בנייה וסיווג: תחנות כוח הידרואלקטריות, סכרים, סכרים, תחנות שאיבה

1. צורת פריסה של תחנות כוח הידרואלקטריות
צורות הפריסה האופייניות של תחנות כוח הידרואלקטריות כוללות בעיקר תחנות כוח הידרואלקטריות מסוג סכר, תחנות כוח הידרואלקטריות מסוג אפיק נהר ותחנות כוח הידרואלקטריות מסוג הסחה.
תחנת כוח הידרואלקטרית מסוג סכר: המשתמשת במטח להעלאת מפלס המים בנהר, על מנת לרכז את מפלס המים. תחנת הכוח נבנית לרוב בקניונים הרריים גבוהים בחלקים האמצעיים והעליונים של נהרות, ובדרך כלל היא תחנת כוח הידרואלקטרית בעלת מפלס מים בינוני עד גבוה. שיטת הפריסה הנפוצה ביותר היא תחנת כוח הידרואלקטרית הממוקמת במורד הזרם של סכר התמך ליד אתר הסכר, שהיא תחנת כוח הידרואלקטרית מאחורי הסכר.
תחנת כוח הידרואלקטרית מסוג אפיק נהר: תחנת כוח הידרואלקטרית שבה תחנת הכוח, שער אגירת המים והסכר מסודרים בשורה על אפיק הנהר כדי לאגור מים יחד. תחנת כוח הידרואלקטרית, הנבנית לרוב בחלקים האמצעיים והתחתונים של נהרות, היא בדרך כלל תחנת כוח הידרואלקטרית בעלת זרימה גבוהה ומפלס נמוך.
תחנת כוח הידרואלקטרית מסוג הסחה: תחנת כוח הידרואלקטרית המשתמשת בתעלת הסחה כדי לרכז את מפל המים של קטע נהר ליצירת ראש ייצור חשמל. היא נבנית לעתים קרובות בחלקים האמצעיים והעליונים של נהרות בעלי זרימה נמוכה ושיפוע אורכי גדול של הנהר.

2. הרכב מבני מרכז הידרואלקטרי
המבנים העיקריים של פרויקט מרכז תחנת הכוח ההידרואלקטרית כוללים: מבני אחסון מים, מבני פריקה, מבני כניסה, מבני הטיה ותעלת גז, מבני מים ישרים, מבני ייצור, טרנספורמציה וחלוקת חשמל ועוד.
1. מבני אגירת מים: מבני אגירת מים משמשים ליירט נהרות, ריכוז טיפות מים ויצירת מאגרים, כגון סכרים, שערים וכו'.
2. מבני שחרור מים: מבני שחרור מים משמשים לשחרור שיטפונות, או לשחרור מים לשימוש במורד הזרם, או לשחרור מים להורדת מפלס המים של מאגרים, כגון תעלת שפכים, מנהרת שפכים, מוצא תחתון וכו'.
3. מבנה יניקת מים של תחנת כוח הידרואלקטרית: מבנה יניקת המים של תחנת כוח הידרואלקטרית משמש להכנסת מים לתעלת ההטיה, כגון כניסה עמוקה ורדודה עם לחץ או כניסה פתוחה ללא לחץ.
4. מבני הטיית מים ותעלות זנב של תחנות כוח הידרואלקטריות: מבני הטיית מים של תחנות כוח הידרואלקטריות משמשים להובלת מי ייצור חשמל מהמאגר ליחידת גנרטור הטורבינה; מבנה המים הזנביים משמש לפריקת המים המשמשים לייצור חשמל אל ערוץ הנהר במורד הזרם. מבנים נפוצים כוללים תעלות, מנהרות, צינורות לחץ וכו', כמו גם מבנים צולבים כגון אמות מים, תעלות, סיפון הפוך וכו'.
5. מבני מים שטוחים הידרואלקטריים: מבני מים שטוחים הידרואלקטריים משמשים לייצוב שינויים בזרימה ובלחץ (עומק מים) הנגרמים משינויים בעומס של תחנת הכוח ההידרואלקטרית במבני ההטיה או המים הזמניים, כגון תא הנחשולים בתעלת ההטיה הלחץ ומפרץ הלחץ הקדמי בקצה תעלת ההטיה שאינה בלחץ.
6. מבני ייצור, טרנספורמציה וחלוקת חשמל: כולל תחנת הכוח הראשית (כולל אתר ההתקנה) להתקנת יחידות גנרטור טורבינות הידראוליות ובקרתן, ציוד עזר תחנת כוח עזר, חצר שנאים להתקנת שנאים, ומתגי מתח גבוה להתקנת התקני חלוקת מתח גבוה.
7. מבנים אחרים: כגון ספינות, עצים, דגים, חסימת חול, שטיפת חול וכו'.

סיווג נפוץ של סכרים
סכר מתייחס לסכר החוסם נהרות וחוסם מים, כמו גם סכר החוסם מים במאגרים, נהרות וכו'. על פי קריטריוני סיווג שונים, יכולות להיות שיטות סיווג שונות. הנדסה מחולקת בעיקר לסוגים הבאים:
1. סכר הכבידה
סכר כבידה הוא סכר הבנוי מחומרים כמו בטון או אבן, אשר מסתמך בעיקר על המשקל העצמי של גוף הסכר כדי לשמור על יציבות.
עקרון הפעולה של סכרי כבידה
תחת פעולת לחץ מים ועומסים אחרים, סכרי כבידה מסתמכים בעיקר על כוח נגד החלקה שנוצר ממשקל הסכר עצמו כדי לעמוד בדרישות היציבות; במקביל, מאמץ הדחיסה שנוצר ממשקלו העצמי של גוף הסכר משמש לקיזוז מאמץ המתיחה הנגרם מלחץ המים, על מנת לעמוד בדרישות החוזק. הפרופיל הבסיסי של סכר כבידה הוא משולש. במישור, ציר הסכר הוא בדרך כלל ישר, ולפעמים, על מנת להסתגל לתנאי השטח, לתנאים גיאולוגיים, או כדי לעמוד בדרישות של סידור הציר, ניתן גם לסדר אותו כקו שבור או קשת עם עקמומיות קטנה לכיוון הזרם.
יתרונות סכרי כבידה
(1) הפונקציה המבנית ברורה, שיטת התכנון פשוטה, והיא בטוחה ואמינה. על פי נתונים סטטיסטיים, שיעור הכשל של סכרי כבידה נמוך יחסית בין סוגים שונים של סכרים.
(2) יכולת הסתגלות חזקה לתנאי שטח וגיאולוגיה. ניתן לבנות סכרי כבידה בכל צורה של עמק נהר.
(3) בעיית פריקת ההצפות במרכז קלה לפתרון. ניתן להפוך סכרי כבידה למבני הצפה, או להקים חורי ניקוז בגבהים שונים של גוף הסכר. באופן כללי, אין צורך להתקין תעלת שפיכה או מנהרת ניקוז נוספת, ותצורת המרכזית קומפקטית.
(4) נוח להסטת מים בבנייה. במהלך תקופת הבנייה, ניתן להשתמש בגוף הסכר להסטה, ובדרך כלל אין צורך במנהרת הסחה נוספת.
(5) בנייה נוחה.

חסרונות של סכרי כבידה
(1) גודל החתך של גוף הסכר גדול, ויש כמות גדולה של חומר בשימוש.
(2) המאמץ של גוף הסכר נמוך, ולא ניתן לנצל את חוזק החומר במלואו.
(3) שטח המגע הגדול בין גוף הסכר ליסודות גורם ללחץ הרמה גבוה בתחתית הסכר, דבר שאינו שלילי ליציבות.
(4) נפח גוף הסכר גדול, ובשל חום ההידרציה והתכווצות הבטון במהלך תקופת הבנייה, ייווצרו מאמצי טמפרטורה והתכווצות קשים. לכן נדרשים אמצעי בקרת טמפרטורה קפדניים בעת יציקת בטון.

2. סכר הקשת
סכר קשת הוא מבנה קליפה מרחבי המקובע לסלע האם, ויוצר צורת קשת קמורה במישור לכיוון הזרם, ופרופיל כתר הקשת שלו מציג צורת עקומה אנכית או קמורה לכיוון הזרם.
עקרון הפעולה של סכרי קשת
למבנה של סכר קשת יש גם השפעות של קשת וגם של קורת קרקע, והעומס שהוא נושא נדחס חלקית לכיוון שתי הגדות באמצעות פעולת הקשת, בעוד שהחלק השני מועבר לסלע האם בתחתית הסכר באמצעות פעולת קורות אנכיות.

מאפייני סכרי קשת
(1) מאפייני יציבות. יציבותם של סכרי קשת מסתמכת בעיקר על כוח התגובה בקצות הקשת משני הצדדים, בניגוד לסכרי כבידה המסתמכים על משקל עצמי כדי לשמור על יציבות. לכן, לסכרי קשת יש דרישות גבוהות לגבי תנאי השטח והגיאולוגיה של אתר הסכר, כמו גם דרישות מחמירות לטיפול ביסודות.
(2) מאפיינים מבניים. סכרי קשת שייכים למבנים מסדר גבוה שאינם מוגדרים סטטית, בעלי קיבולת עומס יתר חזקה ובטיחות גבוהה. כאשר עומסים חיצוניים גוברים או חלק מהסכר חווה סדקים מקומיים, פעולות הקשת והקורה של גוף הסכר יתאימו את עצמן, מה שיגרום לפיזור מחדש של מאמצים בגוף הסכר. סכר הקשת הוא מבנה מרחבי כולל, בעל גוף קל משקל וגמיש. שיטות הנדסיות הראו כי גם עמידותו הסייסמית חזקה. בנוסף, מכיוון שקשת היא מבנה דחף הנושא בעיקר לחץ צירי, מומנט הכיפוף בתוך הקשת קטן יחסית, ופיזור המאמצים אחיד יחסית, דבר התורם להפעלת חוזק החומר. מנקודת מבט כלכלית, סכרי קשת הם סוג סכר עדיף מאוד.
(3) מאפייני עומס. לגוף סכר הקשת אין מפרקי התפשטות קבועים, ושינויי טמפרטורה ועיוות סלע האם משפיעים באופן משמעותי על המאמץ של גוף הסכר. בעת התכנון, יש צורך לקחת בחשבון את עיוות הסלע האם ולכלול את הטמפרטורה כעומס עיקרי.
בשל הפרופיל הדק והצורה הגיאומטרית המורכבת של סכר הקשת, איכות הבנייה, חוזק חומר הסכר ודרישות מניעת חלחול מחמירות יותר מאלה של סכרי כבידה.

3. סכר אדמה-סלע
סכרי סלע עפר מתייחסים לסכרים העשויים מחומרים מקומיים כמו אדמה ואבן, והם סוג הסכר העתיק ביותר בהיסטוריה. סכרי סלע עפר הם סוג בניית הסכרים הנפוץ ביותר והמתפתח ביותר בעולם.
הסיבות ליישום ופיתוח נרחבים של סכרי סלע עפר
(1) ניתן להשיג חומרים באופן מקומי ובסביבה, ובכך לחסוך כמות גדולה של מלט, עץ ופלדה, ולהפחית את נפח ההובלה החיצוני באתר הבנייה. כמעט כל חומר אדמה ואבן יכול לשמש לבניית סכרים.
(2) יכולת הסתגלות לתנאי שטח, גיאולוגיה ואקלים שונים. במיוחד באקלים קשה, תנאים גיאולוגיים הנדסיים מורכבים ואזורים עם רעידות אדמה בעוצמה גבוהה, סכרי סלע עפר הם למעשה סוג הסכר האפשרי היחיד.
(3) פיתוחן של מכונות בנייה בעלות קיבולת גדולה, רב-תכליתיות ויעילות גבוהה הגדיל את צפיפות הדחיסה של סכרי סלע עפר, צמצם את חתך הרוחב של סכרי סלע עפר, האיץ את התקדמות הבנייה, הפחית עלויות וקידם את פיתוח בניית סכרי סלע עפר גבוהים.
(4) הודות לפיתוח תורת המכניקה הגיאוטכנית, שיטות ניסיוניות וטכניקות חישוביות, שופרה רמת הניתוח והחישוב, הואצה התקדמות התכנון, והבטיחות והאמינות של תכנון הסכרים הובטחו עוד יותר.
(5) הפיתוח המקיף של טכנולוגיית תכנון ובנייה לתמיכה בפרויקטים הנדסיים כגון שיפועים גבוהים, מבני הנדסה תת-קרקעיים, ופיזור אנרגיה של זרימת מים במהירות גבוהה ומניעת סחף של סכרי סלע עפר מילא גם הוא תפקיד חשוב בקידום האצת הבנייה והקידום של סכרי סלע עפר.

4. סכר מילוי סלעים
סכר מילוי סלעים מתייחס בדרך כלל לסוג של סכר שנבנה באמצעות שיטות כגון זרקה, מילוי וגלגול של חומרי אבן. מכיוון שמילוי הסלע חדיר, יש צורך להשתמש בחומרים כגון אדמה, בטון או אספלט כחומרים אטומים.
מאפייני סכרי מילוי סלעים
(1) מאפיינים מבניים. צפיפות מילוי הסלעים הדחוסים גבוהה, חוזק הגזירה גבוה, וניתן להפוך את שיפוע הסכר לתלול יחסית. זה לא רק חוסך את כמות המילוי של הסכר, אלא גם מקטין את רוחב תחתית הסכר. ניתן לצמצם בהתאם את אורך מבני הולכת המים והפריקה, ופריסה של המרכז היא קומפקטית, מה שמפחית עוד יותר את כמות ההנדסה.
(2) מאפייני בנייה. בהתאם למצב המאמץ של כל חלק בגוף הסכר, ניתן לחלק את גוף מילוי הסלעים לאזורים שונים, ולעמוד בדרישות שונות לחומרי האבן ולקומפקטיות של כל אזור. ניתן ליישם את חומרי האבן שנחפרו במהלך בניית מבני הניקוז במרכז באופן מלא וסביר, מה שמפחית את העלות. בניית סכרי מילוי סלעים עם חזית בטון מושפעת פחות מתנאי אקלים כמו עונת הגשמים וקור קשה, וניתן לבצע אותה בצורה יחסית מאוזנת ונורמלית.
(3) מאפייני תפעול ותחזוקה. עיוות השיקוע של מילוי הסלע הדחוס קטן מאוד.

תחנת שאיבה
1. רכיבים בסיסיים של הנדסת תחנות שאיבה
פרויקט תחנת השאיבה מורכב בעיקר מחדרי משאבות, צינורות, מבני כניסה ויציאה של מים ותחנות משנה, כפי שמוצג באיור. יחידה המורכבת ממשאבת מים, התקן תמסורת ויחידת כוח מותקנת בחדר המשאבות, כמו גם ציוד עזר וציוד חשמלי. מבני כניסה ויציאה של המים העיקריים כוללים מתקני יניקת והסטת מים, כמו גם בריכות כניסה ויציאה (או מגדלי מים).
צינורות תחנת השאיבה כוללים צינורות כניסה ויציאה. צינור הכניסה מחבר את מקור המים לפתח הכניסה של משאבת המים, בעוד שצינור היציאה הוא צינור המחבר את פתח היציאה של משאבת המים לקצה היציאה.
לאחר הפעלת תחנת השאיבה, זרימת המים יכולה להיכנס למשאבת המים דרך מבנה הכניסה וצינור הכניסה. לאחר הפעלת לחץ על ידי משאבת המים, זרימת המים תישלח לבריכת מוצא (או מגדל מים) או לרשת צינורות, ובכך להשיג את מטרת הרמה או הובלת מים.

2. פריסת רכזת תחנת המשאבה
סידור המרכז של הנדסת תחנות שאיבה נועד לשקול באופן מקיף תנאים ודרישות שונים, לקבוע את סוגי המבנים, לארגן באופן סביר את מיקומם היחסי ולטפל ביחסי הגומלין ביניהם. סידור המרכז נלקח בחשבון בעיקר על סמך המשימות שמבצעת תחנת השאיבה. לתחנות שאיבה שונות צריכים להיות סידורים שונים לעבודותיהן העיקריות, כגון חדרי משאבות, צינורות כניסה ויציאה, ומבני כניסה ויציאה.
מבני עזר תואמים כגון תעלות ושערי בקרה צריכים להיות תואמים לפרויקט הראשי. בנוסף, בהתחשב בדרישות לניצול מקיף, אם ישנן דרישות לכבישים, ספנות ומעבר דגים בתוך אזור התחנה, יש לשקול את הקשר בין פריסת גשרי הכביש, מנעולי הספינות, נתיבי הדגים וכו' לבין הפרויקט הראשי.
בהתאם למשימות השונות שמבצעות תחנות שאיבה, פריסת מרכזי תחנות השאיבה כוללת בדרך כלל מספר צורות אופייניות, כגון תחנות שאיבה להשקיה, תחנות שאיבה לניקוז ותחנות משולבות להשקיה בניקוז.

שער מים הוא מבנה הידראולי בעל משטח נמוך המשתמש בשערים כדי לשמר מים ולשלוט בספיקה. הוא נבנה לעתים קרובות על גדות נהרות, תעלות, מאגרים ואגמים.
1. סיווג של שערי מים נפוצים
סיווג לפי משימות שבוצעו על ידי שערי מים
1. שער בקרה: בנוי על נהר או ערוץ כדי לחסום שיטפונות, לווסת את מפלסי המים או לשלוט בזרימת הפליטה. שער הבקרה הממוקם על ערוץ הנהר ידוע גם כשער חסימת נהר.
2. שער כניסה: בנוי על גדת נהר, מאגר או אגם כדי לשלוט בזרימת המים. שער הכניסה ידוע גם כשער כניסה או שער ראש התעלה.
3. שער להטיית שיטפונות: לרוב נבנה בצד אחד של נהר, ומשמש לפריקת שיטפונות שחורגים מקיבולת הפליטה הבטוחה של הנהר במורד הזרם אל אזור הטיית השיטפונות (אזור אחסון או עצירה של שיטפונות) או אל תעלת השפכים. שער ההטיית השיטפונות עובר דרך המים בשני הכיוונים, ולאחר השיטפון, המים נאחסנים ומשוחררים מכאן אל ערוץ הנהר.
4. שער ניקוז: נבנה לעתים קרובות לאורך גדות נהרות כדי להסיר ספיגת מים המזיקה לגידולים בפנים הארץ או באזורים נמוכים. שער הניקוז הוא גם דו-כיווני. כאשר מפלס המים של הנהר גבוה מזה של האגם הפנימי או השקע, שער הניקוז חוסם בעיקר מים כדי למנוע מהנהר להציף אדמות חקלאיות או מבני מגורים; כאשר מפלס המים של הנהר נמוך מזה של האגם הפנימי או השקע, שער הניקוז משמש בעיקר לספיגת מים וניקוז.
5. שער גאות ושפל: נבנה ליד שפך הים, נסגר בזמן גאות גבוהה כדי למנוע ממי הים לזרום חזרה; פתיחת השער לשחרור מים בשפל מאפיינת חסימת מים דו-כיוונית. שערי גאות ושפל דומים לשערי ניקוז, אך הם מופעלים בתדירות גבוהה יותר. כאשר הגאות בים החיצוני גבוהה מזו בנהר הפנימי, יש לסגור את השער כדי למנוע ממי הים לזרום חזרה לנהר הפנימי; כאשר הגאות בים הפתוח נמוכה ממי הנהר בים הפנימי, יש לפתוח את השער כדי לשחרר מים.
6. שער שטיפת חול (שער פריקת חול): בנוי על זרימת נהר בוצית, הוא משמש לפריקת משקעים שהושקעו מול שער הכניסה, שער הבקרה או מערכת התעלות.
7. בנוסף, ישנם שערי פריקה של קרח ושערי ביוב המותקנים להסרת גושי קרח, חפצים צפים וכו'.

על פי הצורה המבנית של תא השער, ניתן לחלק אותו לסוג פתוח, סוג קיר חזה וסוג תעלה וכו'.
1. סוג פתוח: פני השטח של זרימת המים דרך השער אינם חסומים, וקיבולת הפריקה גדולה.
2. סוג קיר חזה: יש קיר חזה מעל השער, שיכול להפחית את הכוח על השער במהלך חסימת מים ולהגדיל את משרעת חסימת המים.
3. סוג תעלה: לפני השער, יש גוף מנהרה בלחץ או ללא לחץ, וחלקו העליון של המנהרה מכוסה באדמת מילוי. משמש בעיקר לשערי מים קטנים.

לפי גודל זרימת השער, ניתן לחלק אותה לשלוש צורות: גדולה, בינונית וקטה.
שערי מים גדולים עם קצב זרימה של מעל 1000 מ"ק/שנייה;
שער מים בגודל בינוני עם קיבולת של 100-1000 מ"ק/שנייה;
סכרים קטנים בעלי קיבולת של פחות מ-100 מ"ק/שנייה.

2. הרכב שערי מים
שער המים כולל בעיקר שלושה חלקים: מקטע חיבור במעלה הזרם, תא השער ומקטע חיבור במורד הזרם,
מקטע חיבור במעלה הזרם: מקטע החיבור במעלה הזרם משמש להכוונת זרימת מים בצורה חלקה אל תא השער, להגנת הגדות ואפיק הנהר מפני סחף, ויחד עם התא, יצירת קו מתאר תת-קרקעי נגד חלחול כדי להבטיח את יציבותן של הגדות ויסודות השער מפני חלחול. באופן כללי, הוא כולל קירות כנף במעלה הזרם, מצעים, חריצים נגד סחף במעלה הזרם והגנה על המדרון משני הצדדים.
תא השער: זהו החלק העיקרי של שער המים, ותפקידו לשלוט על מפלס המים וזרימתם, וכן למנוע חלחול וסחף.
מבנה מקטע תא השער כולל: שער, עמוד שער, עמוד צד (קיר חוף), לוח תחתון, קיר חזה, גשר עבודה, גשר תנועה, מנוף וכו'.
השער משמש לשליטה על הזרימה דרך השער; השער ממוקם על הלוח התחתון של השער, משתרע על פני הפתח ונתמך על ידי עמוד השער. השער מחולק לשער תחזוקה ושער שירות.
שער העבודה משמש לחסימת מים במהלך פעולה רגילה ולשליטה על זרימת הפריקה;
שער התחזוקה משמש לאגירת מים זמנית במהלך תחזוקה.
עמוד השער משמש להפרדת חור המפרץ ולתמוך בשער, בקיר החזה, בגשר העבודה וגשר התנועה.
עמוד השער מעביר את לחץ המים המופעל על ידי השער, דופן החזה ואת יכולת אחסון המים של עמוד השער עצמו אל הלוח התחתון;
קיר החזה מותקן מעל שער העבודה כדי לסייע באגירת מים ולהקטין משמעותית את גודל השער.
ניתן גם להפוך את קיר החזה לסוג נייד, וכאשר נתקלים בשיטפונות קטסטרופליים, ניתן לפתוח את קיר החזה כדי להגביר את זרימת הפריקה.
הפלטה התחתונה היא הבסיס של התא, המשמשת להעברת המשקל והעומס של המבנה העליון של התא אל היסודות. התא הבנוי על בסיס רך מיוצב בעיקר על ידי החיכוך בין הפלטה התחתונה ליסודות, ולפלטה התחתונה יש גם פונקציות של מניעת חלחול ומניעת גירוד.
גשרי עבודה וגשרי תנועה משמשים להתקנת ציוד הרמה, הפעלת שערים וחיבור תנועה חוצת מיצרים.

מקטע חיבור במורד הזרם: משמש לביטול האנרגיה הנותרת של זרימת המים העוברת דרך השער, לכיוון דיפוזיה אחידה של זרימת המים אל מחוץ לשער, לכוונון התפלגות מהירות הזרימה ולהאטת מהירות הזרימה, ולמניעת סחף במורד הזרם לאחר זרימת המים אל מחוץ לשער.
באופן כללי, זה כולל בריכת השתקה, סינר, סינר, תעלה נגד סחיטה במורד הזרם, קירות כנף במורד הזרם והגנה על מדרון משני הצדדים.