1. شكل تخطيط محطات الطاقة الكهرومائية
تشمل أشكال التخطيط النموذجية لمحطات الطاقة الكهرومائية بشكل أساسي محطات الطاقة الكهرومائية من نوع السد، ومحطات الطاقة الكهرومائية من نوع قاع النهر، ومحطات الطاقة الكهرومائية من نوع التحويل.
محطة طاقة كهرومائية على شكل سد: تستخدم سدًا لرفع منسوب المياه في النهر، بهدف تركيز منسوب المياه. غالبًا ما تُبنى في وديان الجبال العالية في الروافد الوسطى والعليا للأنهار، وعادةً ما تكون محطة طاقة كهرومائية ذات منسوب متوسط إلى مرتفع. الطريقة الأكثر شيوعًا لتصميمها هي إنشاء محطة طاقة كهرومائية تقع أسفل السد الحاجز بالقرب من موقع السد، وهي محطة طاقة كهرومائية تقع خلف السد.
محطة طاقة كهرومائية على قاع النهر: محطة طاقة كهرومائية، حيث تُرتب محطة الطاقة وبوابة حجز المياه والسد صفًا واحدًا على قاع النهر لحجز المياه معًا. غالبًا ما تُبنى في الروافد الوسطى والسفلى للأنهار، وتتميز عمومًا بانخفاض منسوبها وتدفقها العالي.
محطة تحويل الطاقة الكهرومائية: محطة طاقة كهرومائية تستخدم قناة تحويل لتركيز مياه قسم من النهر لتشكيل رأس توليد الطاقة. تُبنى هذه المحطة غالبًا في الروافد الوسطى والعليا للأنهار ذات التدفق المنخفض والانحدار الطولي الكبير.
2. تكوين مباني مركز الطاقة الكهرومائية
تشمل المباني الرئيسية لمشروع محطة الطاقة الكهرومائية ما يلي: هياكل احتجاز المياه، وهياكل التصريف، وهياكل المدخل، وهياكل التحويل والمسار الخلفي، وهياكل المياه المستوية، ومباني توليد الطاقة وتحويلها وتوزيعها، وما إلى ذلك.
1. منشآت احتجاز المياه: تستخدم منشآت احتجاز المياه لاعتراض الأنهار، وتركيز القطرات، وتشكيل الخزانات، مثل السدود والبوابات وما إلى ذلك.
2. هياكل إطلاق المياه: تُستخدم هياكل إطلاق المياه لإطلاق الفيضانات، أو إطلاق المياه للاستخدام في مجرى النهر، أو إطلاق المياه لخفض مستوى المياه في الخزانات، مثل المفيض، ونفق المفيض، والمخرج السفلي، وما إلى ذلك.
3. هيكل سحب المياه لمحطة الطاقة الكهرومائية: يستخدم هيكل سحب المياه لمحطة الطاقة الكهرومائية لإدخال المياه إلى قناة التحويل، مثل المدخل العميق والضحل مع الضغط أو المدخل المفتوح بدون ضغط.
٤. هياكل تحويل المياه وقنوات تصريف المياه الخلفية لمحطات الطاقة الكهرومائية: تُستخدم هياكل تحويل المياه في محطات الطاقة الكهرومائية لنقل مياه توليد الطاقة من الخزان إلى وحدة مولد التوربينات؛ بينما تُستخدم هياكل تصريف المياه الخلفية لتصريف مياه توليد الطاقة إلى مجرى النهر. تشمل المباني الشائعة القنوات والأنفاق وأنابيب الضغط، وغيرها، بالإضافة إلى المباني المتقاطعة مثل قنوات المياه، والقنوات السفلية، والشفاطات المقلوبة، وغيرها.
5. منشآت المياه المسطحة الكهرومائية: تستخدم منشآت المياه المسطحة الكهرومائية لتثبيت التغيرات في التدفق والضغط (عمق الماء) الناتجة عن التغيرات في حمل محطة الطاقة الكهرومائية في هياكل التحويل أو المياه الذيلية، مثل غرفة زيادة الضغط في قناة التحويل المضغوطة وحجرة الضغط الأمامية في نهاية قناة التحويل غير المضغوطة.
6. مباني توليد وتحويل وتوزيع الطاقة: بما في ذلك محطة الطاقة الرئيسية (بما في ذلك موقع التركيب) لتثبيت وحدات المولدات التوربينية الهيدروليكية والتحكم بها، والمعدات المساعدة لمحطة الطاقة المساعدة، وساحة المحولات لتثبيت المحولات، ومفاتيح الجهد العالي لتثبيت أجهزة توزيع الجهد العالي.
7. المباني الأخرى: مثل السفن والأشجار والأسماك وحجب الرمال وطرد الرمال وما إلى ذلك.
التصنيف الشائع للسدود
يُشير مصطلح السد إلى سد يحجز مياه الأنهار، وكذلك سد يحجز المياه في الخزانات والأنهار وغيرها. وتختلف طرق التصنيف باختلاف معايير التصنيف. وتُقسم الهندسة بشكل رئيسي إلى الأنواع التالية:
1. سد الجاذبية
سد الجاذبية هو سد مبني بمواد مثل الخرسانة أو الحجر، ويعتمد بشكل أساسي على الوزن الذاتي لجسم السد للحفاظ على الاستقرار.
مبدأ عمل سدود الجاذبية
تحت تأثير ضغط الماء والأحمال الأخرى، تعتمد سدود الجاذبية بشكل أساسي على قوة منع الانزلاق الناتجة عن وزن السد نفسه لتلبية متطلبات الاستقرار؛ وفي الوقت نفسه، يُستخدم الضغط الناتج عن وزن جسم السد لتعويض إجهاد الشد الناتج عن ضغط الماء، وذلك لتلبية متطلبات المتانة. الشكل الأساسي لسد الجاذبية مثلث الشكل. على المستوى، يكون محور السد مستقيمًا عادةً، وفي بعض الأحيان، للتكيف مع التضاريس والظروف الجيولوجية أو لتلبية متطلبات تصميم المحور، يمكن أيضًا ترتيبه كخط متقطع أو قوس ذي انحناء طفيف باتجاه المنبع.
مزايا سدود الجاذبية
(1) وظيفة هيكلية واضحة، وطريقة تصميم بسيطة، وآمنة وموثوقة. ووفقًا للإحصاءات، فإن معدل فشل سدود الجاذبية منخفض نسبيًا بين أنواع السدود المختلفة.
(2) قدرة عالية على التكيف مع التضاريس والظروف الجيولوجية. يمكن بناء سدود الجاذبية في أي شكل من أشكال وديان الأنهار.
(3) يُمكن حل مشكلة تصريف الفيضانات عند المحور بسهولة. يُمكن تحويل سدود الجاذبية إلى هياكل فيضانات، أو إنشاء فتحات تصريف على ارتفاعات مختلفة من جسم السد. بشكل عام، لا توجد حاجة لتركيب مفيض أو نفق تصريف إضافي، كما أن تصميم المحور مُدمج.
(4) ملائم لتحويل مسار البناء. خلال فترة البناء، يمكن استخدام جسم السد لتحويل مسار البناء، ولا يتطلب عادةً إنشاء نفق تحويل إضافي.
(5) البناء المريح.
عيوب سدود الجاذبية
(1) حجم المقطع العرضي لجسم السد كبير، ويتم استخدام كمية كبيرة من المواد.
(2) يكون ضغط جسم السد منخفضًا، ولا يمكن الاستفادة الكاملة من قوة المادة.
(3) تؤدي مساحة التلامس الكبيرة بين جسم السد والأساس إلى ارتفاع ضغط الرفع في قاع السد، وهو أمر غير مناسب للاستقرار.
(4) نظرًا لكبر حجم جسم السد، ونتيجةً لحرارة الترطيب وانكماش الخرسانة الناتج عن التصلب أثناء فترة البناء، ستُنشأ إجهادات حرارية وانكماشية سلبية. لذلك، يلزم اتخاذ إجراءات صارمة للتحكم في درجة الحرارة عند صب الخرسانة.
2. سد القوس
السد القوسي هو هيكل صدفي مكاني مثبت في الصخر الأساسي، ويشكل شكل قوس محدب على المستوى باتجاه المنبع، ويقدم شكل تاج القوس شكل منحنى عمودي أو محدب باتجاه المنبع.
مبدأ عمل السدود القوسية
يتمتع هيكل السد القوسي بتأثير القوس والعوارض، ويتم ضغط الحمل الذي يتحمله جزئيًا نحو كلا الضفتين من خلال عمل القوس، بينما ينتقل الجزء الآخر إلى الصخر الأساسي في أسفل السد من خلال عمل العوارض الرأسية.
خصائص السدود القوسية
(١) خصائص الثبات. يعتمد استقرار السدود القوسية بشكل أساسي على قوة رد الفعل عند طرفي القوس على كلا الجانبين، على عكس سدود الجاذبية التي تعتمد على الوزن الذاتي للحفاظ على الثبات. لذلك، تتطلب السدود القوسية متطلبات عالية لتضاريس موقع السد وظروفه الجيولوجية، بالإضافة إلى متطلبات صارمة لمعالجة الأساسات.
(2) الخصائص الإنشائية. تنتمي السدود القوسية إلى هياكل غير محددة إحصائيًا عالية المستوى، ذات قدرة تحمل عالية للحمل الزائد وسلامة عالية. عند زيادة الأحمال الخارجية أو تعرض جزء من السد لتشقق موضعي، فإن حركات القوس والعارضة لجسم السد ستعدل نفسها، مما يتسبب في إعادة توزيع الإجهاد في جسم السد. السد القوسي هو هيكل مكاني شامل، بجسم خفيف الوزن ومرن. وقد أظهرت الممارسة الهندسية أن مقاومته الزلزالية قوية أيضًا. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن القوس هو هيكل دفع يتحمل بشكل أساسي الضغط المحوري، فإن عزم الانحناء داخل القوس صغير نسبيًا، وتوزيع الإجهاد موحد نسبيًا، مما يساعد على ممارسة قوة المادة. من منظور اقتصادي، تُعد السدود القوسية نوعًا متفوقًا جدًا من السدود.
(3) خصائص الأحمال. لا يحتوي جسم السد القوسي على فواصل تمدد دائمة، وتؤثر تغيرات درجة الحرارة وتشوه قاع الصخر بشكل كبير على إجهاد جسم السد. عند التصميم، من الضروري مراعاة تشوه قاع الصخر وإدراج درجة الحرارة كحمل رئيسي.
بسبب الشكل الرفيع والشكل الهندسي المعقد لسد القوس، فإن جودة البناء وقوة مادة السد ومتطلبات منع التسرب أكثر صرامة من تلك الخاصة بسدود الجاذبية.
3. سد ترابي صخري
السدود الترابية الصخرية هي سدود مبنية من مواد محلية كالتربة والحجر، وهي أقدم أنواع السدود في التاريخ. وتُعد السدود الترابية الصخرية أكثر أنواع بناء السدود استخدامًا وتطورًا في العالم.
أسباب انتشار وتطور استخدام السدود الترابية الصخرية
(1) يُمكن الحصول على المواد محليًا وقريبًا، مما يُوفر كميات كبيرة من الأسمنت والخشب والفولاذ، ويُقلل من حجم النقل الخارجي في موقع البناء. يُمكن استخدام أي مادة ترابية أو حجرية تقريبًا لبناء السدود.
(2) القدرة على التكيف مع مختلف التضاريس والظروف الجيولوجية والمناخية. وخاصةً في المناخات القاسية، والظروف الجيولوجية الهندسية المعقدة، ومناطق الزلازل عالية الشدة، تُعدّ السدود الترابية الصخرية النوع الوحيد الممكن من السدود.
(3) أدى تطوير آلات البناء ذات السعة الكبيرة ومتعددة الوظائف وعالية الكفاءة إلى زيادة كثافة ضغط السدود الترابية الصخرية، وتقليل المقطع العرضي للسدود الترابية الصخرية، وتسريع تقدم البناء، وخفض التكاليف، وتعزيز تطوير بناء السدود الترابية الصخرية العالية.
(4) بفضل تطور نظرية ميكانيكا الجيوتقنية والأساليب التجريبية والتقنيات الحسابية، تم تحسين مستوى التحليل والحساب، وتسريع تقدم التصميم، وتم ضمان سلامة وموثوقية تصميم السد بشكل أكبر.
(5) كما لعب التطوير الشامل لتكنولوجيا التصميم والبناء لدعم المشاريع الهندسية مثل المنحدرات العالية والهياكل الهندسية تحت الأرض وتبديد طاقة تدفق المياه عالية السرعة ومنع تآكل سدود الصخور الترابية دورًا مهمًا في تعزيز تسريع بناء وترويج سدود الصخور الترابية.
4. سد الصخور
سد الصخور هو نوع من السدود يُبنى باستخدام طرق مثل رمي المواد الحجرية، وردمها، ودحرجتها. ولأن الصخور نفاذة، فمن الضروري استخدام مواد مثل التربة، والخرسانة، والخرسانة الإسفلتية كمواد غير نفاذة.
خصائص سدود الصخور
(١) الخصائص الهيكلية. كثافة الصخور المضغوطة عالية، وقوة القص عالية، ويمكن جعل منحدر السد شديد الانحدار نسبيًا. هذا لا يوفر فقط كمية ردم السد، بل يقلل أيضًا من عرض قاعه. وبالتالي، يمكن تقليل طول هياكل نقل وتصريف المياه، كما أن تصميم المحور مُدمج، مما يقلل بشكل أكبر من الكمية الهندسية.
(٢) خصائص البناء. وفقًا لظروف الإجهاد لكل جزء من جسم السد، يمكن تقسيم جسم الردم الصخري إلى مناطق مختلفة، مع مراعاة متطلبات مختلفة لمواد الحجر ودرجة تماسك كل منطقة. يمكن استخدام مواد الحجر المحفورة أثناء بناء هياكل الصرف في المحور بشكل كامل ومعقول، مما يقلل التكلفة. كما أن بناء سدود الردم الصخري ذات الواجهة الخرسانية أقل تأثرًا بالظروف المناخية، مثل موسم الأمطار والبرد القارس، ويمكن تنفيذه بشكل متوازن وطبيعي نسبيًا.
(3) خصائص التشغيل والصيانة. تشوه الترسيب في الصخور المضغوطة صغير جدًا.
محطة الضخ
1. المكونات الأساسية لهندسة محطة الضخ
يتكون مشروع محطة الضخ بشكل رئيسي من غرف المضخات، وخطوط الأنابيب، ومباني مدخل ومخرج المياه، والمحطات الفرعية، كما هو موضح في الشكل. تحتوي غرفة الضخ على وحدة تتكون من مضخة مياه، ووحدة نقل، ووحدة طاقة، بالإضافة إلى المعدات المساعدة والكهربائية. تشمل هياكل مدخل ومخرج المياه الرئيسية مرافق سحب وتحويل المياه، بالإضافة إلى أحواض مدخل ومخرج المياه (أو أبراج المياه).
تتكون أنابيب محطة الضخ من أنابيب دخول وخروج. يربط أنبوب الدخول مصدر المياه بمدخل مضخة المياه، بينما يربط أنبوب الخروج مخرج مضخة المياه بحافة المخرج.
بعد تشغيل محطة الضخ، يدخل الماء إلى المضخة عبر مبنى المدخل وأنبوب المدخل. بعد ضغطه بواسطة المضخة، يُرسل الماء إلى حوض المخرج (أو برج المياه) أو شبكة الأنابيب، مما يُحقق الغرض من رفع أو نقل الماء.
2. تخطيط مركز محطة الضخ
يتضمن تصميم المحور في هندسة محطات الضخ دراسة شاملة لمختلف الظروف والمتطلبات، وتحديد أنواع المباني، وترتيب مواقعها النسبية بشكل معقول، ومعالجة علاقاتها المتبادلة. ويعتمد تصميم المحور بشكل أساسي على المهام التي تقوم بها محطة الضخ. وينبغي أن تختلف ترتيبات محطات الضخ المختلفة لأعمالها الرئيسية، مثل غرف المضخات، وخطوط أنابيب الدخول والخروج، ومباني الدخول والخروج.
يجب أن تكون المباني الملحقة، مثل قنوات المياه وبوابات التحكم، متوافقة مع المشروع الرئيسي. بالإضافة إلى ذلك، مع مراعاة متطلبات الاستخدام الشامل، وفي حال وجود متطلبات للطرق والشحن وممرات الأسماك داخل منطقة المحطة، يجب مراعاة العلاقة بين تصميم جسور الطرق وأهوسة السفن وممرات الأسماك، وما إلى ذلك، والمشروع الرئيسي.
وفقًا للمهام المختلفة التي تقوم بها محطات الضخ، فإن تخطيط محاور محطة الضخ يشمل عمومًا عدة أشكال نموذجية، مثل محطات ضخ الري، ومحطات ضخ الصرف، ومحطات الري بالصرف المركبة.
بوابة المياه هي هيكل هيدروليكي منخفض الارتفاع يستخدم بوابات للاحتفاظ بالمياه والتحكم في تصريفها. غالبًا ما تُبنى على ضفاف الأنهار والقنوات والخزانات والبحيرات.
1. تصنيف بوابات المياه الشائعة الاستخدام
التصنيف حسب المهام التي تقوم بها بوابات المياه
١. بوابة التحكم: تُبنى على نهر أو مجرى مائي لمنع الفيضانات، أو تنظيم منسوب المياه، أو التحكم في تدفق المياه. تُعرف بوابة التحكم الموجودة على مجرى النهر أيضًا باسم بوابة سد النهر.
٢. بوابة السحب: تُبنى على ضفة نهر أو خزان أو بحيرة للتحكم في تدفق المياه. تُعرف بوابة السحب أيضًا باسم بوابة السحب أو بوابة رأس القناة.
٣. بوابة تحويل مياه الفيضانات: غالبًا ما تُبنى على جانب واحد من النهر، وتُستخدم لتصريف مياه الفيضانات التي تتجاوز سعة التصريف الآمنة للنهر المصب إلى منطقة تحويل مياه الفيضانات (منطقة تخزين أو احتجاز الفيضانات) أو المفيض. تمر بوابة تحويل مياه الفيضانات عبر المياه في كلا الاتجاهين، وبعد الفيضان، تُخزن المياه وتُصرف في مجرى النهر من هنا.
٤. بوابة الصرف: تُبنى عادةً على ضفاف الأنهار لإزالة التشبع المائي الضار بالمحاصيل في المناطق الداخلية أو المنخفضة. بوابة الصرف ثنائية الاتجاه. عندما يكون منسوب مياه النهر أعلى من منسوب البحيرة الداخلية أو المنخفض، تعمل بوابة الصرف بشكل رئيسي على حجب المياه لمنع فيضان النهر للأراضي الزراعية أو المباني السكنية. أما عندما يكون منسوب مياه النهر أقل من منسوب البحيرة الداخلية أو المنخفض، فتُستخدم بوابة الصرف بشكل رئيسي لإزالة التشبع المائي والصرف.
٥. بوابة المد والجزر: تُبنى بالقرب من مصب البحر، وتُغلق أثناء المد العالي لمنع تدفق مياه البحر. تتميز البوابة التي تُفتح لتصريف المياه عند الجزر بخاصية حجب المياه في اتجاهين. تشبه بوابات المد والجزر بوابات الصرف، ولكنها تُستخدم بشكل أكثر تواترًا. عندما يكون مستوى المد في البحر الخارجي أعلى من مستوى المد في النهر الداخلي، تُغلق البوابة لمنع تدفق مياه البحر إلى النهر الداخلي. عندما يكون مستوى المد في البحر المفتوح أقل من مستوى مياه النهر في البحر الداخلي، تُفتح البوابة لتصريف المياه.
6. بوابة طرد الرمال (بوابة تصريف الرمال): يتم بناؤها على مجرى نهر موحل، وتستخدم لتصريف الرواسب المترسبة أمام بوابة المدخل أو بوابة التحكم أو نظام القناة.
7. بالإضافة إلى ذلك، هناك بوابات تصريف الجليد وبوابات الصرف الصحي التي تم تركيبها لإزالة كتل الجليد والأشياء العائمة وما إلى ذلك.
وفقًا للشكل الهيكلي لغرفة البوابة، يمكن تقسيمها إلى نوع مفتوح، ونوع جدار الصدر، ونوع القناة، وما إلى ذلك.
1. النوع المفتوح: لا يتم عرقلة سطح تدفق المياه عبر البوابة، وسعة التفريغ كبيرة.
2. نوع جدار الصدر: يوجد جدار صدري فوق البوابة، والذي يمكنه تقليل القوة على البوابة أثناء حجب المياه وزيادة سعة حجب المياه.
٣. نوع القناة: أمام البوابة، يوجد جسم نفق مضغوط أو غير مضغوط، ويُغطى الجزء العلوي منه بتربة ردم. يُستخدم بشكل رئيسي في بوابات المياه الصغيرة.
وفقا لحجم تدفق البوابة، يمكن تقسيمها إلى ثلاثة أشكال: كبير، متوسط، وصغير.
بوابات مياه كبيرة بمعدل تدفق يزيد عن 1000م3/ثانية؛
بوابة مياه متوسطة الحجم بسعة 100-1000م3/ثانية؛
-المصارف الصغيرة ذات سعة أقل من 100م3/ثانية.
2. تركيب بوابات المياه
تتضمن بوابة المياه بشكل أساسي ثلاثة أجزاء: قسم الاتصال العلوي، وغرفة البوابة، وقسم الاتصال السفلي،
قسم التوصيل العلوي: يُستخدم قسم التوصيل العلوي لتوجيه تدفق المياه بسلاسة إلى حجرة البوابة، وحماية ضفتي النهر ومجرى النهر من التآكل، ويشكل مع الحجرة محيطًا تحت الأرض مانعًا للتسرب لضمان استقرار الضفتين وأساس البوابة في حالة التسرب. ويشمل هذا القسم بشكل عام جدرانًا جانبية علوية، وفرشًا، وأخاديد مانعة للتآكل علوية، وحماية للمنحدرات على كلا الجانبين.
حجرة البوابة: وهي الجزء الرئيسي لبوابة المياه، ووظيفتها التحكم في مستوى المياه وتدفقها، وكذلك منع التسرب والتآكل.
يتضمن هيكل قسم غرفة البوابة: البوابة، رصيف البوابة، الرصيف الجانبي (جدار الشاطئ)، اللوحة السفلية، جدار الصدر، جسر العمل، جسر المرور، الرافعة، إلخ.
تُستخدم البوابة للتحكم في تدفق المياه عبرها؛ وتُثبَّت على الصفيحة السفلية للبوابة، ممتدةً عبر الفتحة، ومدعومة بركيزة البوابة. تنقسم البوابة إلى بوابة صيانة وبوابة خدمة.
تُستخدم بوابة العمل لمنع المياه أثناء التشغيل العادي والتحكم في تدفق التفريغ؛
يتم استخدام بوابة الصيانة للاحتفاظ بالمياه مؤقتًا أثناء الصيانة.
يتم استخدام رصيف البوابة لفصل حفرة الخليج ودعم البوابة والجدار الصدري والجسر العامل وجسر المرور.
ينقل رصيف البوابة ضغط المياه الذي يتحمله البوابة وجدار الصدر وقدرة رصيف البوابة نفسه على الاحتفاظ بالمياه إلى اللوحة السفلية؛
يتم تثبيت جدار الصدر فوق البوابة العاملة للمساعدة في الاحتفاظ بالمياه وتقليل حجم البوابة بشكل كبير.
يمكن أيضًا تحويل جدار الثدي إلى نوع متحرك، وعند مواجهة فيضانات كارثية، يمكن فتح جدار الثدي لزيادة تدفق التفريغ.
الصفيحة السفلية هي أساس الحجرة، وتُستخدم لنقل وزن وحمل الهيكل العلوي للحجرة إلى الأساس. الحجرة المبنية على أساس ناعم تُثبّت بشكل أساسي بفضل الاحتكاك بين الصفيحة السفلية والأساس، كما أنها مضادة للتسرب والتآكل.
يتم استخدام جسور العمل وجسور المرور لتثبيت معدات الرفع وتشغيل البوابات وربط حركة المرور عبر المضيق.
قسم الاتصال باتجاه مجرى النهر: يستخدم لإزالة الطاقة المتبقية من تدفق المياه التي تمر عبر البوابة، وتوجيه الانتشار المنتظم لتدفق المياه خارج البوابة، وضبط توزيع سرعة التدفق وإبطاء سرعة التدفق، ومنع التآكل باتجاه مجرى النهر بعد تدفق المياه خارج البوابة.
بشكل عام، يشمل حوض التهدئة، والمئزر، والمئزر، وقناة مقاومة للتآكل في اتجاه مجرى النهر، وجدران الجناح في اتجاه مجرى النهر، وحماية المنحدر على كلا الجانبين.
وقت النشر: ٢١ نوفمبر ٢٠٢٣