Водные пути подразделяют на морские и внутренние (естественные и искусственные). К естественным относятся реки в свободном состоянии, озера, к искусственным — судоходные каналы, шлюзованные реки и водохранилища.
Судоходные каналы представляют собой искусственные русла правильной геометрической формы, своими размерами удовлетворяющие требованиям судоходства. Проектирование судоходных каналов состоит в решении таких основных вопросов, как трасса канала, продольный профиль и поперечное сечение. Геологические и топографические условия при трассировании канала играют решающее значение. Лучше трассу канала прокладывать по речным долинам и кратчайшим расстояниям, что связано с минимальными объемами работ и уменьшением потерь воды на фильтрацию. Оси канала необходимо придавать прямолинейное направление, но так как это не всегда осуществимо, то радиусы кривых принимать, по возможности, большими, причем в пределах закругления канала ширина его должна быть увеличена.
Размеры поперечного сечения судоходного канала определяют на основании данных об интенсивности движения, размеров груженого суда, типа крепления откосов и характера грунтов, в которых прокладывается канал.
Судоходные каналы в нашей стране сооружают обычно для двустороннего движения (рис. 89). Ширину канала по судовому ходу определяют по формуле (110)
Вс.к=2Вс+3d,
где Вс — ширина наиболее широких судов или плотов, м;
d —запас между судами и между судном и берегом, м. Для малых рек принимают d=2—3 м, для больших — d=5—7 м.
Рис. 89. Схема размещения двух встречных судов в судоходном канале.
Рис. 90. Схемы шлюзов: а — трехступенчатый (трехкамерный); б — шахтный.
По напору шлюзы подразделяют на однокамерные, многокамерные и шахтные (рис. 90). Наиболее распространенные схемы взаимного расположения шлюзов в гидротехническом узле сооружений представлены на рис. 91. Самым простым типом шлюза является однокамерный, благодаря которому суда преодолевают сразу весь перепад, представляющий собой разность уровней верхнего и нижнего бьефов. Представляет он собой (рис. 92) камеру, состоящую из днища и стен, где помещается судно во время шлюзования. Камеру от верхнего и нижнего бьефов отделяют ворота, размещенные в утолщенных стенах — головах. Верхняя голова шлюза (между верхним бьефом и камерой) поддерживает разность уровней в верхнем бьефе и камере, а нижняя (между камерой и нижним бьефом) — в нижнем бьефе и камере. Наполняются и опорожняются судоходные шлюзы посредством специальных водопроводных устройств — водопроводной системы шлюза или системы питания. Процесс пропуска судна с одного бьефа в другой, т. е. шлюзование, производится в таком порядке: при закрытых верхних и нижних воротах открывают затворы водопроводных галерей верхней головы и сравнивают уровень воды в камере с уровнем верхнего бьефа, потом открывают верхние ворота и пропускают судно в камеру, после этого закрывают верхние ворота, открывают затворы водопроводящих галерей нижней головы и сравнивают уровень воды в камере с уровнем воды нижнего бьефа и, наконец, открывают нижние ворота и пропускают судно в нижний бьеф. С нижнего бьефа в верхний судно пропускают в обратном порядке. Каждый шлюз имеет верхний и нижний подходы, состоящие из подходных каналов, направляющих устройств (пал) и причальных сооружений.
Рис. 91. Основные схемы расположения судоходного шлюза в гидроузлах: а — шлюз в обход сопрягающего сооружения или ГЭС на судоходно-оросительном канале; б — шлюз на прямом участке реки; в — шлюз на обходном канале при криволинейном участке реки; г — шлюз на спрямляющем канале; д — шлюз при соединении озеровидных бьефов; 1 — судоходно-оросительный канал; 2 — сопрягающее сооружение или ГЭС; 3 — нижний подходной канал; 4 — судоходный шлюз; 5 — верхний подходной канал; 6 — гидростанция; 7 — плотина; 8 — причальное и направляющее устройство.
Для уменьшения напора воды на верхние ворота и объема строительных работ в некоторых шлюзах в верхней голове устраивают стенки падения, в результате чего верхние ворота получаются невысокими и сравнительно дешевыми.
Напор для однокамерных шлюзов принимают не более 18 м. При больших напорах устраивают многокамерный шлюз, в котором один и тот же объем воды при шлюзовании используется последовательно в каждой камере. В некоторых случаях применяют шахтные шлюзы, но большой расход воды на шлюзование ограничивает их распространение. При шлюзовании с верхнего бьефа в нижний сбрасывается некоторое количество воды, называемое сливной призмой.
Рис. 92. Схема шлюза с боковыми водопроводными галереями:
ВГ — верхняя голова; НГ — нижняя голова; ВВ — верхние ворота; ВБ — верхний бьеф; НБ — нижний бьеф; 1 — пороги шлюза; 2 — водопроводные галереи; 3 — затворы галерей; 4 — стенка падения.
Средний секундный расход воды Q на шлюзование при числе шлюзований за сутки К равняется
Для уменьшения сопротивления движению судов площадь поперечного сечения канала должна быть в пять-восемь раз больше площади смоченной части миделя* судна. Глубина воды в каналах при наинизшем судоходном уровне принимается не менее:
(111) где hос — величина осадка расчетного судна с учетом дифферента (разности осадки носа или кормы) на ходу, м;
Δh3 — величина запаса под днищем судна, м.
* Мидель — поперечное сечение судна в месте его наибольшей ширины.
Ширина канала должна соответствовать СНиП П-53-73, при двустороннем движении не менее 2,6 Вс; при одностороннем — не менее 1,5 В.
Судоходный шлюз служит для преодоления на плаву подвижным составом (судами, баржами, плотами и др.) сосредоточенных падений уровней воды, создаваемых на гидротехнических узлах и искусственных водных путях при помощи неподвижной камеры. Шлюзование реки обеспечивает постоянные гарантированные глубины для судоходства, так как река или крупный магистральный канал после устройства шлюзов и плотин превращается в искусственный водный путь, состоящий из ряда подпертых участков. Каждый гидроузел (плотина и шлюз) должен поднять уровень воды до такой отметки, чтобы на протяжении всего судового хода были созданы глубины, достаточные для прохода судов.
Суда через шлюзы из верхнего бьефа в нижний и обратно переводятся посредством воды, наполняющей или опорожняющей шлюзную камеру.
Ранее, когда реки шлюзовались исключительно для судоходства, на плотинах допускались небольшие напоры порядка 5 м, чтобы не затапливать пойму. В настоящее время, когда реки используются комплексно с возведением высоких плотин, соответственно и напоры на шлюзах принимаются большие — от 10 до 30 м и более, с распространением подпора на сотни километров.
Положительным фактором шлюзования рек высокими плотинами с образованием больших водохранилищ (искусственных морей) является снижение резких колебаний уровней воды, уменьшение скорости течения и пропуск судов и буксировки увеличенных размеров, отрицательным — вырубка деревьев и затопление больших площадей земельных угодий, образование на обширных водохранилищах ветровых волн значительной высоты влечет за собой усиление конструкции судов и активную переработку берегов, цветение воды.
Подход к шлюзу судов должен быть удобным, помехи в работе других сооружений гидроузла не должны мешать нормальному процессу шлюзования. Общая схема судоходного шлюза зависит от числа камер и их взаимного расположения в нем.
где Р — месячная пропускная способность шлюза, т;
t — время одного шлюзования для однокамерного шлюза (0,5 ч);
Т — часы работы шлюза в сутки (20—21 ч);
N — число дней работы шлюза в месяц, равное календарному числу;
G — грузоподъемность каравана, принимаемая равной 80— 90% от общего тоннажа суден в караване, т.
Одним из основных элементов камерного шлюза является водопроводящее устройство (система питания), которое служит для наполнения и опорожнения шлюза, причем эти процессы должны происходить за короткое время.
Чаще всего применяются водопроводные галереи (короткие или длинные) в обход ворот (см. рис. 92) с различной формой поперечного сечения (круглые, прямоугольные, прямоугольные с полуциркульным сводом и т. д.). Площадь разреза галереи практически в 200—300 раз меньше площади камеры в плане. Стены камеры шлюза сооружают в виде срубов, заполненных грунтом, или в виде каменных, бетонных, железобетонных подпорных стенок. Днища камер (водонепроницаемые и реже проницаемые) устраивают из бетонной или железобетонной плиты.
Существует большое количество различных конструкций шлюзовых ворот, однако в шлюзостроении больше применяются одно- и двуполотные (двустворчатые) ворота, которыми перекрываются отверстия шлюза. Наиболее распространенными являются плоские двустворчатые ворота с вертикальной осью вращения, которые устанавливаются преимущественно в верхних головах шлюзов, оборудованных стенками падения. Для открытия и закрытия шлюзовых ворот применяется механизм с шатуном или с цевочной рейкой с приводом от электродвигателя. В случае аварии двигателя предусматривается ручной привод. В настоящее время на всех шлюзах введено централизованное управление механизмами и оборудованием, благодаря которому все операции по шлюзованию производятся автоматически.
Габаритные размеры шлюзов определяют по грузо- и судообороту, установленным на перспективный расчетный срок.
Суда из одного бьефа водного пути в другой пропускаются также судоподъемниками при помощи подвижной камеры или тележки. Строят судоподъемники на водораздельном бьефе, где ощущается недостаток в местной воде, а подача воды на водораздел для шлюзования механическим способом с экономической точки зрения часто бывает нецелесообразна. В судоподъемниках расход воды незначителен и сводится к покрытию утечек в затворах и воротах. Судоподъемники бывают вертикальные и наклонные. Вертикальный судоподъемник представляет собой (рис. 93) подвижную камеру с воротами с обоих концов, поставленными вместо торцевых стен. Такими же воротами оборудованы нижний и верхний подходные каналы, примыкающие к судоподъемнику.
Подъем судна с нижнего бьефа в верхний производится в следующей последовательности: сначала открывают нижние ворота камеры и ворота нижнего подходного канала, вводят судно в камеру, закрывают те и другие ворота и поднимают камеры до уровня верхнего бьефа. Здесь после заполнения водой пространства между воротами камеры и каналом открывают их и выводят судно в верхний подходной канал, а на его место с верхнего бьефа становится судно, которое движется в противоположном направлении, и камера с судном опускается в нижний бьеф по такому же принципу, но в обратном порядке.
Время, необходимое на пропуск судна из одного бьефа в другой, составляет 25—20 мин.
Судна в камерах по наклонной плоскости перемещают наклонные судоподъемники при помощи путевого устройства, в котором камера уравновешивается противовесами или спаренной второй камерой.
Наклонные судоподъемники называют еще судовозными дорогами. На наклонной плоскости устраивают дорогу, по которой на особых тележках в наполненной водой камере перемещают суда с одного бьефа в другой.
Рис. 93. Схемы вертикальных судоподъемников:
а — однокамерный с противовесами; б — двухкамерный с гидравлическими прессами; в — однокамерный с поплавками; 1 — ворота; 2 — блоки; 3 — опорные и направляющие стены или стойки; 4 — камера; 5 — противовесы; 6 — плунжеры гидравлического пресса; 7 — цилиндр; 8 — задвижка; 9 — поплавки; 10 — шахты для поплавков.
В связи со строительством крупнейших гидротехнических сооружений на реках Сибири были произведены технико-экономические исследования, которые подтвердили, что из всех типов судоподъемных сооружений наиболее экономичен по капиталовложениям, эксплуатационным затратам и грузообороту наклонный грузоподъемник.
На Красноярской ГЭС построено судопропускное устройство в виде наклонного продольного судоподъемника с поворотным кругом.
Камера весит вместе с водой и судном 6500 т, в том числе водоизмещение судна составляет 2000 т. Высота подъема камеры — 115 м, длина судовозных путей 1593 м, уклон 1 : 10. Поворотный круг предназначен для разворота камеры в месте пересечения судоходных путей. Продолжительность одного двустороннего цикла 80 мни. Стоимость наклонного судоподъемника в 2 раза дешевле, чем многокамерного шлюза.
Сооружение гидротехнических узлов на реках создает целый ряд природных изменений, отрицательно сказывающихся на воспроизводстве рыбных запасов. Перегораживание рек плотинами может привести к вымиранию ценных пород рыб, если не принять соответствующих мер для пропуска ее с помощью рыбопропускных и рыбооградительных сооружений. Следует использовать новые водохранилища под заселение их рыбами, обладающими высокими товарными качествами и наряду с этим создавать новые нерестовые площади.
Для перехода с верхнего бьефа в нижний рыба пользуется водосливными отверстиями плотин, судоходными шлюзами и даже турбинными камерами гидроэлектростанций (в этом случае почти вся рыба гибнет от соприкосновения с лопастями турбин).
Из нижнего бьефа в верхний рыба не может попасть через эти же сооружения, так как она не в состоянии преодолеть встречных скоростей воды.
Существует две основные группы рыбопропускных сооружений: рыбоходы, т. е. сооружения, по которым рыба продвигается снизу вверх без принудительного действия; рыбоподъемники и рыбные шлюзы — сооружения цикличного и принудительного действия для перемещения рыб с Нижнего бьефа в верхний.
Существует много конструкций рыбоходов, однако скорость течения воды в них не должна превышать скорости движения рыб против течения. Наиболее распространены рыбоходы лестничного типа, которые представляют собой лотки со ступенчатым дном и с поперечными перегородками. В перегородках для прохода рыбы устроены вплывные отверстия (рис. 94), расположенные в шахматном порядке для лучшего гашения энергии потока воды.
Рис. 94. Схема лестничного рыбохода:
а — продольный разрез; б — план; в — расположение отверстий; 1 — бассейн; 2 — поперечные перегородки; 3 — продольные стенки; 4 — защитные щитки; 5 — вплывные отверстия.
Рис. 95. Схема рыбоходного шлюза:
1 — питающий трубопровод; 2 — камера; 3 — подвижной пол; 4 — затвор; 5 — шандоры; 6 — деревянный решетчатый пол; 7 — железобетонный решетчатый пол.
Лестничные рыбоходы обычно разбивают на несколько маршей с высотой подъема 2,5—4 м в каждом, с устройством между ними бассейнов увеличенных размеров для отдыха рыбы. Уклон лестничных рыбоходов принимают от 1:7 до 1:12. Строят их на гидроузлах с напорами до 30 м, применяя различные строительные материалы: камень, бетон, железобетон и дерево. Размеры маршевых бассейнов принимают следующие: ширина 3—3,5 м на крупных реках и 1,2—1,5 м на малых; расстояние между перегородками 2—2,5 м; глубина воды 1,5—1,75 м на крупных реках и 1,2—1,5 м на малых. Опыт эксплуатации лестничных рыбоходов показал вполне удовлетворительные результаты.
Рыбоходные шлюзы шахтного типа состоят из двух параллельных камер (рис. 95), оборудованных верхним и нижним затворами и имеющих низовые и верховые подходные каналы. Этим обеспечивается непрерывность процесса перемещения рыбы с нижнего бьефа в верхний. Когда в одной камере производится шлюзование, в другой, открытой, накапливается рыба. После закрытия нижнего затвора камеру наполняют водой из верхнего бьефа через специальный трубопровод, подведенный к отверстиям в железобетонном полу камеры. Как только уровень воды в камере сравняется с уровнем верхнего бьефа, открывают верхний затвор камеры и путем постепенного поднятия деревянного решетчатого пола принуждают находящуюся в камере рыбу выйти в верхний бьеф. Продолжительность одного шлюзования составляет 40—55 мин. Рыбоходные шлюзы обычно входят в состав сооружений гидротехнических узлов со значительными напорами, но несмотря на удовлетворительную их работу, большие расходы воды на шлюзование ограничивают их применение.
Рыбоподъемники обычно располагают в раздельных быках и устоях плотины для подъема рыбы в передвижной (в вертикальном положении) наполненной водой камере. Рыба поступает в камеру рыбоподъемника с течением воды, поступающей с верхнего бьефа по специальному трубопроводу. Пропускная способность рыбоподъемника незначительна.
Рыбопропускники следует располагать в местах, где могут быть созданы привлекающие рыбу встречные течения. В качестве рыбозащитных устройств применяют неподвижные сетки, устанавливаемые в обоих бьефах для преграждения пути подхода рыбы к опасным местам. Механические сетчатые заградители, защищающие рыбу от попадания во всасывающие трубы насосных станций и электрозаградители устанавливают поперек канала. Устройство заградителей основано на действии электрического тока на организм рыб путем создания электрического поля, в котором рыба чувствует раздражение и уходит из полосы его влияния.
По запасам леса и площади, занятой лесом, наша страна занимает первое место в мире. Количество лесных грузов непрерывно увеличивается, занимая одно из ведущих мест в общем грузообороте внутренних водных путей.
При строительстве гидроузлов на сплавных реках в состав сооружений узла входят лесопропускные сооружения в виде бревноспусков при сплаве леса вроссыпь (молевой сплав) или плотоход при сплаве леса плотами.
Если в состав гидроузла входит гидроэлектростанция и лесопропускные сооружения, то во избежание попадания леса в водозаборные сооружения ГЭС целесообразнее строить на двух противоположных берегах. На судоходных шлюзованных реках сплав леса только в плотах производится через судоходные шлюзы без устройства дополнительных лесопропускных сооружений. На реке одновременно сплавной и судоходной в состав гидроузла входят судоходный шлюз и лесопропускные сооружения, в этом случае эти сооружения удобнее также располагать на разных берегах.
Если в состав гидроузла входят гидроэлектростанция, судоходный шлюз и лесопропускные сооружения, на одном берегу следует разместить гидроэлектростанцию и судоходный шлюз, а на втором — лесопропускные сооружения. Бревноспуски представляют (рис. 96) обыкновенные деревянные лотки (бетонные, железобетонные и реже металлические) прямоугольного или трапецеидального сечения шириной по уровню воды 1—2 м, с уклоном 1/30—1/10, глубиной на пороге 0,5—1,0 м и максимальной скоростью воды в лотке до 6 м/с. Вход в лоток закрывается плоским или деревянным затвором.
Плотоходы представляют собой наклонные лотки,' которые отличаются от бревноспусков большей шириной (10—20 м), меньшим уклоном (1/100—1/80) и меньшей скоростью движения воды (до 4 м/с). Глубина воды Н в лесопропускных сооружениях определяется по формуле
H=t+∆, (118)
где t — осадка плота, м;
Δ — запас между низом плота и дном лотка, м.
С целью экономии воды при пропуске плотов устраивают плотоходы со шлюзовой камерой (рис. 97), оборудованные вспомогательным затвором, который располагают по наклонной плоскости за головным затвором. Сначала закрывают вспомогательный затвор и открывают головной, камеру наполняют водой и вводят сюда плот, потом закрывают головной затвор и открывают вспомогательный, после чего плот вместе с водой камеры спускают в нижний бьеф.
Часть акватории перед лесопропускными сооружениями ограждают плавучими запанями для удобства выполнения всех операций, связанных с подготовкой плотов к пропуску через плотоход.
