Общие положения. 
Характеристика и виды гидротехнических сооружений

Отрасль науки и техники, которая с помощью разработки специальных комплексов сооружений, оборудования и устройств занимается использованием водных ресурсов и ведет борьбу с их вредным действием, называется гидротехникой.

В гидротехнике определились следующие основные отрасли ее применения:

использование водной энергии, при котором энергия движущейся (падающей) воды преобразуется в механическую, а затем в электрическую;

мелиорация (улучшение) земель путем орошения (ирригации) засушливых районов и осушения заболоченных, а также путем защиты от вредного действия вод (затопления, подтопления, эрозии и т. п.);

водный транспорт — улучшение судоходных условий рек и озер, строительство портов, шлюзов, каналов и т. п.;

водоснабжение и канализация населенных мест и промышленных предприятий.

Все перечисленные отрасли гидротехники не являются обособленными, а тесно связаны между собой и переплетаются при комплексном решении проблем водного хозяйства.

По своему назначению гидротехнические сооружения подразделяются на общие и специальные. К первым, используемым во всех отраслях гидротехнического строительства, относятся: водоподъемные сооружения, создающие напор и поддерживающие его, — плотины, дамбы и т. п.; водопропускные, служащие для полезного водозабора или сброса излишних вод; водопроводящие — каналы, лотки, трубопроводы и тоннели; регуляционные — для регулирования русел, защиты берегов от подмыва и т. п.; сопрягающие, служащие для сопряжения бьефов и различных гидротехнических сооружений, — перепады, быстотоки, устои, раздельные быки; льдои шугосбросные и наносоудаляющие. К специальным гидротехническим сооружениям, применяемым только в определенных условиях, относятся: гидроэнергетические — машинные здания ГЭС, деривационные сооружения; воднотранспортные — шлюзы, каналы, портовые сооружения; гидромелиоративные — водозаборы, водоводы, очистные сооружения.

Гидротехнические сооружения возводят обычно в виде комплекса сооружений, включающих водоподъемные, водопропускные, водосборные, транспортные, энергетические и др. Такой комплекс сооружений называют гидроузлом. В зависимости от назначения могут быть энергетические, ирригационные или судоходные (транспортные) гидроузлы. Однако в большинстве случаев строят комплексные гидроузлы, решающие одновременно несколько водохозяйственных задач.

Гидротехническое строительство создает интенсивное инженерное воздействие на природные условия, меняя на участке водохранилища положение базиса эрозии окружающей территории, вызывая изменение условий питания и движения подземных вод, активизируя склоновые процессы (оползни), меняя микроклимат района и т. д. Кроме того, создание водохранилищ с большим запасом вод может вызвать при аварии катастрофические затопления долины реки ниже сооружения. Все это требует особенно тщательного изучения территории размещения гидроузлов.

В процессе проектирования, исходя из назначения сооружений и конкретных природных условий, производится выбор наиболее рационального створа расположения основных сооружений гидроузла, его компоновки, выбор типа и параметров водонапорных сооружений, глубины врезки и опирания на породы основания, сопряжения с массивом пород в примыканиях к бортам долины, а также схемы производства строительных работ.

История плотин показывает, что те из них разрушение которых вызвало ужасные катастрофы, обрушились в 2/3 случаях не благодаря допущенным ошибкам в расчетах или в выборе материала, а из-за недостатков оснований — на плохих грунтах, часто водонасыщенных, что являлось следствием недостаточной осведомленности о геологических и гидрогеологических условиях грунтов основания. Пример этому катастрофа на водохранилище Вайонт в Италии.

В 1959 г. на VI конгрессе по большим плотинам, итальянские гидротехники Л. Семенца, Н. Биадене, М Панчини докладывали о самой высокой в мире арочной плотине на р. Вайонт, высотой 265,5 м (70 км севернее Венеции). В докладе очень подробно освещались конструктивные особенности плотины. Для сброса паводковых вод на гребне плотины предусматривался водослив с 10 отверстиями, каждый по 6,6 м, два туннельных и один донный водоспуски. Для укрепления основания плотины предусмотрена площадная цементация скалы, с объемом буровых работ 37 000 м³. Для предотвращения фильтрации под плотиной и в берегах была устроена цементационная завеса с объемом буровых работ 50 000 м³. Расчет плотины проводился 4 аналитическими методами (независимых арок, пробных нагрузок и др.). Кроме того конструкция плотины была подвергнута изучению на двух моделях в институте в г. Бергамо (в масштабе 1:35). Модельные испытания позволили облегчить плотину за счет некоторого сокращения ее толщины. Про геологические условия было лишь сказано, что долина Вайонт сложена известняками и доломитами, характерными для восточных Альп, что пласты падают вверх по течению реки и это благоприятно для опирания плотины (рис. 1).

Постройка плотины была закончена в 1960 г., а 9 октября 1963 г. произошла одна из самых ужасных катастроф в истории гидротехнического строительства, в результате которой погибло более 2600 человек. Причиной послужил оползень, обрушившийся в водохранилище. Высочайшая в мире тонкая арочная плотина уцелела, все расчеты проектировщиков оказались правильными. Как показал анализ материалов после катастрофы: геологи не учли того, что слои известняков образуют синклинальную складку, ось которой совпадает с направлением долины. При этом северное крыло рассечено разломом. В 1960 г. на левом берегу вблизи плотины образовался оползень объемом 1 млн. м3.

В 1960;1961 гг. был пробит 2-километровый тоннель катастрофического водосброса, если оползни возобновятся. Для наблюдения за развитием оползневых процессов была заложена сеть геодезических реперов, но как оказалось репера не подсекли главную поверхность скольжения. С 1961;1963 гг. наблюдался непрерывный гравитационный крип. Поздно вечером 9 октября 1963 г. 240 млн. м3 грунта сместилось в водохранилище за 30 секунд, со скоростью 15−30 м/с. Огромная волна высотой 270 м за 10 секунд пересекла 2-километровой резервуар водохранилища, перехлестнула через плотину и, сметая все на своем пути, обрушилась на долину. Сейсмические сотрясения были зарегистрированы в Вене и Брюсселе.

Рис. 1. Геологический разрез долины р. Вайонт (Италия): 1 — верхний мел; 2 — нижний мел; 3 — мальм; 4 — доггер; 5 — лейас. Цифры в кружках: 1- главная поверхность скольжения; 2 — оползший блок; 3 — разлом; 4 — дно ледниковой долины; 5 — направление древних трещин; 6 — направление молодых трещин; 7 — водохранилище