ОТ ПРУДА ДО ПЛОТИНЫ

 

Сегодня в нашем мире практически нет ничего невозможного: выстроить гигантский небоскреб - пожалуйста, опуститься на сотни метров под воду - не вопрос. Инженерная мысль и технический прогресс идут гигантскими шагами. Еще в середине прошлого века повернуть реки вспять было необыкновенным решением. Чего уж говорить: на каждом уважающем себя садовом участке или даче все так и норовят сделать свой пруд или «свой», домашний водопад. Всеми этими высокотехнологичными промышленными сооружениями и домашними водяными причудами занимаются специалисты по гидротехническому строительству. Только у каждого масштаб свой: кому ГЭС установить на сибирской реке - обычный вопрос ближайшего десятилетия, а кому - берег реки в городской черте облагородить и сохранить надо. Важно все. Даже домашний пруд.

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ. ОТ А ДО Я

На самом деле разобраться с понятием «гидротехническое сооружение» не так сложно. Это сооружение, которое используется для водных ресурсов, а также для борьбы с вредным воздействием вод. Примеров таких сооружений - море (и в прямом и в переносном смысле...). Есть очень известные: дамбы рек, причалы, гидроэлектростанции, каналы, порты. Есть и очень специализированные: гидромелиоративные системы (применяются в сельском хозяйстве), судоходные сооружения (речное и морское пароходство), водоводы и отстойники, и многое, многое другое. Одни строятся исходя из принципов развития той или иной отрасли хозяйства, другие - защищают людей от водной стихии.

В зависимости от местоположения, гидротехнические сооружения могут быть морскими, речными, озерными, прудовыми. Различают также наземные и подземные гидротехнические сооружения. В соответствии с обслуживаемыми отраслями водного хозяйства, гидротехнические сооружения бывают: водноэнергетические, мелиоративные, воднотранспортные, лесосплавные, рыбохозяйственные, для водоснабжения и канализации, для использования водных недр, для благоустройства городов, спортивных, эстетических целей.

Различают гидротехнические сооружения - общие, применяемые почти для всех видов использования вод, и  - специальные, возводимые для какой-либо одной отрасли водного хозяйства. К общим относятся:

- водоподпорные. Создают напор или разность уровней воды перед сооружением и за ним. Самые известные примеры: плотины (важнейший и наиболее распространённый тип гидротехнического сооружения), перегораживающие речные русла, и речные долины, поднимающие уровень воды, накапливаемой в верхнем бьефе; дамбы (или валы), отгораживающие прибрежную территорию и предотвращающие её затопление при паводках и половодье на реках, при приливах и штормах на морях и озёрах;

- водопроводящие. Служат для переброски воды в заданные пункты: каналы, гидротехнические туннели, лотки, трубопроводы. Некоторые из них, например каналы, из-за природных условий их расположения, необходимости пересечения путей сообщения и обеспечения безопасности эксплуатации, требуют устройства других гидротехнических сооружений, объединяемых в особую группу сооружений на каналах (акведуки, дюкеры, мосты, паромные переправы, заградит, ворота, водосбросы, шугосбросы и др.);

-  регуляционные. Предназначены для изменения и улучшения естественных условий протекания водотоков и защиты русел и берегов рек от размывов, отложения наносов, воздействия льда и др. При регулировании рек используют струенаправляющие устройства (полузапруды, щиты, дамбы и др.), берегоукрепительные сооружения, ледонаправляющие и ледозадерживающие сооружения;

- водозаборные (водоприёмные) сооружения. Их устраивают для забора воды из водоисточника и направления её в водовод. Кроме обеспечения бесперебойного снабжения потребителей водой в нужном количестве и в требуемое время, они защищают водопроводящие сооружения от попадания льда, шуги, наносов и др.;

- водосбросные. Служат для пропуска излишков воды из водохранилищ, каналов, напорных бассейнов. Они могут быть русловыми и береговыми, поверхностными и глубинными, позволяющими частично или полностью опорожнять водоёмы. Для регулирования количества выпускаемой (сбрасываемой) воды водосбросные сооружения снабжают гидротехническими затворами. При небольших сбросах воды применяют также водосбросы-автоматы, автоматически включающиеся при подъёме уровня верхнего бьефа выше заданного. К ним относятся открытые водосливы (без затворов), водосбросы с автоматическими затворами, сифонные водосбросы.

Специальные гидротехнические сооружения:

- сооружения для использования водной энергии здания гидроэлектрических станций, напорные бассейны и др.;

- сооружения водного транспорта - судоходные шлюзы, судоподъёмники, маяки, и др.;

- сооружения по обстановке судового хода - плотоходы, бревноспуски и пр.;

- портовые сооружения - молы, волноломы, пирсы, причалы, доки, эллинги, слипы и др.;

- мелиоративные - магистральные и распределительные каналы, шлюзы-регуляторы на оросительных и осушительных системах;

- рыбохозяйственные - рыбоходы, рыбоподъёмники, рыбоводные пруды и т.п.

В ряде случаев общие и специальные сооружения совмещают в одном комплексе, например водосброс и здание гидроэлектростанции (совмещенная ГЭС) или другие сооружения для выполнения нескольких функций одновременно. При осуществлении водохозяйственных действий, гидротехнические сооружения, объединённые общей целью и располагаемые в одном месте, составляют комплексы - узлы гидротехнических сооружений (гидроузлы). Несколько гидроузлов образуют водохозяйственные системы, например энергетические, транспортные, ирригационные и т.п.

В последнее время появилась третья группа гидротехнических сооружений. Пока их не много (и некоторыми это называется «блажь») - индивидуальное гидротехническое строительство. Это строитетельство частных «рек», «озер», «прудов» и «водопадов». То есть та же вода, только для настроения, для украшения, как эстетическое оформление водного ландшафта. В прайсах некоторых фирм уже давно появилась такая услуга - «экологическое гидротехническое строительство». Конечно, это в первую очередь касается экологического сохранения естественного русла реки (в городской черте, например), берегов озер и других водоемов вблизи дорог, набережные и т.д. Но ведь и милый искусственный пруд в саду - вопрос немаловажный. Это вмешательство в экосистему пусть небольшого, но кусочка природы. Поэтому-то строительством больших и малых гидротехнических сооружений должны заниматься высококвалифицированные специалисты.

Проект водоема и других гидротехнических сооружений 

Именно все. Даже незначительный пруд пять на пять метров. Более того, прежде чем проектировщик приступит к разработке самого проекта, требуется ряд подготовительных работ. И первое - строительство гидротехнического сооружения следует проектировать исходя из требований комплексного использования водных ресурсов. Необходимо учесть (провести необходимые изыскания) всю «карту» водной местности: какие ручьи протекают рядом, как двигаются грунтовые воды, какие есть поблизости водоемы и т.д. Что касается подготовки проекта более сложного сооружения (его возведение каснется крупного жилого массива, например), то необходимо дополнительно учесть возможность  кооперирования объектов строительства на основе схем развития и размещения отраслей городского хозяйства и схем комплексного использования водотока или водоема.

Когда специалист начинает разрабатывать проект (все изыскания на местности уже проведены), в первую очередь он вместе с заказчиком выбирает тип сооружения, его параметры и компоновку. Ну а так как с водой шутки плохи, расчетные уровни воды следует выбирать на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов гидротехнической установки. Обязательно специалисты учитывают:

- места возведения сооружений, природных условий района (климатических, инженерно-геологических, гидрогеологических, геокриологических, сейсмических, топографических, гидрологических, биологических и др.);

- развития и размещения отраслей городского хозяйства, в том числе развития энергопотребления, изменения транспортной схемы и роста грузооборота, развития орошения и осушения, обводнения, водоснабжения, судостроения и судоремонта, комплексного освоения участков морских побережий, включая разработку месторождений нефти и газа;

- водохозяйственного прогноза изменения гидрологического, в том числе ледового и термического, режима рек в верхнем и нижнем бьефах; заиления наносами и переформирования русла и берегов рек, водохранилищ и морей; затопления и подтопления территорий и инженерной защиты расположенных на них зданий и сооружений;

- изменения условий и задач судоходства, лесосплава, рыбного хозяйства, водоснабжения и работы мелиоративных систем;

- установленного режима природопользования (сельхозугодья, заповедники и т. п.);

- условий быта и отдыха населения (пляжи, курортно-санаторные зоны и т. п.);

- мероприятий, обеспечивающих требуемое качество воды;

- условий постоянной или временной эксплуатации сооружений;

- изменения термического режима и криогенного строения грунтов (особенно в районах распространения вечномерзлых грунтов);

- обеспечения эстетических и архитектурных требований к сооружениям, расположенным на берегах водотоков и водоемов.

Конечно, при проектировании малых гидротехнических сооружений, возможно неактуально выполнение всех требований, но каждый уважающий себя специалист просчитает ситуацию безаварийного функционирования будущего гидротехнического сооружения из расчета максимального учета всех возможных параметров, влияющих на безопасность и надежность своего детища.

При проектировании гидротехнических сооружений надлежит обеспечивать и предусматривать:

- надежность сооружений и требуемые условия их эксплуатации, а также условия для уменьшения неблагоприятного воздействия наносов, селей, льда, шуги и плавающих предметов;

- постоянные наблюдения за работой и состоянием сооружений и оборудования в периоды строительства и эксплуатации;

- надлежащее архитектурное оформление гидротехнических сооружений;

- охрану месторождений полезных ископаемых;

- пожарную безопасность и средства пожаротушения при строительстве и эксплуатации.

Особенности гидротехнического сооружения

Все гидротехнические сооружения по капитальности делятся на классы. В основном это касается промышленных объектов, однако пренебрегать требованиями не стоит и при строительстве малого гидротехнического сооружения. В зависимости от класса в проектах назначают степень надёжности, т. е. запасы их прочности и устойчивости, устанавливают расчётные максимальные расходы воды, качество стройматериалов и т.п. Кроме того, по классу капитальности гидротехнического сооружения определяется объём и состав изыскательских, проектных и исследовательских работ.

Каждое гидротехническое сооружение особенно по своим характеристикам. Вряд ли можно найти два абсолютно одинаковых объекта. Природа диктует свои особенности строительства каждого элемента водного сооружения.

Характерные особенности гидротехнического сооружения связаны с воздействием на него водного потока, льда, наносов и других факторов. Это воздействие может быть:

-  механическим (статические и гидродинамические нагрузки, суффозия грунтов и др.);

- физико-химическим (истирание поверхностей, коррозия металлов, выщелачивание бетона);

- биологическим (гниение деревянных конструкций, истачивание дерева живыми организмами и пр.).

Условия возведения некоторых «больших» гидротехнических сооружений осложняются необходимостью пропуска через сооружения в период их постройки (обычно в течение нескольких лет) так называемых строительных расходов реки - льда, сплавляемого леса, судов и пр.

Для качественного возведения гидротехнических сооружений необходима широкая механизация строительных работ. Используются преимущественно монолитные и сборно-монолитные конструкции, реже сборные и типовые, что обусловливается различными неповторяющимися сочетаниями природных условий - топографических, геологических, гидрологических и гидрогеологических. Влияние гидротехнических сооружений, особенно водоподпорных, распространяется на обширную территорию, в пределах которой происходит затопление отдельных земельных площадей, подъём уровня грунтовых вод, обрушение берегов и т.п. Поэтому строительство таких сооружений требует высокого качества работ и обеспечения большой надёжности конструкций, так как аварии гидротехнических сооружений вызывают тяжёлые последствия - человеческие жертвы и потери материальных ценностей. Например, аварии плотины Мальпассе во Франции и водохранилища Вайонт в Италии привели к человеческим жертвам, разрушению городов, мостов и промышленных сооружений.

Материалы для гидротехнических сооружений 

Использование при строительстве гидротехнических сооружений разных видов сложности и капитальности невозможно без использования современных материалов. Зачастую используют стальные шпунтовые сваи. Областью применения стальных шпунтовых свай является устройство шпунтового ограждения котлованов, траншей; при берегоукреплении; при строительстве мостов, путепроводов, эстакад; а также при возведении гидротехнических сооружений (причал, больверк, гидроузел, шлюзы и т.п.) и строительстве сооружений для складирования твердых и жидких промышленных отходов.

Шпунтовое ограждение - это сплошная шпунтовая стенка, образованная стальными сваями (шпунт типа «Ларсен», плоский шпунт, зетовый профиль, а также труба и двутавровые балки) методом вибропогружения, забивки или вдавливания. Шпунтовое ограждение служит водонепроницаемой преградой и удерживает грунт от обрушения при возведении конструкций. Ударный метод погружения шпунтовых свай применяется в различных грунтах, но существуют ограничения при работе в условиях плотной городской застройки. Вибропогружение шпунта осуществляется установками на базе экскаватора, что позволяет производить работы в стесненных условиях (так как не требуется одновременная работа нескольких единиц техники). При использовании данного вибропогружателя (благодаря боковому захвату сваи) можно поднять, переместить по строительной площадке, погрузить или извлечь металлическую сваю (шпунт). Использование более мощных навесных погружателей позволяет вести работы в сложных грунтах, а также при устройстве шпунтовой стены с плавсредств.

Немаловажное значение имеет и бетон. Бетон, который используют при строительстве гидросооружений, называют гидробетон. У него особые характеристики. Материалы специальной группы являются высокопрочными с фибронаполнителем. Они  применяются:

- для выполнения ремонтных работ в короткие сроки (набор прочности за 3-6 часов- 20 МПа);

- для достижения высокой ранней прочности бетонных конструкций (30-35 МПа в возрасте 1 суток);

- для возведения конструкций из бетонов высокой прочности (не менее М600).

Защитные покрытия и конструкции, выполненные из этого бетона, не нуждаются в дополнительной гидроизоляции. Высокая прочность на сжатие, и благодаря фибронаполнителю - на изгиб и растяжение, увеличенная  прочность на разрыв (до 25 процентов) и повышенная безусадочность позволяют уменьшить толщину конструкций с сохранением их прочности.

В зимних условиях современными специалистами освоена технология подводного бетонирования с применением безусадочных быстротвердеющих бетонов с высокой степенью адгезии. Безусловными преимуществами данных типов бетона (например, сухих бетонных смесей наливного типа ЭМАКО) являются:

- высокая ранняя прочность;

- высокая адгезия к бетону и металлоконструкциям;

- устойчивость к сульфатам;

- отсутствие усадок.

Бетонирование производится после тщательной кавитационной очистки и удаления ослабленного бетона и ржавчины.

Более того, для проведения работ в зимнее время появилось и еще одно новшество - воздуходувное устройство для прогрева бетонных откосных креплений. Это очень актуально для гидротехнического строительства. Воздуходувное устройство для прогрева бетонных откосных креплений в зимнее время включает в себя обогреватели бетона и термоизоляцию. Обогреватели бетона состоят из системы перфорированных трубок, параллельно уложенных на бетонную смесь на откосе дамбы. Система перфорированных трубок присоединена общим каналом к воздушному котлу с вентилятором и сверху покрыта полиэтиленовой пленкой. Размер отверстий перфорированных трубок и расстояния между ними по мере отдаления от места входа пара к концу могут увеличиваться для обеспечения равномерности прогрева откосного крепления по всей площади. В воздушный котел встроен винт для обеспечения винтообразного движения воздушного потока. Горячий воздух, подающийся в систему прогрева, вырабатывается в котле в результате кипячения воды источником тепла. Обеспечивается равномерность нагревания бетона по всей площади, экономя энергоносители, и создается благоприятный температурно-влажностный режим для твердения бетона.

Устройство гидротехнических сооружений

Можно, конечно, домашний водоем вырыть и дружной компанией в десять лопат. Залить его водой, траву посадить, камнями обложить. Понятно, что такая гидроконструкция продержится недолго (если продержится). В любом деле важна технология. Ее точное соблюдение и гарантирует нам положительный результат и работу сооружения практически на века.

Первое преимущество профессионального подхода: использование современных материалов и технологий, применение которых дает экономичность в разы по сравнению с традиционными. Второе - строгое техническое сопровождение строительства со стороны профессионалов. Третье - это позволяют себе, к сожалению, не все. Использование в работе инновационных подходов. Уважающая себя фирма, специализирующаяся на гидротехническом строительстве, пройдет (и проведет) не один семинар, освоит не одну технологию, проведет ряд экспериментов (не на клиентах, конечно) в ходе внедрения инновационных технологий. Как правило, на это уходят годы. Но результат того стоит.

Одна из последних разработок при работе с грунтом, укреплении и эстетическом оформлении береговой линии - использование «системы террамеш». Что это? «Система террамеш» - система армирования грунта, состоящая из лицевой грани и армопанелей из сетки двойного кручения, укладываемых в тело отсыпаемой насыпи. Имеет лицевую грань из габионов, заполненных камнем. Значительно улучшает механические свойства грунта обратной засыпки и изготавливаются только с дополнительным покрытием ПВХ. Заполнение камнем габионов, составляющих «системы террамеш», улучшает физические свойства грунта в месте установки модулей. Благодаря пористой структуре лицевой грани достигается высокая проницаемость сооружений для воды и воздуха, создаются идеальные условия для появления на них растительности.