Особенности гидрологического режима нижних бьефов

Современные крупные гидроузлы улучшают судоходные условия водных путей. В результате образования водохранилищ значительно увеличился навигационный расход воды в нижнем бьефе ряда рек. Это повысило судоходные глубины на реках. Например, на Дону уве­личение расхода воды со 160 до 580 м/с позволило значительно увели­чить гарантированные глубины ниже Цимлянского гидроузла.

Регулирование стока при помощи водохранилищ небольшой емкости не везде дает хорошие результаты. Например, ниже Новосибирской ГЭС значительного улучшения условий судоходства не наблюдается.

В ряде случаев неравномерность попусков воды через турбины ГЭС приводит к большому колебанию уровней, что иногда затрудняет судоходство.

Каждый нижний бьеф по режиму уровней и условиям судоходства можно разделить на два участка. Первый участок характеризуется резко выраженными колебаниями уровня воды (с амплитудой 1—3 м), вызванными неравномерной работой ГЭС. При этом наиболее силь­ные колебания бывают вблизи ГЭС. По мере удаления от гидроузла ам­плитуда колебаний уменьшается и к началу второго участка состав­ляет 15—20 см. Второй участок имеет относительно небольшие коле­бания уровней воды.

В табл. 14 приведены сведения о колебаниях уровня воды в ниж­них бьефах некоторых гидроэлектростанций СССР в навигационный период.

При работе ГЭС большое влияние на судоходство оказывает не­дельное и суточное регулирование стока. Волна, возникшая у ГЭС в воскресенье или утром в понедельник, смещается вниз по реке, и ее можно наблюдать во вторник и даже в среду. Например, ниже Ново­сибирской ГЭС у выхода шлюзового канала понижение уровня со­ставляет 75 см, на расстоянии 22 км от плотины (г. Новосибирск) — 55 см, 110 км — 40 см, 200 км — 30 см.

Уменьшение попуска воды в выходные и праздничные дни может затруднять движение судов с полной осадкой.

Суточное регулирование стока вызывает резкие колебания уровней воды, достигающие 1—2 м. По мере удаления от гидроузла волна по­пуска, распространяясь вниз по течению, постепенно распластывает­ся, поэтому амплитуда суточных колебаний уровня воды постепенно сокращается. Высота волны уменьшается из-за неодинаковых скоростей перемещения ее гребня и склонов. Гребень волны попуска перемещает­ся быстрее, чем подошва, в связи с чем уклон лобового склона увеличи­вается, а тылового — уменьшается. Передний склон волны, имея боль­шой уклон, перемещается быстрее тылового, поэтому волна растяги­вается и распластывается.

Волна попуска распространяется в нижнем бьефе с определенной скоростью. Для практических целей время повышения уровня воды к определенном пункте, лежащем ниже гидроузла, можно определить

Таблица 14

Гидроэлектростанции	Суммарный расход воды через тур­бины, м/с	Амплитуда колебаний уровня воды в нижнем бьефе в навигационный период, м
Наивысшая возможная	Обычно наблюдаемая
Цимлянская Днепропетровская им. В. И. Ленина Рыбинская Горьковская Новосибирская Пермская Боткинская Волжская им. В. И. Ленина Волжская им. XXII съезда КПСС		2,7l 2,2 5,0 3,3. 3,0 4,0 6,0 5,0 5,0	1.0 1,0 2,5 1,2 0,1—1,0 2,0 3.0—4.0 1,5—2,0 2,2—2,5

 

путем расчета скорости, м/с, перемещения волны попуска по прибли­женной формуле Л. С. Кускова

где Нср — судоходная глубина, м.

Для определения в судовых условиях времени повышенных и пониженных уровней иногда создаются графики. По графикам судово­дитель может определить для всех перекатов время минимального и максимального уровня, амплитуду изменения уровня, а также его спада и подъема. Такие графики приводятся на некоторых навигационных картах, помещаются в лоциях и пособиях для судоводителей.

Регулирование стока меняет гидрологический режим нижнего бье­фа. В водохранилище в связи с выпадением наносов происходит осветление воды. Осветленная вода, поступая в большом количестве и со значительной скоростью в нижний бьеф, размывает дно и берега, насыщаясь при этом наносами до обычного своего состояния.

Уклоны поверхности воды на верхних по течению участках намно­го превышают уклоны на участках, удаленных от плотины. На верх­нем участке, где изменение уклона велико, русло усиленно перераба­тывается.

Переформирование русла и перекатов особенно активно происхо­дит на участках, где сказывается суточное регулирование стока. Коле­бания уровня воды влияют и на состояние перекатов нижнего бьефа. При подъемах уровней происходит их намыв, при спадах — размыв. Колебания уровня уменьшают устойчивость землечерпательных про­резей, поэтому такие участки требуют повторения дноуглубительных работ.

Регулирование стока благоприятно сказывается на удаленных от гидроузла участках нижнего бьефа: сток распределяется равномернее в течение длительного периода.

СУДОХОДНЫЕ КАНАЛЫ

Канал — это искусственный открытый водовод в земляной вы­емке или насыпи. По назначению каналы делятся на соединительные, обходные и подходные.

Рис. 37. Аварийные ворота на каналах

Соединительные каналы служат для соединения водным путем рек разных бассейнов, а также для соединения рек, озер и морей (например, канал имени Москвы, Волго-Донской имени В. И. Ленина, Беломорско-Балтийский и др.).

Обходные каналы предназначены для обхода судами озер, на которых бывают сильные штормы, а также центральных ча­стей больших городов и т. п.(к таким каналам относятся Приладожские, Прионежские и др.).

Подходные каналы — это искусственное углубление во­доема или водотока по судовому ходу, имеющее знаки навигационной обстановки. Подходные каналы служат в основном для подхода судов с основного водного пути к портам, населенным пунктам и промышленным предприятиям, находящимся в сто­роне от реки (например, каналы в Архангельске, Ленинграде, Сеймовский на р. Оке и т. д.).

По способу питания каналы бывают самотечные и с искусственным питанием.

В самотечные каналы вода поступает непосредственно из реки или, озера и сама распространяется по всему каналу. Такие каналы наиболее просты и дешевы в эксплуатации.

У каналов с искусственным питанием воду из источника при помощи насосов накачивают в водораздельный бьеф, откуда она стекает самотеком. Например, на Волго-Донском канале имени В. И. Ленина построены три насосные станции, имеющие по три мощ­ных насоса, каждый из которых за 1 с перекачивает 15 м³ воды.

К гидротехническим сооружениям, необходимым для эксплуата­ции канала, в основном относятся судоходные шлюзы, аварийные во­рота, аварийные водосбросы и водоспуски.

Шлюзы на каналах служат для пропуска судов из одного бьефа в другой.

Аварийные ворота служат для выключения отдельных участков канала в случае аварии или для ремонта. Аварийные ворота (рис. 37) состоят из следующих основных частей: устоев 1, ворот 2, понура 6, флютбета 5, водобойной части 3 с гасителями энергии 4. Ворота делают в виде поворотных ферм или в виде откатных затворов, состоящих из двух полотнищ.

Аварийные водосбросы предназначены для сброса воды из канала в случае его переполнения. Они представляют собой обычно боковой водослив в дамбе канала. Отметка водослива должна быть не ниже форсированного уровня.

Водоспуски служат для опорожнения каналов; это трубы, закладываемые в дамбы ниже уровня воды.

Основные формы поперечных сечений судоходных каналов — ложбинообразная, прямоугольная, трапецеидальная и полигональная.

Если по каналу должно проходить немного судов и они пойдут в ос­новном по его оси, используя наибольшие глубины, — применяют ложбинообразную форму канала (рис. 38, в). При интен­сивном движении, когда суда, то и дело встречаются, обгоняют друг друга и большую часть движутся над откосами, ложбинообразная форма неудобна, — она увеличивает для судна опасность удариться об откос.

В этом отношении лучшей является прямоугольная (рис. 38, б), а затем трапецеидальная (рис. 38, е) форма се­чения канала. Первая встречается редко, так как строительство вертикальных стенок очень сложно и обходится дорого. При трапе­цеидальной форме наблюдается особенно сильное оплывание откосов.

На современных судоходных каналах принята преимущественно полигональная (рис. 38, г) форма поперечного сечения. Дно

Рис. 38. Виды поперечного сечения каналов

Рис. 39. Виды каналов в зависимо­сти от положения относительно поверхности земли:

1 — берма; 2 — кювет; 3 — противофильтрационный слой

в таких каналах горизонтально, а откосы имеют различную крутизну, зависящую от рода грунта. При этом верхняя часть более крутая, нижняя — более пологая.

В зависимости от положения относительно поверхности земли Канал может быть в выемке (рис. 39, а), в полувыемке и в полунасыпи (рис. 39, б) и в насыпи (рис. 39, б). В насыпь обычно закладывают противофильтрационный слой глины.

Крепление откосов каналов необходимо для за­щиты от разрушения под воздействием судовых волн, течения воды, льда, ударов судов и др. Наиболее часто применяют крепления отко­сов в виде мостовой или каменной наброски на слое щебня или гравия. В последнее время широко применяется крепление откосов железобе­тонными и бетонными плитами, а также шпунтом.

Для судоходства большое значение имеет величина профильного коэффициента п, равного отношению живого сечения канала и к пло­щади погруженной части миделя судна % при полной осадке:

Чем больше п, тем меньше сопротивление воды движению судна. Для больших современных каналов величина п = 4 — 5,5.

Закругления каналов делают с возможно большим радиусом, кото­рый должен быть более 5—6 длин наибольшего судна. В особых случаях радиус закругления может быть снижен до трех длин судна (но не ме­нее), при этом канал расширяют.

Судовые волны, набегая на откосы канала, разрушают их. Волна оказывает на обоих сильное динамическое воздействие. Часть воды стекает с откоса обратно в канал, а часть проникает внутрь откоса, при­чем, просачиваясь вниз, размывает основание откоса. Высота волны за­висит от размеров судна и скорости его движения и достигает 1,3 м. Приближение судов к берегу приводит к увеличению высоты набегания волны на откос. Поэтому суда по возможности должны двигаться по оси канала,

Большое влияние на откосы и дно канала оказывает струя потока воды, отбрасываемая движителями, особенно, когда судно идет вбли­зи откоса в повороте канала или с дрейфом при ветре. Деформация от­косов происходит также за счет возникающего течения при стесне­нии живого сечения канала корпусом судна.

Вследствие перечисленных причин каменная отмостка откоса ру­шится и сползает, уменьшаются судоходные глубины.

Скорость движения судов на каналах ограничена и не превышает 12—15 км/ч.

Сбрасывание мусора и шлака в канал запрещается. Отдача якорей возможна лишь в отведенных местах, пользование лотами и цепями-волокушами не разрешается.

Плавание по каналу усложняется малыми габаритами судового хо­да, наличием аварийных и заградительных ворот, паромных переправ, шлюзов и других сооружений. Кроме того, во время работы насос­ных станций возникают течения, которые могут вызвать рыскли­вость судна.

Морские судоходные каналы представляют собой искусственный путь для соединения двух морских бассейнов или для подхода судов к портам. Они могут быть открытые и шлюзованные.

Открытые каналы наиболее распространены, к ним относятся все подходные каналы, проходящие по суше, протокам морского устья или морю и являющиеся надводными или представляющие собой под­водную искусственную прорезь.

Открытые каналы могут быть без ограждения или ограждены парными или одиночными дамбами. Огражденные каналы меньше подвергаются действию волн и менее заносятся наносами.

Морскими подходными каналами являются Архангельский (рукав дельты,) Днепро-Бугский (бар), Херсонский (лиман, рукав и река), Волго-Каспийский (рукав дельты), Ленинградский, Ждановский, Ка­лининградский (морской залив) и т. д. Общая протяженность морских подходных каналов в СССР превышает 1000 км.