Группа сооружений, объединенных общим местом расположения на водном пути, решением водохозяйственных целей и условиями совместной работы, называют узлом гидротехнических сооружений или гидроузлом.
По назначению гидроузлы можно разделить на комплексные, предназначенные для решения нескольких водохозяйственных задач, например, транспортно-энергетические гидроузлы, и специальные, предназначенные для решения конкретной водохозяйственной цели – гидроэнергетические, воднотранспортные, водозаборные, ирригационные и т.п..
В состав гидроузла комплексного назначения могут входить следующие сооружения:
- бетонная (глухая или водосливная) плотина, представляющая собой подпорную стенку, предназначенную для создания подпора воды и поддержания уровня верхнего бьефа на определенной отметке, а также для пропуска паводковых вод из верхнего бьефа в нижний;
- земляные плотины и дамбы – напорное или безнапорное сооружения, служащие для сопряжений бетонных сооружений гидроузла между собой и с берегами русла или поймы реки;
- судопропускные сооружения (шлюзы или судоподъемники), предназначенные для преодоления судами сосредоточенных падений уровней воды при переходе из одного бьефа в другой;
- гидроэлектростанция (ГЭС), использующая энергию речного потока для выработки электроэнергии;
- другие гидротехнические сооружения целевого водохозяйственного назначения: для пропуска через гидроузлы ценных пород рыб, древесины в пучках или плотах, для забора воды на различные хозяйственные нужды, для подъема, сброса и полезных попусков воды из водохранилищ.
На гидроэлектростанции энергия воды при помощи турбины и генератора, расположенных на одном валу (см. рис. 10.3), преобразуется в электрический ток. Подача воды к турбине осуществляется по водоводу, охватывающему по окружности рабочее колесо, называемому спиральной камерой, а отвод в нижний бьеф – по отсасывающей трубе. Спиральная камера и отсасывающая труба со стороны бьефов перекрываются затворами.
В конструктивном отношении устройство гидроэлектростанции определяется, в основном, величиной используемого напора, типом турбины, топографическими, гидрогеологическими и экологическими условиями. Наиболее широкое применение на равнинных реках получили плотинные ГЭС, которые поддерживают напор до 30 м и пропускают воду через турбины непосредственно из водохранилищ.
Основным типом ГЭС на горных реках с напорами от 30 до 450 метров являются приплотинные станции, возводимые на скальных основаниях. Они являются безнапорными сооружениями, их располагают у плотины со стороны нижних бьефов гидроузлов, в этом случае для подвода воды к турбинам используют напорные водоводы, устроенные в теле плотины.
Приплотинные ГЭС используют значительную часть потенциальной энергии потока и отличаются от плотинных станций еще и несколько большей выработкой электроэнергии. Иногда на горных реках с небольшими расходами воды целесообразно возводить станции с безнапорной и напорной деривацией, позволяющие увеличивать выработку электроэнергии. В прибрежных зонах морей и океанов, где возможно использование энергии приливов и отливов, целесообразно устраивать приливные электростанции (ПЭС).
Для пропуска через гидроузлы проходных, полупоходных а иногда, и жилых рыб, предусматривается возведение специальных рыбопропускных сооружений. Рыбохозяйственная и экономическая необходимость строительства рыбопропускных сооружений на проектируемом гидроузле обосновывается проведением ихтиологических изысканий, в ходе которых устанавливают:
- видовой состав ценных промысловых рыб;
- условия размножения рыбы в проектируемом водохранилище;
- количество проходящих рыб каждого вида;
- возможное увеличение количества ценных промысловых рыб и экономический эффект от промыслового возврата при строительстве рыбопропускных сооружений.
Рыбопропускные сооружения подразделяют по способу перемещения в них рыбы на две группы:
- сооружения, в которых рыба самостоятельно перемещается из нижнего бьефа в верхний (к ним относятся рыбоходы в виде различных лотков и каналов);
- сооружения, в которых перемещение рыбы осуществляется путем шлюзования или транспортировки в специальных устройствах (рыбопропускные шлюзы и рыбоподъемники).
Тип рыбопропускного сооружения выбирают в зависимости от напора и данных о видовом составе и количестве рыбы. На гидроузлах с напором до 20 м рекомендуется устраивать рыбоходы – лотковый, прудковый или лестничный; с напором до 10 метров – рыбопропускные шлюзы; а при больших напорах – гидравлические и механические рыбоподъемники.
Наиболее доступным для самых разнообразных видов рыб является лестничный рыбоход (см. рис. 10.4), представляющий собой лоток со ступенчатым дном, разделенный поперечными стенками на ряд бассейнов. Для прохода рыбы в стенках предусмотрены вплывные отверстия, расположенные в шахматном порядке.
Рыбоходы рекомендуется устраивать участками с подъемом в 2,5-4,0 метра, разделенными длинными бассейнами для отдыха рыбы. В них можно имитировать природные условия реки, создавая песчаное или каменистое дно. Для предотвращения попадания рыбы в водозаборные сооружения гидроузлов, ее травмирования и гибели, предусматривают также специальные рыбозащитные устройства.
Для пропуска через гидроузлы древесины в пучках или в плотах предусматривают лесопропускные сооружения – лесотаски, лесосплавные лотки и др., к которым с позиций экологии должны предъявляться повышенные требования. Наиболее приемлемой в экологическом отношении считается перевозка древесины в судах, которые могут пропускаться из одного бьефа в другой при помощи судопропускных сооружений. Для этой цели в составе средненапорных гидроузлов могут возводиться вторые нитки шлюзов, а в составе низконапорных – эффективно использовать перегрузку пучков древесины из бьефа в бьеф при помощи кранов, располагаемых на гребне плотины.
Гидротехнические сооружения, обеспечивающие забор воды из водоемов на различные хозяйственные нужды (энергетика, орошение земель, гражданское и промышленное водоснабжение и др.), называют водозаборами. По типу водоисточника различают водозабор речной, озерный (водохранилищный) и морской, а по способу отбора воды – бесплотинный и плотинный.
В процессе нормальной эксплуатации водозаборного гидроузла должно обеспечиваться четкое выполнение графика подачи воды водопотребителям, предохранение водовода от попадания в него влекомых наносов, плавающих тел, шуги и льда, а также защита рыбы от попадания в водоприемник на реках, имеющих водохозяйственное значение.
Место забора воды для питьевых нужд назначают выше населенных пунктов, выпусков сточных вод, на удалении от промышленных баз, складов и стоянок судов. При комплексном использовании водотока, водозаборные сооружения не должны создавать помех судоходству, лесосплаву и проходу рыбы. Необходимо также учитывать русловые процессы, переформирования русла и побережья водоема, интенсивность перемещения насосов, гидротехнические, гидробиологические и другие условия.
Наиболее простыми в конструктивном отношении считаются бесплотинные водозаборы. Бесплотинный речной водозабор состоит из оголовка, самотечного и сифонного водоводов, и водоприемного колодца, состоящего из приемного и всасывающего отделений (рис. 10.5).
Далее, при помощи насосов, вода по трубопроводам подается в камеру переключения, откуда по напорным водоводам направляется различным водопотребителям. При необходимости подачи воды на более высокие отметки местности (например, в водораздельный бьеф судоходного канала) устраивают насосные станции различных ступеней подъема. По своему местоположению водоприемники бесплотинного водозабора могут быть русловыми или береговыми.
Для сброса и полезных попусков воды из водохранилищ в составе речных гидроузлов предусматривают водопропускные сооружения, которые по назначению разделяются на два типа: водосбросы и водоспуски.
Водосбросы предназначены для пропуска из водохранилища в нижний бьеф паводковых расходов, льда, шуги, других плавающих тел и, иногда, для транзита влекомых насосов.
Водоспуски используют для постоянных полезных попусков воды из водохранилища в нижний бьеф, определяемых водохозяйственными и санитарными требованиями, полного или частичного опорожнения водохранилища в целях ремонта сооружений, расположенных в верхнем бьефе, и частичного промыва наносов, отложившихся перед сооружением.
В гидравлическом отношении водосбросы и водоспуски практически не отличаются между собой. Разница лишь в расположении входного отверстия: в водоспусках его располагают на отметках, обеспечивающих сработку водохранилища до заданного уровня. Водосбросные отверстия устраивают в сооружениях (плотина, ГЭС) или вне их; они могут быть поверхностными или донными (глубинными).
Водосбросы в гидроузлах с глухими плотинами подразделяются:
- по расположению в узле – на водосбросы в теле плотины и вне тела плотины (водосбросы береговые);
- по типу оборудования водосливной части – на управляемые (с затворами и механизмами) и автоматического действия (открытый водослив или сифон);
- по конструктивному оформлению – на трубчатые, береговые открытые, траншейные, шахтные, туннельные, сифонные и т.п.
Наиболее широкое применение в речных гидроузлах получили береговые открытые водосбросы, позволяющие пропускать расходы воды от 500 до 1200 м3/с. Они состоят из трех основных частей: подводящего канала, водослива, регулирующего сбрасываемый расход воды и водоотводящего устройства (рис. 10.6). Подводящий канал обеспечивает плавный подвод воды к водосливу, водосливная часть представляет собой невысокую водосливную плотину прямоугольного очертания в плане, а водоотводящее устройство включает отводящий промежуточный канал, сопрягающее сооружение в виде быстротока или ступенчатого перепада и уст 
ройства для гашения энергии потока.
Назначение, устройство и особенности работы других сооружений в составе гидроузла, в том числе судоходных шлюзов, судоподъемников, бетонных и земляных плотин, будут подробно рассмотрены ниже, в соответствующих главах настоящего учебника.
Большое число сооружений в составе комплексного гидроузла при значительном разнообразии природных условий и требований, предъявляемых к размещению каждого из них, существенно осложняют компоновку гидроузла. На взаимное расположение сооружений гидроузла в плане оказывают влияние многие факторы, в том числе топографические и геологические условия, форма русла и водность реки, напор, условия строительства и эксплуатации, расположение потребителей, дорог и др.
При взаимном расположении сооружений в гидроузле необходимо соблюдать следующие основные принципы:
- расположение сооружений должно обеспечивать благоприятный гидравлический режим для их работы и удобное обслуживание. При этом каждое сооружение должно отвечать определенным требованиям по назначению и не затруднять работу других сооружений;
- обеспечение наименьших затрат на строительство и эксплуатацию сооружений гидроузла. Для решения этой цели следует обосновывать типы сооружений, требующие минимальных материальных и трудовых ресурсов, а их конструкции и оборудование по возможности должны быть типизированы и унифицированы (типовые строительные блоки и элементы, затворы, механизмы и т.п.);
- компоновка сооружений должна быть удобной для организации и производства работ. С этой целью необходимо обеспечить компактное расположение бетонных сооружений во избежание большого числа их сопряжений с грунтовыми сооружениями, концентрацию бетонного хозяйства, удобное расположение подсобно-вспомогательных предприятий, максимальное использование местных строительных материалов, доступность строительной площадки для подвоза материалов и оборудования, надежный пропуск льда и паводков;
- обеспечение бесперебойного и безаварийного пропуска судов, как в период нормальной эксплуатации, так и при строительстве сооружений гидроузла.
Основными вариантами компоновки сооружений в речных гидроузлах – являются русловая и пойменная.
При русловой компоновке основные сооружения гидроузла размещаются преимущественно в русле реки. При недостаточной ширине русла отдельные сооружения (чаще всего судопропускные) могут располагаться и вдоль берега. По этому принципу построены гидроузлы на реках с крутыми берегами и сравнительно узким руслом, образованном в скальных породах: Волхов (рис. 10.7), Ангара, Енисей и др.
Пойменная компоновка предусматривает расположение основных сооружений не только в русле, но и в пойме реки. Этот вариант компоновки характерен для сооружений, возводимых на равнинных реках с широкой долиной, где меженное русло может свободно перемещаться между берегами долины (Волга, Кама, Днепр и др.).
Примером пойменной компоновки может служить план расположения сооружений Самарского гидроузла, представленный на рис. 10.8.
Русловая и пойменная компоновки гидроузлов отличаются между собой не только местом расположения основных сооружений, но и эксплуатационными, экономическими, экологическими и другими особенностями.
Основными достоинствами русловой компоновки являются:
- компактное расположение и удобное обслуживание сооружений;
- небольшая длина напорного фронта, меньшая зона затопления земель и более низкая стоимость сооружений гидроузла.
К недостаткам можно отнести стесненные условия для производства работ, пропуска судов, льда и паводков. Поэтому строительство сооружений гидроузла приходится выполнять в два этапа. На первом этапе возводится судопропускное сооружение, располагаемое вдоль берега или на берегу (судоходство в этом случае осуществляется по основному руслу реки), а на втором этапе, когда пропуск судов и строительных расходов может производиться через судопропускное сооружение, – плотина, ГЭС и другие гидротехнические сооружения.
Пойменная компоновка имеет ряд существенных недостатков, определяемых большой длиной напорного фронта, но она обеспечивает более благоприятные условия для производства работ, пропуска судов и паводков. Сооружения гидроузла в этом случае могут возводиться независимо друг от друга, и поэтому общий срок строительства гидроузла может быть несколько меньшим, чем в условиях русловой компоновки.