции судоходные плотины с фермами Поаре, как устаревшие, заменены на плоские подъемные колесные затворы. Затвор перекрывает судоходное отверстие шириной 50 м при высоте 3,5 м и для безопасного пропуска судов поднимается над расчетным уровнем воды на высоту 10 м. Из существующих плотин данного типа наибольшие размеры пролетов имеет плотина гидроузла Астраханского вододелителя: два отверстия шириной по 110 м при высоте 9,4 м и надводным судоходным габаритом 20 м.

Достижения химической промышленности позволили в середине XX в. приступить к использованию в гидротехническом строительстве конструкций и элементов, изготовленных из синтетических материалов. К числу таких конструкций можно отнести наполняемые затворы, используемые при перекрытии отверстий судоходных и водосбросных плотин. Наполняемые затворы в судоходных плотинах (рис. 14.9) представляют собой замкнутые гибкие оболочки из прочных, чаще всего армированных синтетических тканей, закрепленных к бетонному порогу. Оболочки наполняемых затворов в судоходных плотинах закрыты с торцов и могут состоять из одной или нескольких секций.

Для создания подпора внутрь оболочки под давлением, регулируемым насосной установкой, подается вода или воздух (иногда вода и воздух одновременно). При пропуске паводковых расходов оболочка укладывается на дно, и судоходство осуществляется также, как и по реке в естественном состоянии. Конструкция затвора из гибкого материала (прорезиненная ткань) наполняемого водой, предложенная американским инженером Имбертсоном, впервые была осуществлена в США при строительстве плотин на р. Лос-Анжелес в 1950 г. Затвор имел форму трубы диаметром 2,5 м и перекрывал пролет шириной 46 м, наполнялся водой за 10 мин. и опорожнялся за 25 мин.

Первый надувной затвор (из хлоропренкаучука на текстильной основе) был осуществлен в Румынии; он имел форму цилиндра и перекрывал пролет шириной 46 м на высоту 1,1 м. Наполняемые затворы существующих за рубежом судоходных плотин перекрывают пролеты шириной 50-60 м и поддерживают подпор воды до 5-6 м.

В России плотины из гибких синтетических материалов возводились на малых реках и использовались в основном для лесосплава и орошения сельскохозяйственных земель. Первые две плотины с наполняемыми тканевыми затворами были построены в Тюменской области на р. Китерне в 1966 и 1967 гг. В дальнейшем подобные плотины возводились в различных климатических зонах России: Татарстане, Мордовии, Башкирии, Дагестане, Якутии, в Алтайском и Красноярском краях, в Горьковской и Оренбургской областях.

Опыт эксплуатации наполняемых затворов в плотинах различного назначения показывает их высокую надежность в работе, и они могут найти широкое применение в гидротехническом строительстве.