Гидроэнергетика СССР - Судоходные шлюзы

В табл. 13.1 и 13.2 приведены данные по судоходным шлюзам, построенным и запроектированным в СССР.
Первый высоконапорный шлюз был введен в 1932 г. на Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина. Затем был построен высоконапорный четырехкамерный шлюз Бухтарминской ГЭС и однокамерный шлюз Усть-Каменогорской ГЭС с напорами соответственно 68 и 42 м.
Можно предполагать, что в перспективе при больших водоизмещениях судов и составов (5—16 тыс. т) и благоприятных инженерно-геологических условиях однокамерный шлюз окажется оптимальным решением и для значительно больших напоров. Но для решения вопроса о применении однокамерных шлюзов для средних и высоких напоров необходимы разработка оптимальных конструкций голов, камер и механического оборудования и мер предохранения от кавитации системы питания.
Для низконапорных шлюзов (до 15 м) во всех случаях предпочтительны головные системы питания, позволяющие в зависимости от напора и полезных габаритов камеры сократить стоимость строительномонтажных работ на 10—40% по сравнению с распределительными системами питания. При больших напорах применение распределительных систем питания шлюза дает возможность сократить время наполнения- опорожнения камеры на 30—40% по сравнению с головной системой питания, что позволяет существенно увеличить пропуск судов, а в некоторых случаях отказаться от строительства вторых ниток судоходных шлюзов.
За рубежом разработаны сложные распределительные системы питания, которые могут успешно использоваться для однокамерных средне- и высоконапорных шлюзов, обеспечивая нормативные условия отстоя судов при высокой скорости наполнения-опорожнения камер.
Возникновение кавитации в системе питания средне- и высоконапорного шлюза может быть устранено путем оборудования водопроводных галерей сегментными затворами с верховой осью вращения, а также путем устройства за затворами успокоительной камеры. Применение на водопроводных галереях обратных сегментных затворов получило широкое распространение на шлюзах США и Канады.

Таблица 13.1. Низконапорные шлюзы СССР


Продолжение табл. 13.1

Таблица 13.2 Средне- и высоконапорные шлюзы СССР

Для низконапорных гидроузлов (3—8 м) стены камер рекомендуется выполнять из сборных предварительно напряженных тавровых железобетонных элементов с анкеровкой металлическими тягами в монолитную плиту основания. Днище камеры рекомендуется устраивать водопроницаемым из железобетонных плит, расположенных на обратном фильтре; в основании сопряжения днища и стенок камеры устраивать противофильтрационный шпунт для удлинения пути фильтрации между камерой и засыпкой. Для исключения выноса грунта через вертикальные швы между сборными тавровыми элементами предусматривается уплотнение между швами в виде металлических полос. Изготовление сборных элементов заводским способом на полигоне позволяет индустриализировать способ возведения стен камеры, что приводит к сокращению сроков строительства шлюза.
Для напора свыше 8 м камеры шлюзов, как правило, целесообразно выполнять из монолитного железобетона, широко используя в качестве опалубки армопанели и армоплиты.
Конструкции камер шлюзов, расположенных на мягких грунтах, показаны на рис. 13.3.
При врезке шлюзов в скальные грунты рекомендуется применять бетонные днища камеры и облицовки стен, которые в случае необходимости анкеруются в скалу с помощью арматурной стали (рис. 13.4).
Для удешевления камер шлюзов следует широко использовать следующее: контрфорсные решения стен камер, конструкции с предварительным обжатием бетона за счет гравитационных сил, предварительно напряженные конструкции с натяжением арматуры домкратами; снижение отметки засыпок и устройство дренажа за стенами камер (последнее особенно эффективно при применении облицовок стен камеры, когда гидростатическое давление является основной нагрузкой);
размещение продольных галерей в днищах камер шлюза, что дает наиболее экономичное решение в случае мягких грунтов основания в сочетании с предварительным обжатием бетона днища за счет гравитационных сил.

Рис. 13.3. Конструкции камер шлюзов (поперечные разрезы) на нескальных грунтах.
а — доковая без водопроводных галерей; б — доковая с временно-разрезным днищем и водопроводными галереями, расположенными в днище (натяжная армоферма проходит в плите); в — доковая с водопроводными галереями в стенах; г — с отдельно стоящими стенами на фундаментах; д —  с днищем в виде распорок между стенами; г — с консольным днищем; разрезанным продольным швом; 1 — дренаж; 2 — противофильтрационный шпунт.

Рис. 13.4. Конструкции стенок камер шлюзов (поперечные разрезы) на скальных грунтах.
а — треугольного профиля без водопроводных галерей; б — то же с продольными водопроводными галереями в днище; в — на слабой скале; г — на прочной скале; 1 — водопроводная галерея; 2 — бетонная облицовка скалы на анкерах; 3 — дренажная система; 4 — необлицованная скала в днище камеры.

Головы шлюза при расположении их на мягких грунтах во избежание заклинивания ворот рекомендуется выполнять доковой конструкции из монолитного железобетона (шлюзы на Волге. Каме, канале имени Москвы, Волго-Балтийском водном пути и др.). При скальных грунтах основания (шлюзы Усть-Каменогорской, Днепровской, Кременчугской ГЭС и др.) днище отрезано от устоев голов, а шов между ними перекрывается противофильтрационным уплотнением.
Верхние головы шлюзов при наличии стенки падения, как правило, оборудуются основными подъемно-опускными воротами и такого же типа аварийно-ремонтными воротами, маневрирование которыми осуществляется гидроподъемниками. При головных системах питания, когда наполнение камеры осуществляется из-под основных ворот, верхняя голова имеет систему гасительных устройств. При распределительной системе питания в устоях голов располагаются водопроводные галереи. которые перекрываются основными и ремонтными затворами, позволяющими осуществлять ремонт основных затворов без остановки эксплуатации шлюза.
При значительных колебаниях навигационных уровней верхнего бьефа для облегчения конструкций основных и аварийно-ремонтных ворот верхнюю голову целесообразно выполнять со съемной стенкой падения. Для облегчения конструкций нижней головы при напорах 25 м и выше желательно применение распорки-затяжки между устоями, используемой в качестве мостового перехода.
В шлюзах с напором 20—25 м рекомендуется нижние головы оборудовать основными и ремонтными двустворчатыми воротами с гидротолкателями. При больших напорах и при напорах, равных или близких к удвоенной высоте перекрываемого отверстия, следует отдавать предпочтение цилиндрическим или подъемно-опускным воротам (шлюзы Усть-Каменогорской и Павловской ГЭС). При значительных напорах в качестве основных затворов водопроводных галерей рекомендуется применение сегментных затворов с верховой осью вращения, обеспечивающих меньшую пульсацию давления при наполнении и опорожнении камеры.
Причальные и направляющие устройства судоходных сооружений при их высоте до 20 м и колебаниях уровня воды до 5 м выполняют, как правило, стационарными. При большей высоте и значительных колебаниях уровня воды предусматривают конструкции, перемещающиеся при изменении уровня воды. К стационарным относятся монолитные или шпунтовые конструкции: раздельные стены (незасыпные), сплошные стены на свайном ростверке, отдельно стоящие опоры с пролетным строением между ними, отдельно стоящие причальные опоры, соединенные между собой или с берегом служебным мостиком.
Конструкции причальных и направляющих сооружений, располагаемых в выемке скальных пород, рекомендуется выполнять в виде бетонных облицовок, которые при необходимости анкеруются к скале арматурной сталью.
Проведенный в последние годы большой комплекс лабораторных гидравлических исследований однокамерных высоконапорных шлюзов убедительно доказывает, что технически осуществимо и экономически целесообразно строительство однокамерных высоконапорных шлюзов, обладающих высокой судопропускной способностью.
На рис. 13.5 показана конструкция шлюза, рассчитанного на напор 55,5 м, все сооружения которого врезаны в скальные породы. Головы шлюза выполнены без наземных зданий, за исключением центрального пульта управления шлюзом, размещенного на нижней голове. Нижняя часть устоев голов и стен камеры шлюза бетонируется в распор со скальным откосом котлована, а верхняя выполняется в виде подпорных стенок массивного профиля. Днище шлюза отрезано от устоев голов и стен камер конструктивным швом, который перекрыт противофильтрационными шпонками. В нижней части устоев голов и стенок камеры проходят галереи системы питания, которые в центральной части камеры подводятся к распределительной системе проложенных в днище галерей. В перекрытии галерей днища предусмотрены щелевые отверстия, расположенные равномерно по длине камеры с шагом 1,5 м. Козловой кран обслуживает все механизмы, ворота и затворы шлюза при их осмотре и ревизии. Предусмотрена вентиляция камеры шлюза, так как при ее большой глубине и сравнительно малой ширине возникает опасность загазованности при работе судовых двигателей.

Рис. 13.5. Высоконапорный шахтный шлюз (77=55,5 м).
а — продольный разрез; б — поперечный разрез по камере; 1 — стены камеры; 2 — камеры гашения; 3 —обратный сегментный затвор водопроводных галерей; 4 — система наполнения и опорожнения камеры; 5 — цементационная завеса; 6 — дренажные скважины; 7 — дренажные потерны.

Шлюз с напором 55,5 м проектируется в мировой практике впервые, поэтому системе питания шлюза уделено большое внимание. Система питания — сложная распределительная с донными галереями и щелевыми выпусками в перекрытии, которые размещены равномерно по всей площади камеры. Принята двусторонняя боковая схема расположения подводящих и отводящих галерей с вводом их в камеру в средней ее части. Выпуск воды в камеру и забор ее осуществляется через четыре участка, имеющих щелевые отверстия.
Для высоконапорных шлюзов одним из важнейших условий надежной работы системы питания является обеспечение защиты от кавитационной эрозии стенок водовода в зоне сжатой струи при частично открытых затворах. Конструктивно это достигается резким расширением водовода за затвором с последующим плавным сжатием потока, в результате чего кавитационный факел при определенном давлении в расширенной камере замыкается внутри потока, не выходя на стенки галерей.

Рис. 13.6. Высоконапорный шахтный арочный шлюз (Н = 107,5 м).
а — продольный разрез; б — план-разрез; в — поперечный разрез по камере; 1 — камера шлюза арочного очертания; 2 — плавучие причальные понтоны; 3 — камера гашения; 4 — обратный сегментный затвор водопроводных галерей; 5 — система наполнения и опорожнения камеры; 6— судоходный туннель; 7 — цилиндрические ворота.

Выполненные расчеты с учетом гидравлических характеристик неустановившихся режимов в подходных каналах показывают возможность обеспечения для них нормативных эксплуатационных условий.
Оригинальная конструкция шлюза¹ для высоконапорного гидроузла представлена на рис. 13.6. Однокамерный шахтный шлюз арочного типа рассчитан на напор 107,5 м. Стены камеры шлюза врезаны в скальный массив и работают на сжатие, опираясь, с одной стороны, в устои верхней головы, а с другой, в пределах нижней головы, в скальный массив, что создает единую конструкцию из двух взаимоопертых арок.
Отличительной особенностью шлюза является также то, что для уменьшения объемов работ по скальным выемкам нижний подход к шлюзу частично выполнен в виде транспортного туннеля, примыкающего к нижней голове. Система водозабора-водовыпуска и питания шлюза принята аналогичной описанной выше для шлюза с напором 55,5 м. Из-за наличия большой навигационной сработки водохранилища верхняя голова шлюза оборудуется съемной стенкой падения, состоящей из нескольких секций-шандор, аварийно-ремонтными и основными подъемно-опускными воротами.

¹ А. с. 557143 (СССР). Высоконапорный судоходный шахтный шлюз/ Н. А. Малышев. Опубл. в Б. И., 1977, № 17.

Разработка скального котлована под шлюз предусматривает следующую последовательность организации производства работ. На нижних отметках разрабатывается транспортный туннель, который проходит по всей длине котлована шлюза. Устраиваются три-четыре оборудованные затворами шахты, которые соединят транспортный туннель с поверхностью котлована. Скальный грунт котлована шлюза разрабатывается послойно методом взрыва, с помощью бульдозеров ссыпается в шахты и удерживается в них затворами. При открытии затворов грунт из шахт поступает в устанавливаемые под ними транспортные средства и далее по туннелю отвозится в отвал. По мере послойной разработки скального грунта котлована шлюза в его стенках устанавливаются металлические анкера и осуществляется бетонирование арочных стен камеры и устоев голов.
Камеры шлюзов в отличие от других гидротехнических сооружений находятся в более тяжелых условиях статической работы, так как они подвержены воздействию знакопеременных гидростатических нагрузок (их цикл может повторятся по нескольку тысяч раз за навигацию) и переменных температур окружающей среды в условиях ограничения свободных деформаций стен и днища контактирующими с ними грунтами основания и засыпки. Расчет камер судоходных шлюзов выполняется в соответствии с требованиями СНиП 11-55-79 «Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения». Стены и днище камер шлюзов рассчитываются с учетом воздействия переменных по числовому значению и закону распределения дополнительных реактивных сил, при этом в расчете должно учитываться:

1. Для определения сечения арматуры тыловой грани стен камеры доковой конструкции — дополнительное реактивное давление при опорожненной камере: от изменения распределения по толщине стены летней температуры по сравнению с зимней и от всплывания и подъема основания опорожненной камеры в зимних условиях межнавигационного периода или при ремонте шлюза.
2. Для определения арматуры днища пролетных и краевых сечений камеры доковой конструкции — соответственно минимально и максимально возможное по условиям работы боковое давление воды и грунта на стены при опорожненной камере, а для пролетных сечений днища — также минимально возможное по условиям работы боковое давление воды и грунта на стены при наполненной камере.
3. Воздействие на лицевые стены гидростатического давления воды в наполненной камере и удара судна максимальной расчетной грузоподъемности.

 При расчете на прочность камер двухниточных шлюзов следует учитывать дополнительное давление грунта межшлюзовой засыпки на стену порожней камеры при наполненной водой соседней камере с распределением части давления воды на грунт. Этот расчет следует производить по теории упругости методом конечных элементов с учетом изменения по глубине деформационных характеристик грунта засыпки. Дополнительное давление грунта межшлюзовой засыпки на стену опорожненной камеры следует принимать как долю дополнительного реактивного давления грунта от давления воды на стену наполненной камеры.

При расчете камер судоходных шлюзов рассматриваются три основных расчетных случая: эксплуатационный, ремонтный и строительный. Для эксплуатационного случая исследуются условия, когда камера шлюза находится под напором при таком сочетании уровней, которые создают наиболее тяжелый режим для статической работы элементов конструкций камеры. При этом камера рассчитывается на два основных сочетания уровней: камера наполнена до наивысшего судоходного уровня, уровень грунтовых вод за стенами камеры находится на наинизшей отметке и камера опорожнена до наинизшего судоходного уровня при наиболее неблагоприятном уровне грунтовых вод за стенами камеры.
Для ремонтного случая рассматриваются все условия, которые могут иметь место при выполнении ремонтных работ: камера осушена и засыпка за стенами выполнена до проектных отметок; в бьефах расположены максимально возможные по условиям ремонта уровни воды, поддерживаемые ремонтными заграждениями; обратные засыпки частично удалены, а в камере происходит шлюзование.
Для строительного случая учитываются условия, при которых сооружение и засыпки выполнены частично или на полную высоту, уровень грунтовых вод находится в бытовых условиях (если не сказывается действие дренажей) и имеет место наиболее тяжелый, но возможный в заданных условиях производства работ режим для камеры шлюза и ее элементов. Необходимо также рассматривать возможность эксплуатации шлюза при частично заполненном водохранилище, когда стены камеры и засыпка за ними выполнены частично или на полную высоту, а уровень грунтовых вод за стенами камер располагается на минимально возможной отметке.
С начала пуска в эксплуатацию первого в СССР судоходного шлюза нормы на проектирование судоходных сооружений, методы их расчета и конструирования претерпели существенные изменения в направлении их совершенствования.
На первом этапе судоходные сооружения возводились из массивных конструкций, так как они представлялись более надежными в эксплуатации и простыми в осуществлении. Шлюзы Волховской ГЭС, канала имени Москвы были выполнены из массивных железобетонных конструкций. Размеры их элементов определялись с учетом работы бетона на растяжение и соблюдения условий трещиностойкости, что приводило к значительной толщине сечений конструкций шлюзов. Армирование конструкций шлюзов на этом этапе выполнялось штучной арматурой из сталей сравнительно малого сопротивления на растяжение и небольших диаметров. В последующем армирование стали выполнять с применением сеток и армопакетов, которые укладывались или навешивались на армофермы. В качестве опалубки стали использовать плиты- оболочки и армопанели.
На втором этапе проектирования железобетонные конструкции шлюзов рассчитывались с допущением раскрытия трещин, что позволило существенно сократить объем бетонных работ и суммарную массу арматуры. Характерной для этого этапа является тенденция к переходу на тонкостенные конструкции с увеличенным содержанием арматуры.

Таблица 13.3. Расход основных материалов на 1 м³ полезного объема камер шлюзов

Как видно из табл. 13.3, в которой дано сравнение расхода основных материалов на 1 м³ полезного объема камер шлюзов, построенные в последнее время шлюзы (Саратовской, Боткинской и Нижнекамской ГЭС), запроектированные из расчета работы железобетона с ограниченным допущением раскрытия трещин, как по удельному расходу материалов, так и по стоимости значительно экономичнее, чем ранее построенные шлюзы, которые рассчитывались на трещиностойкость и имели излишние запасы.
Переход на сильно армированные конструкции привел к дальнейшей индустриализации арматурных работ, а применение обжатых конструкций — к значительной экономии бетона, что в свою очередь определило уменьшение трудоемкости и стоимости работ, приходящихся на 1 м³ полезного объема камеры.
Существенное влияние на работу камер судоходных шлюзов оказывает реактивное усилие, возникающее вследствие температурных воздействий, а для двухниточных шлюзов — от дополнительного давления грунта межшлюзовой засыпки на стену опорожненной камеры при наполненной водой смежной камере. Практика проектирования показывает, что учет воздействия этого усилия увеличивает расчетное сечение рабочей арматуры камеры шлюзов на 20—30%. Для уменьшения или полного исключения воздействия реактивных сил и, тем самым, снижения расхода арматуры в проектах рекомендуется применять следующие конструктивные меры:
максимально снижать отметку засыпок за стенами камеры, соблюдая при этом условие обеспечения ее устойчивости на всплывание;
предусматривать за наружными стенами камер, а в двухниточных шлюзах и в межшлюзье регулируемые бассейны, которые в межнавигационный период осушаются для их осмотра и ремонта с соблюдением условия обеспечения общей устойчивости камер. Для обоих этих случаев ширина пришлюзовых площадок назначается из условий обеспечения проезда по ним автотранспорта и кранового оборудования к устоям голов для выполнения ремонта механического оборудования голов и камеры;
устраивать в тыловых стенах камеры полости, сообщающиеся с камерой при помощи водоводов, расположенных ниже отметки минимального навигационного уровня воды в камере.