Гидротехнические сооружения: виды, классификация, правила эксплуатации, требования безопасности

Использование водных ресурсов всегда было одним из базовых условий поддержания жизнедеятельности человека. Потребность в них обуславливается не только питьевыми нуждами, но и хозяйственными, а в наши дни все чаще и промышленными задачами. Регуляция использования источников воды обеспечивается гидротехническими сооружениями, которые имеют разные формы и функциональное наполнение.

Общие сведения о гидротехнике

В общем смысле гидротехнический объект можно представить как любое функциональное сооружение или конструкцию, которая так или иначе взаимодействует с водой. Это могут быть не только рукотворные инженерные системы, но и естественные регуляторы, изначально созданные природой, но в дальнейшем эксплуатируемые людьми. Какие же задачи выполняют современные объекты гидротехнических сооружений? Основные из них можно представить так:

• Сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов. Как правило, это объекты с водоснабжающими коммуникациями и оборудованием.
• Водоохранные сооружения. Комплексы, в инфраструктуре которых может выполняться несколько задач. Наиболее распространены для подобных объектов ограничения по использованию и влиянию на гидрологическую среду с целью предотвращения вредного воздействия на нее.
• Промышленные сооружения. Инженерные системы, в которых циркуляция воды может использоваться как источник энергии.

Разумеется, это лишь часть функций, которые выполняет гидротехника. Редко бывает, когда на подобные сооружения возлагается одна или две задачи. Обычно крупные комплексы поддерживают сразу несколько рабочих процессов, среди которых природоохранные, защитные, регулирующие и т. д.

Основные и второстепенные сооружения гидротехники

Для начала стоит определить базовую классификацию, в которой существуют постоянные виды гидротехнических сооружений, и временные. Согласно нормативам, к первой группе относятся основные и второстепенные объекты. Что касается основных сооружений, то под ними понимается техническая инфраструктура, разрушение или повреждение которой может привести к прекращению нормального функционирования обслуживаемого с помощью гидроресурсов хозяйства. Это может быть остановка водоснабжения системы орошения, прекращение работы электростанций, сокращение судоходства и т. д. Важно учитывать, что энергия гидрологических турбин может обслуживать целые предприятия (морские, судоремонтные, отопительные). Соответственно, остановка подачи воды нарушит работоспособность подобных объектов.

К категории второстепенных сооружений относят гидротехнику, разрушение или повреждение которой не повлечет вышеперечисленных последствий. Например, если основные гидротехнические сооружения снабжают предприятия производственными ресурсами, то второстепенные могут участвовать в регуляции этого процесса, не оказывая значительного влияния на результат.

Также стоит упомянуть особенности временных сооружений, которые используются в периоды проведения ремонтных мероприятий. Если на том же основном водоснабжающем объекте произошла разгерметизация, к примеру, то обслуживающая бригада с проектировщиком должна будет создать технические условия для устранения проблемы. Решением этой задачи может стать организация работы временного гидроузла.

Классификация по способу взаимодействия с ресурсом

Одну и ту же задачу можно выполнять разными способами. Как уже отмечалось, один комплекс способен поддерживать несколько функциональных процессов, но принципиально различают именно условия взаимодействия с водоемом или водостоком и, соответственно, характер выполнения той или иной функции. По этим признакам выделяют следующие сооружения:

• Водоподпорные. Предназначены для перегораживания водотока, ограждения водохранилища или пруда за счет принятия напора воды. При оценке водотока отмечают уровень выше водонодпорной станции (верхний бьеф), и ниже – нижний бьеф. Разницу между этими уровнями называют напором на гидрологическом сооружении.
• Многофункциональные мелиоративные станции. Это могут быть водовыпуски, шлюзы, дамбы и водоотделители. Внутри данной группы также предусматривается классификация гидротехнических сооружений, в соответствии с которой различают сопрягающие и преграждающие комплексы.
• Водопроводящие. Обычно сетевая инфраструктура, формируемая каналами, туннелями, трубопроводами, лотками для проведения воды. Задача у них простая – доставка ресурса от точки сбора к накопителю или конечному месту использования воды.
• Водозаборные. Собирают ресурс из тех же накопителей для транспортировки к потребителям.
• Водосбросные. В отличие от заборных сооружений такие станции лишь убирают излишки воды. К этим объектам относятся глубинные водосбросы, сливные каналы, водоспуски и пр.
• Регуляционные. Контролируют взаимодействие потока с руслом, не допуская выход воды за пределы ограждения, размывы и отложения.

Опасные гидротехнические объекты

К данной группе сооружений могут относиться представители всех гидротехнических объектов независимо от назначения. Опасной станция может быть по причине высокого риска аварии, бесхозного состояния, нахождения в зоне риска из-за влияния сторонних факторов и т. д. Перечни с опасными объектами формируются специалистами МЧС и сотрудниками Росприроднадзора. По каждому региону производится комплексная ревизия с выявлением создающих угрозу объектов. Опасными гидротехнические сооружения признаются после выполнения следующих процедур:

• Идентифицируются и уточняются морфометрические характеристики объекта.
• Определяется техническое состояние сооружения и степень его безопасности.
• Определяется потенциальный размер вреда, который может иметь место в случае развития аварии (например, после разрушения тела плотины).
• Производится зонирование местности вокруг объекта с площадью, которая будет зависеть от степени риска и угрозы от конкретного сооружения.

После признания объекта опасным организуется его наблюдение, а также составляется график проведения обслуживающих, технико-ремонтных и восстановительных работ, направленных на устранение или минимизацию угрозы.

Общие и специальные гидротехнические объекты

Под общими сооружениями понимается большинство объектов гидротехники, относящейся к регуляционным, водопроводящим, водозаборным и водосбросным станциям. Их объединяет единый принцип выполнения своих функций, который технологически можно накладывать на разные условия эксплуатации.

В свою очередь, специальные объекты гидротехники рассчитываются на использование в узких областях, где необходимо учитывать специфику применения оборудования. Это касается проектировочных нюансов, требований к строительству, а также непосредственной эксплуатации гидротехнических сооружений. Примеры такого рода объектов хорошо демонстрирует инфраструктура водного транспорта:

• Судоходные шлюзы.
• Сооружения для обслуживания морской техники.
• Плотоходы и причалы.
• Лесоспуски.
• Судоподъемники.
• Эллинги.
• Доки.
• Волноломы и пр.

В рыбном хозяйстве применяются рыбоводные пруды, рыбоподъемники и рыбоходы. В социально-развлекательной инфраструктуре это могут быть аквапарки с бассейнами и аквариумами. В каждом случае и обслуживающие мероприятия будут иметь свою специфику, которая учитывается еще на этапе разработки проекта. Впрочем, техническое задание для строительства гидротехники стоит рассмотреть отдельно.

Проектирование гидротехнических объектов

В состав проектной документации входят технические расчеты конструкций, характеристики применяемого оборудования, а также результаты натурных наблюдений за условиями эксплуатации будущего сооружения для своевременного выявления неблагоприятных процессов и появления возможных дефектов. Должна всесторонне и комплексно оцениваться окружающая обстановка, чтобы изначально предусмотреть и, возможно, предотвратить угрозы аварий.

В частности, проект для гидротехнического сооружения включает следующие данные:

• Список диагностических и управляемых показателей объекта и его основы, в том числе критерии безопасности.
• Список управляемых воздействий и нагрузок на конструкции со стороны окружающей среды.
• Состав визуальных и инструментальных наблюдений.
• Результаты и условия работы контрольно-измерительной аппаратуры.
• Технико-конструкционные решения и структурную схему состояния элементов объекта, а также сведения с прогнозированием поведения сооружения при взаимодействии с техногенными и природными факторами.

Отдельное внимание уделяется именно критериям безопасности, исходя из которых также принимаются решения об использовании оборудования с определенными характеристиками. Кроме того, основные виды гидротехнических сооружений для постоянной эксплуатации дополняются проектами аварийных действий. В этой документации, в частности, описываются мероприятиям, направленные на предотвращения чрезвычайных ситуаций.

Требования к обеспечению безопасности

С момента проектной разработки и на протяжении всего периода эксплуатации безопасность гидротехнического объекта обеспечивается на основе требований соответствующей декларации. Это основной документ, в котором указываются риски, угрозы и эксплуатационные нюансы, которые должны учитываться обслуживающим персоналом. К основным требованиям безопасности гидротехнических сооружений можно отнести следующие:

• Поддержание допустимой степени рисков аварий.
• Регулярная диагностика конструкций и оборудования с последующими корректировками в декларации безопасности.
• Обеспечение непрерывности эксплуатации объекта.
• Поддержание мер по организации средств защиты и технического контроля сооружений.
• Мониторинг потенциально возможных угроз для объекта.

Строительство гидротехнических сооружений

В первую очередь определяются средства производства строительных работ. Принципиальным является вопрос о степени механизации процесса, так как в большинстве случаев реализация проектов гидротехнических станций происходит при поддержке спецтехники. На первых же этапах строительства выполняются земляные работы с бульдозерами, самосвалами, погрузчиками и экскаваторами, которые позволяют быстро обустроить траншеи, ямы, скважины и просто расчистить рабочую площадку.

В некоторых случаях производится уплотнение грунта. Например, при создании водоемов с грунтовой чашей. Подобные операции выполняются послойно на расчищенном грунте с помощью специальных катков. На небольших площадках могут использоваться дизельные или бензиновые трамбовщики. Впрочем, специалисты все же рекомендуют отказываться от ручного инструмента в пользу механики. Рекомендация связана даже не столько с ускорением темпов рабочего процесса, сколько с качеством результата. И особенно это касается строительства гидротехнических сооружений на основном этапе возведения конструкции. Бетонные работы требуют выполнения качественного армирования с обвязкой, применением инструктивных материалов и добавлением водостойких пластификаторов.

На заключительном этапе производится инженерное обустройство сооружения. Устанавливаются функциональные агрегаты, технические приспособления и прокладываются коммуникации. Если речь идет об автономной станции, то задействуются энергонезависимые генераторы, для которых также потребуются соответствующие условия содержания в инфраструктуре комплекса.

Эксплуатация гидротехники

Основная деятельность обслуживающего персонала связана с поддержанием оптимального уровня технического состояния сооружения, а также с контролем его основных функций. Что касается первой эксплуатационной части, то она сводится к задачам обновления расходных материалов, диагностикой оборудования, коммуникаций и т. д. В частности, операторы проверяют техническое состояние энергоснабжающих сетей, агрегатов и целостность материалов конструкций. На случай выявления серьезных неполадок или повреждений правила эксплуатации гидротехнических сооружений требуют составления отдельного проекта по ремонтно-восстановительным мероприятиям с учетом имеющихся материальных резервов.

Вторая же часть эксплуатационных задач ориентируется на управляющие функции. Используя автоматику, средства связи и телемеханики уже другая команда операторов регулирует работу сооружения и его функциональных блоков, опираясь и на контрольные операции по нормативным параметрам с допустимыми нагрузками.

Реконструкция гидротехнических сооружений

Процессы устаревания конструкций и повышение требований к функциональному и силовому потенциалу объекта неизбежно приводят к необходимости модернизации. Как правило, основные рабочие модули и агрегаты подвергаются реконструкции без прекращения их работы. Впрочем, это будет зависеть от характера планируемых изменений. В каждом случае проводится обследование гидротехнических сооружений на предмет возможностей для реконструкции. Конечными целями может выступать повышение надежности основания объекта, увеличение пропускной способности, наращивание мощностей насосного оборудования и т. д. После этого реализуются конкретные операции, связанные с изменениями технико-эксплуатационных свойств сооружения. Достигаются поставленные задачи путем укрепления грунтов, замены стройматериалов и добавления новых конструкционных элементов.

Гидротехника и охрана окружающей среды

Еще на этапе проектирования вместе с декларацией безопасности составляется отчет о мероприятиях, которые в процессе эксплуатации должны будут привести к улучшению окружающей экологической обстановки. Изначально оценивается ситуация в условиях естественной природной среды, а в дальнейшем разработчики делают комплексную поправку на поддержание защиты природных объектов уже после реализации проекта. В частности, разрабатываются биотехнические мероприятия, направленные на защиту населения от аварий на гидротехнических сооружениях и создание условий по нейтрализации отрицательных эксплуатационных факторов.

Особое внимание уделяется влиянию строительных конструкций и оборудования на гидрологические ресурсы. Например, в водохранилищах подготавливаются специальные ложа для хранения или отведения жидких отходов. На каждом объекте также содержатся технические средства по ликвидации источников химических опасных или просто грязных веществ. Для постоянного мониторинга экологического фона инфраструктура гидротехнических сооружений дополняется измерительными приборами, которые фиксируют биологические и химические показатели водной и воздушной сред. К основным характеристикам такого рода можно отнести цветность, насыщенность кислородом, концентрацию определенных элементов, санитарные показатели и т. д.

Заключение

Высокая ответственность объектов гидрологического назначения обуславливается широтой сфер их применения и значимостью задач, которые они решают. Как правило, гидротехнические сооружения выступают лишь в качестве звена в рабочей цепочке крупных производственных и хозяйственных циклов. Но конечные цели, которые достигаются при поддержке таких объектов, могут быть крайне важными. Например, энергетика, мелиорация, транспорт, водоснабжение – лишь часть направлений, в которых задействуются водные ресурсы.