Становление плотин, затворов из гибких наполняемых оболочек
Саинов Михаил Петрович
ФГБОУ ВО "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет", Москва, Россия Профессор кафедры "Гидравлики и гидротехнического строительства" Доктор технических наук, доцент
Аннотация
К настоящему времени в мире построено несколько тысяч плотин, затворов из гибких наполняемых оболочек. Эти конструкции стали применять относительно недавно - с середины XX в. Чтобы понимать принципы применения конструкций из гибких оболочек, необходимо знать историю их становления. С этой целью был составлен исторический обзор опыта применения плотин из гибких наполняемых оболочек в 1950-1980-е годы.
Для составления обзора были использованы отечественные и иностранные источники.
Первая плотина (затвор) из резинотканевой оболочки, заполненной водой, была построена в США в 1959 г. по проекту инженера N.M. Imbertson. Он запатентовал несколько вариантов технических решений. Уже в 1960-е годы подобные плотины были применены в странах Европы, Азии и в СССР. Однако при этом был выявлен ряд технических проблем, в частности проблема вибрации при переливе воды и проблема появления локального прогиба. С 1970-х годов стали применять оболочки, заполненные не водой, а воздухом, однако это привело к возникновению новых технических проблем. В этот период конструкция затворов была дополнена дефлектором для минимизации колебаний оболочки и разработан новый синтетический материал. Благодаря усовершенствованиям на рубеже XIX и XX вв. были достигнуты новые технические рекорды в строительстве резинотканевых плотин. плотина вода затвор
В России плотины из наполняемых гибких оболочек распространения не получили, однако отечественные учёные внесли весомой вклад в развитие этих конструкций - именно советскими инженерами и учёными были разработаны конструкции для применения на деформируемом основании.
Таким образом, в первые два десятилетия с момента появления плотин из гибких наполняемых оболочек, были решены ключевые технические проблемы их проектирования и сформированы основные технические решения.
Ключевые слова: резиновая плотина; наполняемая (надувная) плотина; гибкие конструкции; синтетические материалы; повреждение; заполненная воздухом плотина
Sainov Mikhail Petrovich
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Moscow, Russia
Formation of inflatable rubber dams and flexible weirs
Abstract. By present, several inflatable rubber dams and flexible weirs have been constructed in the world. These structures began to be used relatively not long ago: from the middle of the XXth century. In order to understand the principles of using structures made of flexible shells it is necessary to know the history of their formation. With this purpose there was prepared a historical survey of using inflatable dams of flexible membranes over the period from 1950-1980ies years.
National and foreign sources were used for preparation of the survey.
The first dam (weir) made of rubber-textile membrane filled with water was constructed in USA in 1959 by the design of the engineer N.M. Imbertson. He patented several alternatives of technical solutions. Already in 1960-ies similar dams were used in the countries of Europe, Asia and the USSR. However, a number of technical problems was revealed, namely, the problem of vibration at water overflow and the problem of appearance of local deflection. From 1970-ies there started to be used the dams filled with water and air, however, this resulted in appearance of new technical problems. During this period the gate design was complimented with a deflector for minimization of the shell fluctuations and a new synthetic material was developed. Due to refinements made at the end of the XIXth century in the XXth century the new technical records in construction of rubber-textile dams were achieved.
In Russia the inflatable flexible dams were not widespread, however, Russian scientists made a considerable contribution in development of these structures: it was Soviet engineers and scientists developed the structures for using on the deformed foundation.
Thus, during the first two decades from the moment of appearance of inflatable flexible dams the key technical problems of their designing were solved and main technical solutions were set.
Keywords: rubber dam; Inflatable dam; Flexible structures; Synthetic materials; failure; air-filled dam
Введение
Во второй половине XX в. был разработан новый тип плотин и затворов, который представляет собой конструкцию из гибких ("мягких") замкнутых оболочек, заполненных воздухом или водой. Оболочки закрепляют к порогу (дну) сооружения. Регулируя давление внутри оболочки, можно изменять её высоту, в этом случае она играет роль затвора. Плотины (затворы) из оболочек допускают перелив через них воды.
Возникновение плотин из гибких полотнищ стало возможным благодаря появлению в начале XX в. промышленных технологий изготовления резины, синтетических каучуков и волокон. В этот период были получены резинотканевые материалы, которые обладают высокой эластичностью, необходимой прочностью и изностойкостью.
К настоящему времени в мире построено несколько тысяч малых плотин этого типа, в основном в странах Азии и Европы [1]. Однако в России воздухо-, водонаполняемые оболочки редко используют как плотины и затворы, в основном они применяются в качестве мобильных дамб для защиты от наводнений и мелиоративных систем [2].
В современной литературе мало информации об истории становления плотин (затворов) из гибких заполняемых оболочек. В СССР в 1970-е годы были подготовлены издания [3; 4], но в настоящее время они довольно труднодоступны и не содержат информации о проблемах эксплуатации плотин этого типа.
В связи с этим представляют интерес ответы на следующие вопросы:
• Когда и как появились плотины из гибких оболочек, заполненных воздухом или водой?
• С какими проблемами сталкивались при использовании плотин данного типа?
• Как трансформировались, совершенствовались их конструкции?
Для ответа на данные вопросы был составлен исторический обзор начального этапа применения плотин из оболочек, заполненных воздухом или водой, с примерами плотин и фактами их эксплуатации. Он охватывает период 1950-1970-х годов.
Материалы
Для составления обзора были использованы отечественные и зарубежные монографии [1; 3-4], учебник 1, а также статьи в журналах [5-7]. Также были использованы труды N.M. Imbertson [7]2, основоположника плотин из гибких оболочек.
Результаты
Первые плотины из водонаполняемых оболочек.
Обычно в научных публикациях и литературе указывают, что первым применить гибкую оболочку для устройства плотины предложил в 1950-х гг. американский инженер Norman M. Imbertson. Однако в [8] со ссылкой на [9] сообщает, что в 1955 г. такую конструкцию предложил также французский инженер Mesnager.
Однако N. Imbertson довёл проект до практической реализации - в 1959 г. на реке Los Angeles была устроена плотина из замкнутой гибкой оболочки. Перед этим в 1957-1958 гг. была построена и испытана часть этой плотины [3; 7]. Преимущество плотины из оболочки по сравнению с ранее использовавшейся деревянной состояло в том, что она позволяла легко очищать водоём от наносов путём открытия водопропускного отверстия. По российской классификации такая оболочка является затвором [10].
В плотине на реке Los Angeles замкнутая оболочка перекрывала отверстие пролётом 39,6 м и высотой 1,83 м [5; 7]. Каплевидная оболочка была выполнена из неопрена (хлоропренового каучука), армированного нейлоном, толщиной 3,18 мм (производитель - фирма Dupon) [4]. Она была закреплена к бетонному порогу и боковым стенкам. Оболочка заполнялась водой с помощью двух наносов общей производительностью 500 м 3/ч, а её опорожнение осуществлялось автоматически с помощью сифона. Наполнение длилось 25 минут, опорожнение - 10 минут.
В 1961 г. N. Imbertson представил уже опробованные и вновь разработанные им конструкции для получения патента [7]. Основной конструкцией является каплевидная оболочка, закреплённая на пороге и боковых стенках (рис. 1, 2).
Наполненная оболочка перекрывает пролёт (рис. 2 а), а опорожнённая - ложится на порог (рис. 2 б). N. Imbertson называл плотины нового типа тканевыми ("Fabridam") и складными ("Collapsible").
В качестве материала оболочки он предлагал использовать полотнища неопрена (хлоропренового каучука) или нейлона, прорезиненного или обработанного пластиком, а также каучукового латекса.
N. Imbertson также запатентовал две гидравлические системы автоматического действия для наполнения и опорожнения оболочки - самотёчную и принудительную [7]. В самотёчной системе давление воды в оболочке и, следовательно, высота оболочки контролируются подводящим трубопроводом и отводящим сифоном (рис. 3). В принудительной системе подача воды в оболочку осуществляется из напорного бака, а опорожнение - гидравлическим насосом (рис. 4), автоматизация действия системы достигается датчиком уровня.
1 - гибкая оболочка в пролёте, заполненная водой; 2 - часть гибкой оболочки, на боковых стенках; 3 - бетонная стенка; 4 - прижимная планка; 5 - канал; 6 - напорный трубопровод; 7 - задвижка
Рисунок 1. Устройство плотины с гибкой водонаполняемой оболочкой по патенту N. Imbertson [7]
1 - оболочка в пролёте; 2 - часть гибкой оболочки на боковых стенках; 3 - бетонное сооружение; 4 - прижимная планка; 5 - крепёж
Рисунок 2. Устройство гибкой оболочки по патенту N. Imbertson: а - наполненная оболочка в продольном разрезе; б - наполненная оболочка в поперечном разрезе; в - опорожнённая оболочка в продольном разрезе [7]
гибкая оболочка, заполненная водой; 2 - бетонный порог; 3 - обратный фильтр; 4 - труба; 5 - сифон
Рисунок 3. Самотёчная система автоматического действия для наполнения и опорожнения водонаполняемой оболочки по патенту N. Imbertson [7] в разрезе вдоль потока
1 - гибкая оболочка, заполненная водой; 2 - бетонный порог; 3 - вертикальные стенки водопропускного отверстия; 4 - резервуар; 5 - трубопровод; 6 - электромагнитная задвижка; 7 - гидравлический насос с электрическим приводом; 8 - электрическая цепь; 9 - измеритель уровня; 10 - водомерные трубы
Рисунок 4. Принудительная система автоматического действия для наполнения и опорожнения водонаполняемой оболочки по патенту N. Imbertson [7] в разрезе поперёк потока
Позже в США был построен ещё ряд плотин с затворами из гибких оболочек. Например, в 1962 г. была построена на реке San Joaquin длиной 50 м и высотой 3,65 м [3].
В 1966 г. была впервые применена оболочка, наполняемая не только водой, но и воздухом [3]. Эта плотина на реке Colorado имела длину 70 м и высоту 4 м. Подача воды осуществлялась насосами, а воздуха - вентиляторами.
В 1966 г. была построена ещё более крупная плотина с затвором из гибких оболочек - плотина Sunbury на реке Susquehanna. Она предназначена только для работы в летний период, когда она образует водохранилище Augusta площадью 1 200 га. Плотина Sunbury включает 7 оболочек, разделённых бетонными бычками [1]. Шесть оболочек имеют длину 91,44 м и ширину 2,44 м, а седьмая оболочка - имеет длину 53,34 м. Высота оболочек - 2,3 м, они заполняются водой (на высоту 1,08 м) и воздухом [3]. На правом берегу построена бетонная переливная секция длиной 274 м. Плотина (ныне Adam T. Bower Memorial) до сих пор является самой протяжённой в мире плотиной из гибких оболочек.
Плотины из гибкой оболочки показали свои преимущества применения при малых напорах, они дешевле, могут перекрывать большие пролёты, пропускать воду переливом и не требуют грузоподъёмного оборудования. Благодаря этим преимуществам уже в 1960-х годах плотины нового типа стали применять в других странах.
В 1961 г. впервые гибкая оболочка была применена в Европе. Она была использована в качестве затвора на французской плотине Оба на реке Везер [4]. Она имеет длину 46 м и высоту 1,4 м. В затворе была использована оболочка толщиной 4,5 мм из хлоропренового каучука, армированного нейлоном. Сопряжение оболочки с быком было осуществлено иначе, чем у N. Imbertson, - с помощью конусных завершений, закреплённых в быке. В настоящее время это самый распространённый тип сопряжения оболочки с сооружением.
В 1965 г. затвор из гибкой оболочки был установлен на бетонной плотине Koombooloomba в Австралии. Затвор высотой 1,65 м перекрыл шириной 66 м [4].
В 1965 г. оболочка была применена для устройства временной перемычки при строительстве плотины Mangla в Пакистане. Временная дамба состояла из трёх секций оболочек длиной 76,20 м, 63,70 м и 74,40 м высотой 3,0 м [1]. Оболочка заполнялась водой и воздухом.
В 1969 г. был достигнут рекорд по высоте плотин из оболочек. В Нидерландах на канале Weespertrekvaart в Амстердаме (район Omval) была установлена оболочка, которая предназначена для защиты земель от затопления при наводнениях. Она должна была перекрывать канал при подъёме уровня в реке Amstel. Плотина из водонаполняемой оболочки имела высоту 7 м и пролёт 28 м.1
Т. к. наводнения случаются редко, оболочка практически всё время находилась на дне канала в опорожненном положении. Для защиты расположенной под водой плотины была применена специальная конструкция оболочки, которую называют "мидия", т. к. её форма напоминает этот моллюск (рис. 5). Она состоит из двух шарнирно закреплённых полых металлических полотнищ, соединённых мембраной. Эти полотнища выполняют двойную функцию. Во-первых, они являются створками контейнера, в которой помещена оболочка (рис. 5 а). Во-вторых, они являются поплавками, которые помогают затвору быстрее раскрыться. Для установки плотины в рабочее положение необходимо подача воды в камеру (рис. 5 б). Для закрытия створок из камеры выкачивается вода (рис. 5 б в). Время наполнения и раскрытия оболочки составляет около 15 минут.
1 - мембрана оболочки; 2 - камера давления; 3 - контейнер; 4 - полые металлические створки; 5 - патрубки системы наполнения