Гидротехнические сооружения [2изд.] 9854756572, 978-985-475-657-8

Citation preview

М.В. Нестеров

гидротехнические сооружения 2-е издание, исправленное и дополненное

Утверждено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебника для студентов учреждений высшего образования по специальности «Мелиорация и водное хозяйство»



Минск «Новое знание»

Москва «ИНФРАМ» 2014

УДК 626.8(075.8) ББК 38.77я38 Н56 Р е ц е н з е н т ы: кафедра гидротехнического и энергетического строительства Белорусского национального технического университета; зав. кафедрой сельскохозяйственных гидротехнических мелиораций Брестского государственного технического университета, кандидат технических наук, доцент Н.Н. Водчиц

Н56

Нестеров, М.В. Гидротехнические сооружения : учебник / М.В. Нестеров. — 2-е изд., испр. и доп. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2014. — 600 с. : ил. — (Высшее образование). ISBN 978-985-475-657-8. Рассмотрены конструкции и методы расчета речных и внутрисистемных гидротехнических сооружений. Приведены примеры расчетов. При освещении всех разделов курса широко использованы действующие нормативные документы. Учтены наиболее важные достижения в области мелиоративной гидротехнической науки за последние годы. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Мелиорация и водное хозяйство». Может быть полезен учащимся средних специальных учебных заведений, а также специалистам, занимающимся проектированием, строительством и эксплуатацией гидротехнических сооружений. УДК 626.8(075.8) ББК 38.77я38 Учебное издание

Высшее образование

Нестеров Михаил Васильевич

гидротехнические сооружения Учебник Подписано в печать 02.06.2014. Формат 60×90 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Петербург. Печать офсетная. Усл. печ. л. 37,5. Уч.‑изд. л. 31,1. Тираж 400 экз. Заказ № Общество с ограниченной ответственностью «Новое знание». Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/276 от 04.04.2014. Пр. Пушкина, д. 15, ком. 16, Минск, Республика Беларусь. Почтовый адрес: а/я 79, 220050, Минск, Республика Беларусь. Телефон/факс: (10-375-17) 211-50-38 E-mail: [email protected]   http://wnk.biz Отпечатано в ООО «Бизнесофсет». Свидетельство о ГРИИРПИ № 2/28 от 12.12.2013. Пр. Независимости, 95/7-3, 220043, Минск. Тел./факс: (017) 280-13-80.   E-mail: [email protected]

ISBN 978-985-475-657-8

©©Нестеров М.В., 2014 ©©Нестеров М.В., 2014, с изменениями ©©ООО «Новое знание», 2014

Оглавление Предисловие.............................................................................................................. 9 Введение................................................................................................................... 11 1. Значение воды в жизни человека............................................................... 11 2. Водные ресурсы России и Беларуси, водное хозяйство и его отрасли...................................................................................................... 12 3. Краткие исторические сведения о гидротехническом строительстве и перспективы его развития............................................ 19 Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях........... 27 1.1. Классификация гидротехнических сооружений................................ 27 1.2. Особенности и условия работы гидротехнических . сооружений....................................................................................................... 31 1.3. Методы проектирования гидротехнических сооружений.............. 35 Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений и в обход их............................................................................................................. 38 2.1. Общие сведения о фильтрации................................................................ 38 2.1.1. Фильтрационный поток в основании сооружений............... 38 2.1.2. Составные части флютбета и силы, действующие . на него.................................................................................................... 43 2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов...................................... 49 2.2.1. Понятие о фильтрационных расчетах........................................ 49 2.2.2. Определение минимальной допустимой длины подземного контура........................................................................... 51 2.2.3. Расчеты по гидродинамической сетке....................................... 53 2.2.4. Расчет фильтрации методом коэффициентов сопротивления Р.Р. Чугаева........................................................... 60 2.2.5. Расчет фильтрации методом удлиненной контурной . линии...................................................................................................... 72 2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные . деформации...................................................................................................... 73 2.3.1. Роль дренажей и шпунтовых стенок в подземном . контуре................................................................................................... 73 2.3.2. Фильтрационные деформации..................................................... 84 2.4. Фильтрация воды в береговых примыканиях.................................... 97 2.4.1. Общие сведения................................................................................. 97 2.4.2. Фильтрационные расчеты.............................................................. 98

4

Оглавление

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них................101 3.1. Классификация гидротехнических сооружений............................................. 101

3.2. Каналы.............................................................................................................102 3.2.1. Общие сведения...............................................................................102 3.2.2. Гидравлический расчет каналов.................................................105 3.2.3. Расчет фильтрации из каналов...................................................121 3.2.4. Расчет устойчивости каналов.....................................................129 3.3. Водопроводящие сооружения.................................................................135 3.3.1. Общие сведения...............................................................................135 3.3.2. Акведуки.............................................................................................136 3.3.3. Дюкеры................................................................................................142 3.4. Водорегулирующие сооружения............................................................149 3.4.1. Общие сведения...............................................................................149 3.4.2. Открытые регуляторы (шлюзы-регуляторы).......................151 3.4.3. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы..........................................167 3.5. Трубчатые водорегулирующие сооружения......................................168 3.5.1. Общие сведения...............................................................................168 3.5.2. Режимы работы трубчатых сооружений.................................169 3.6. Сопрягающие сооружения.......................................................................173 3.6.1. Выбор типа сопрягающих сооружений...................................173 3.6.2. Перепады.............................................................................................176 3.6.3. Быстротоки........................................................................................182 3.6.4. Консольные перепады....................................................................187 Глава 4. Грунтовые плотины...........................................................................195 4.1. Плотины из грунтовых материалов и их классификация...........195 4.2. Выбор типа плотины..................................................................................198 4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин...................208 4.4. Крепление откосов......................................................................................222 4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин...............................................235 4.6. Фильтрационные расчеты плотин.........................................................243 4.6.1. Общие сведения и задачи фильтрационных . расчетов...............................................................................................243 4.6.2. Допущения при расчетах и расчетные схемы.......................245 4.6.3. Расчет положения депрессионной кривой и фильтрационного расхода.........................................................247 4.6.4. Расчет фильтрационной прочности плотин . и их оснований..................................................................................269 4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин............................272 4.7.1. Общие сведения...............................................................................272

Оглавление

5

4.7.2. Расчет устойчивости откосов по круглоцилиндрической поверхности скольжения..............................................................275 4.7.3. Расчет устойчивости экрана........................................................283 4.8. Расчеты осадок тела и основания плотины.......................................283 4.8.1. Напряженное состояние грунта.................................................283 4.8.2. Учет осадок в грунтовых плотинах...........................................284 4.8.3. Расчет осадок.....................................................................................285 4.8.4. Приближенная оценка вертикальных деформаций гребня плотины................................................................................287 Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов....................................................................................288 5.1. Назначение и классификация водопропускных сооружений.....288 5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)..........................................289 5.2.1. Общие сведения...............................................................................289 5.2.2. Открытые регулируемые береговые поверхностные водосбросы..........................................................293 5.2.3. Открытые нерегулируемые (автоматические) береговые водосбросы....................................................................306 5.2.4. Закрытые автоматические водосбросы...................................317 5.2.5. Общие положения проектирования водосбросных сооружений...........................................................337 5.3. Водозаборные сооружения.......................................................................343 5.3.1. Общие сведения...............................................................................343 5.3.2. Типы водозаборов............................................................................345 5.3.3. Гидравлические расчеты водозаборов......................................351 5.4. Водоспускные сооружения......................................................................356 5.4.1. Общие сведения...............................................................................356 5.4.2. Типы водоспусков............................................................................357 5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины.....................375 5.5.1. Назначение и особенности водосливных плотин................375 5.5.2. Классификация водосливных плотин.....................................378 5.5.3. Составные части и элементы водосливных плотин...........379 5.5.4. Гидравлический расчет водосливных плотин.......................391 Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений................................399 6.1. Общие сведения о механическом оборудовании гидротехнических сооружений...............................................................399 6.2. Классификация затворов..........................................................................400

6

Оглавление

6.3. Действующие силы и общие условия работы затворов................402 6.4. Виды поверхностных затворов...............................................................406 6.5. Виды глубинных затворов........................................................................417 6.6. Плоские затворы..........................................................................................420 6.6.1. Простейшие затворы......................................................................420 6.6.2. Плоские ригельные затворы........................................................424 6.6.3. Противофильтрационные уплотнения....................................430 6.6.4. Сила тяжести затворов и определение усилий для маневрирования ими..............................................................433 6.7. Сегментные затворы водосливных отверстий..................................436 6.7.1. Общие сведения о сегментных затворах и условиях их применения..................................................................................436 6.7.2. Составные части затвора..............................................................436 6.7.3. Расположение осей вращения сегментного затвора...........439 6.7.4. Подъемное усилие сегментного затвора.................................441 6.8. Затворы-автоматы мелиоративных сооружений.............................444 Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники..............................454 7.1. Назначение и классификация водозаборных сооружений..........454 7.2. Бесплотинные водозаборы.......................................................................456 7.3. Плотинные водозаборы.............................................................................459 7.4. Назначение и общая классификация отстойников........................463 7.5. Определение основных размеров отстойников................................469 7.6. Биоинженерные сооружения на каналах............................................473 Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий, водной эрозией почв, оврагообразованием..................481 8.1. Общие сведения...........................................................................................481 8.2. Движение наносов в реках и каналах..................................................483 8.3. Формирование русел и основные направления воздействия на эрозионные процессы...........................................................................486 8.4. Методы регулирования русел.................................................................491 8.5. Регуляционные сооружения....................................................................497 Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта.........503 9.1. Классификация водных путей................................................................503 9.2. Судоходные каналы....................................................................................505 9.3. Судоходные шлюзы....................................................................................507 9.4. Судоподъемники..........................................................................................512 9.5. Лесопропускные сооружения..................................................................513

Оглавление

7

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения...................516 10.1. Типы и системы прудовых рыбоводных хозяйств........................516 10.2. Рыбопитомники карповых хозяйств..................................................517 10.3. Система водоснабжения рыбоводных прудов и сооружений на ней................................................................................520 10.4. Рыбозащитные устройства и рыбозаградительные . сооружения..................................................................................................527 10.4.1. Рыбозащитные устройства.......................................................527 10.4.2. Рыбозаградительные сооружения..........................................528 10.5. Сооружения рыбосборно-осушительной системы........................532 10.5.1. Рыбосборно-осушительные каналы......................................532 10.5.2. Сбросные каналы.........................................................................533 10.5.3. Донные водоспуски.....................................................................534 10.5.4. Рыбоуловители.............................................................................535 10.6. Рыбопропускные сооружения..............................................................538 10.6.1. Назначение и типы рыбопропускных сооружений, предъявляемые к ним требования.............................................. 538 10.6.2. Рыбоходы........................................................................................540 10.6.3. Угреходы..........................................................................................544 10.6.4. Рыбоподъемники..........................................................................545 10.7. Перспективы развития прудового рыбоводства............................546 Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища................................................................................................551 11.1. Гидроузлы и гидросистемы....................................................................551 11.1.1. Общие сведения о речных гидроузлах.................................551 11.1.2. Основные требования к компоновке гидроузлов............554 11.2. Пруды.............................................................................................................557 11.2.1. Общая классификация водоемов...........................................557 11.2.2. Характеристика водоемов.........................................................558 11.2.3. Пруды Республики Беларусь..................................................561 11.3. Водохранилища..........................................................................................564 11.3.1. Общие сведения о водохранилищах Республики Беларусь.................................................................564 11.3.2. Изменение гидрологического режима и его воздействие на природные условия зоны водохранилища..................................................................565 11.3.3. Изменение природных условий вокруг . водохранилища.............................................................................569

8

Оглавление

11.3.4. Изменение природных условий в нижнем бьефе гидроузлов.....................................................573 11.3.5. Организация чаши водохранилищ и противомалярийные мероприятия....................................574 Глава 12. Развитие и исследование гидротехнических сооружений...........................................................................................................577 12.1. Виды исследований гидротехнических сооружений...................577 12.2. Лабораторное исследование гидротехнических сооружений....578 12.2.1. Общие сведения о лабораторных исследованиях............578 12.2.2. Гидравлические лабораторные исследования...................580 12.2.3. Статические исследования гидротехнических сооружений...............................................588 12.3. Натурные исследования гидротехнических сооружений..........589 Литература.............................................................................................................597

Предисловие Дисциплина «Гидротехнические сооружения» играет важнейшую роль в  подготовке будущего инженера по специальности «Мелиорация и  водное хозяйство», так как современные водохозяйственные и, в частности, мелиоративные системы должны быть насыщены достаточным количеством гидротехнических сооружений, а  управление водными ресурсами и  их использование в  тех или иных целях осуществляется посредством гидротехнических сооружений, эффективность и  надежность работы которых зависит во многом от качества разработки проектов. Гидротехнические сооружения  — это различные сооружения и  устройства, применяемые для использования водных ресурсов в  различных отраслях водного хозяйства, а  также сооружения, применяемые для борьбы с вредным действием воды. Вопросы гидротехнического строительства являются одним из  важнейших элементов в  общем комплексе водохозяйственных проблем. Изучение водных ресурсов, эффективное использование естественных и  искусственных водоемов и  водотоков для мелиоративного строительства, водоснабжения, рыборазведения составляют научную и  практическую основу гидротехники. Большую роль в формировании природного водного баланса играют экосистемы, созданные в результате мелиоративного и водохозяйственного строительства. Построенные водохозяйственные объекты  — это не только крупные мелиоративные системы и полносистемные рыбоводные хозяйства, но и аккумулирующие пруды и водохранилища, позволяющие срезать пик весенних и летне-осенних паводков и накопить сток для дальнейшего использования в различных отраслях водного хозяйства. Особо следует отметить, что современная мелиоративная система практически немыслима без строительства гидротехнических сооружений. Поэтому важно, чтобы в процессе обучения студент освоил современные и перспективные методы проектирования и расчета гидротехнических сооружений, обеспечивающих создание эффективно работающих мелиоративных систем, обеспечивающих надежное регулирование водно-воз­ душ­ного режима почв. В  учебнике рассмотрены широко известные и  сравнительно новые методы расчета, представлены наиболее распространенные конструктивные решения сооружений, а также примеры их компо-

10

Предисловие

новок в составе гидроузлов. Материал изложен на основе действующих нормативных документов и в соответствии с типовой учебной программой по дисциплине «Гидротехнические сооружения» для учреждения высшего образования по специальности 1‑74  05  01 «Мелиорация и водное хозяйство». Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам: заведующему кафедрой гидротехнического и  энергетического строительства Белорусского национального технического университета, кандидату технических наук, доценту Г.Г. Круглову и заведующему кафедрой сельскохозяйственных гидротехнических мелиораций Брестского Государственного технического университета, кандидату технических наук, доценту Н.Н.  Водчицу за внимательное прочтение и ценные советы по улучшению содержания учебника.

Введение

1. Значение воды в жизни человека Воду, драгоценный дар природы, академик А.Н.  Карпинский назвал живой кровью, которая создает жизнь там, где ее не было. Вода — основа развития земледелия, энергетики и рыбного хозяйства, без нее немыслим быт человека. Но всегда ли мы отдаем себе отчет в  том, что значит для нас вода  — жидкость без цвета, запаха и  вкуса? В сущности, в  повседневной жизни она почти ничего не стоит, но бывают моменты, когда за глоток воды мы готовы пожертвовать всем. Человеческий организм способен неделями обходиться без пищи, а  вот без воды  — только два-три дня. И вообще, в  нормальных условиях человек должен потреблять воды в два раза больше (по весу), чем пищи. Эта состоящая из водорода и  кислорода жидкость нужна не только для поддержания жизни человека. Без нее немыслима практически ни одна сфера производства. Вода участвует почти во всех технологических процессах, незаменима она и  в  сельском хозяйстве (на выращивание пшеницы для одной булки необходимы 200 л воды). Вода играла важнейшую роль в возникновении жизни на Земле. Основоположник учения о биосфере, выдающийся русский ученый, академик В.И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Не только земная поверхность, но и глубокие — в масштабах биосферы  — части планеты определяются, в  самых существенных своих проявлениях, ее существованием и ее свойствами». Вода является постоянным спутником и необходимым условием воспроизводства живого органического мира. Вода — это жизнь и благополучие. Количество и качество воды определяют устойчивое развитие любого государства, от них зависит уровень жизни и здоровье населения. Поэтому получение достаточного количества воды, пригодной для питья, удовлетворения культурно-бытовых и производственных

12

Введение

потребностей населения, волнует человечество на протяжении всего его существования. А  достаточно ли водных ресурсов для конкретной страны, зависит от численности населения, видов промышленного производства, специализации сельского хозяйства, повторного использования воды и других факторов.

2. Водные ресурсы России и Беларуси, водное хозяйство и его отрасли Наша планета богата водой — гидросфера Земли составляет приблизительно 1,5 млрд км3. Но из них более 96 % — это горько-со­ле­ ная вода морей и океанов, покрывающая почти 71 % всей поверхности планеты. На долю пресной воды приходится около 90 млн км3 (6 %), причем основной ее запас — это подземные «моря» и ледники. Ученые подсчитали, что природные льды содержат более 24 млн км3 воды  — объем стока всех рек Земли за 500 лет. Если попытаться равномерно распределить лед по поверхности Земли, то он покроет ее слоем толщиной 53 м. Однако добраться до этих запасов не так-то легко. Реки, озера и доступные для использования подземные воды составляют лишь 0,3 % мировых запасов свободной воды. Водные ресурсы Российской Федерации слагаются из запасов поверхностных (речной сток, озера, болота, ледники) и подземных вод. Объем речного стока, формирующегося на территории России, — 4043 км3/год, что в удельных показателях составляет 237 тыс. м3/год на 1  км2 территории и  27,8 тыс. м3/год на одного жителя. Дополнительный сток из сопредельных государств — 227 км3/год. Кроме крупных по территории России протекает около 2,5 млн малых рек, из которых для нужд населения и хозяйственных целей используется 127 тыс. Территориальная неравномерность, большая внутригодовая и  многолетняя изменчивость речного стока затрудняют обеспечение экономики необходимым количеством воды. Эта проблема решается за счет регулирования стока рек водохранилищ, суммарный объем которых составляет 793 км3 при площади зеркала 65 тыс. км2. В России насчитывается более 2,3 млн озер, статиче-

Введение

13

ские запасы воды в которых составляют 26 068 км3. Озера служат естественными регуляторами речного стока, обеспечивают защиту территории от затопления во время половодий и паводков, используются для целей водного транспорта, рыбного хозяйства, водоснабжения населения, промышленности и сельского хозяйства. Болота и заболоченные участки занимают свыше 10 % территории и в основном расположены на северо-западе и севере европейской части страны, а также в северных районах Западной Сибири. В болотах сосредоточено около 3,0 тыс. км3 статических и 1,0 тыс. км3 ежегодно возобновляемых запасов воды. Болота играют важную роль в  формировании гидрологического режима рек, регулируя продолжительность и высоту половодий и паводков. Основная масса ледников сосредоточена на арктических островах и  в  горных районах. Их гидрологическая роль заключается в  перераспределении стока атмосферных осадков внутри года и в сглаживании колебаний годовой водности рек. Для водохозяйственной практики особый интерес представляют ледники и снежники горных районов, определяющие водность горных рек. В ледниках сосредоточено 39 890 км3 чистой пресной воды, примерно 110 км3 формируется ежегодно. Подземные воды распространены по всей территории России и являются одним из основных источников питания рек. Большая их часть непосредственно связана  с речным стоком и  озерными котловинами. Объем естественных ресурсов подземных вод оценивается в 787 км3/год при статических запасах 28 тыс. км3. На территории России разведано более 3370 месторождений подземных вод, из которых эксплуатируется лишь 48 %. Эксплуатационные запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км3/год, степень их использования не превышает 33 %. Распределение водных ресурсов по территории страны отличается крайней неравномерностью. Основной их объем (около 80 %) приходится на зоны тундры и лесную, неблагоприятные для сельскохозяйственного производства по ресурсам тепла. Данные о запасах и суммарных водных ресурсах пресных вод России приведены в следующей таблице*.

*

Мелиоративная энциклопедия / сост. Б.С. Маслов. М., 2003.

14

Введение

Таблица Ресурсы

Речной сток*

Среднемноголетний . объем стока, км3/год

Статические запасы, км3

4270

—

Озера

532

26 068

Болота

1000

3 000

110

39 820

Ледники Подземные воды Всего

787

28 000

4915**

96 958

*  Включая 227 км 3/год речного стока, поступающего  с территории сопредельных государств; 674,5 км3/год подземного, дренируемого реками; 1000 км3/год болотного, дренируемого реками; 110 км3/год ледникового, питающего реки. **  В том числе речной сток (4270 км3/год), ежегодно возобновляемый приток в озера (532 км3/год) и эксплуатационные ресурсы подземных вод, не связанные с речным стоком (113 км3/год).

Водный фонд России и водохозяйственный комплекс, представленный совокупностью водохозяйственных систем и сооружений, имеют важнейшее значение для устойчивого развития экономики России и решения экологических, экономических и  социальных проблем. В  2020 г. в  России для хозяйственно-питьевого водоснабжения сельского населения намечено использовать 6,58 млн м3/сут. (2,4  км3/год) подземных вод, что составляет 85  % общего объема воды для хозяйственно-питьевых целей. В настоящее время фактическое водопотребление в агропромышленном комплексе России существенно ниже: на хозяйственно-питьевые нужды сельского населения — 27 %, орошение земель — 57 %, обводнение пастбищ — 22  %, потребности животноводства и  птицеводства  — 43  %. Обеспеченность водными ресурсами АПК России в целом составляет 51 % нормативной потребности. Значительное количество воды используется в системе прудового рыбного хозяйства. После 1990 г. объем водопотребления на эти нужды в целом по России сократился с 4,1 до 1,9 км3. К 2020 г. намечено повысить эффективность прудового рыбного хозяйства. Для этой цели планируется увеличить водопотребление ориентировочно до 5 км3.

Введение

15

Общая потребность АПК в водных ресурсах к 2020 г. составит 40 км3/год. Республика Беларусь по своим природным условиям имеет низкий уровень водообеспеченности (данные Республиканского экологического форума, г. Орша, 2003). Беларусь располагается в бассейне двух морей — Черного (58 % территории) и Балтийского (42 % территории). Главный водораздел проходит извилистой линией с северо-востока на юго-запад по Оршанской и  Минской возвышенностям и  дальше по северо-за­ пад­ной окраине Полесья. Всего на территории республики имеется более 20 тыс. рек общей длиной 90 тыс. км. На малые реки, длина которых не более 10  км, приходится 19,3 тыс. км, что составляет 96  % от всего их количества. Только 7 основных рек превышают длину 500 км. Средняя густота речной сети составляет 0,44 км на 1 км2 территории. Этот показатель постепенно понижается из-за спрямления и канализирования русел рек в бассейнах с интенсивным мелиоративным преобразованием территории, что особенно характерно для бассейна Припяти. Среднегодовая величина речного стока уменьшается в направлении  с севера на юг. Так, на севере республики модуль годового стока достигает 8 л/с  с 1 км2, а  на юге, в  бассейне Припяти,  — 4  л/с. В период весеннего половодья средний модуль стока для большинства рек составляет 10...20 л/с, а  в  бассейне Припяти  — 6...12 л/с с 1 км2. Водные ресурсы поверхностных вод республики приходятся на реки, озера, пруды и водохранилища и оцениваются в средний по водности год в 57,1 км3. Из этого объема с территории соседних государств поступает 20,7 км3. В многоводные годы транзитный и местный объем речного стока при 1%-ной обеспеченности может составлять 96 км3, а в особо маловодные при 95%-ной обеспеченности — снижаться до 39 км3. Удельная водообеспеченность составляет в  среднем для республики 175 тыс. м3 на 1 км2, при этом на юге она снижается до 130 тыс. м3, а на севере увеличивается до 200 тыс. м3 на 1 км2. На одного жителя в год приходится 4 тыс. м3 воды, формирующейся в пределах республики.

16

Введение

Наибольшая водообеспеченность отмечается на севере республики в  бассейнах Западной Двины, Немана и  верхней части бассейна Днепра. Здесь формируется более 70 % местного стока рек. Западная Двина и  Неман в  средний по водности год дают 14  км3 воды. Эти реки отличаются устойчивым и равномерным распределением стока по сезонам и  малой изменчивостью в  течение длительного времени. Велик в республике озерный фонд. Общее количество озер достигает 10 770  с суммарной площадью водного зеркала 2258  км2 и полным объемом вод 6 км3. Большая часть их сосредоточена на севере, в Белорусском Поозерье. Наибольшее распространение имеют малые озера  с площадью зеркала не выше 0,1  км2 каждое. На эту группу приходится 9429 озер, хотя суммарный объем вод в них не превышает 1,32 км3. Широко используются в народном хозяйстве крупные озера (Нарочь, Браславские и др.), особенно в рекреационных целях. Для водообеспечения хозяйства республики большое практическое значение имеют подземные воды. Расчеты ресурсов почвенной влаги в  метровом слое показали, что эти запасы составляют в  средний по водности год 51,7 км3. Общие ресурсы подземных вод, в  том числе и  слабоминерализованных, которые находятся в пределах зоны интенсивного водообмена, по оценкам гидрологов достигают 38...44 млн м3/сут., что составляет в год 14...16 км3. Значительная часть этих вод дренируется речной сетью и включается в  оценку ресурсов речных вод. В результате можно рассчитывать на использование примерно 4 км3 в  год пресных подземных вод, которые не дренируются реками в  пределах Беларуси или имеют весьма большие сроки водообмена с поверхностным стоком (несколько сотен лет). В результате устойчивая часть всех водных ресурсов оценивается следующим образом. При условии периодической сработки верхней части призмы крупных озер (в пределах 0,35...0,40 км3 в маловодные годы), а также за счет зарегулированного полезного объема в прудах и водохранилищах можно получить в год не более 1,6 км3 воды. Глубокие подземные воды и зарегулированные поверхностные воды представляют собой наиболее ценную и устойчивую часть водных ресурсов. Дополнительно  к ним для использования без каких-либо существенных мероприятий пригоден только межен-

Введение

17

ный речной сток, гарантированная величина которого  с 95%-ной обеспеченностью составляет в  расчете на наиболее напряженные летние месяцы 1 км3 воды. Следовательно, наиболее устойчивая часть водных ресурсов республики оценивается в 6,5 км3 воды в год. Эти ресурсы являются основой водообеспечения тех отраслей промышленности, которые предъявляют жесткие требования  к бесперебойности снабжения водой и стабильности их подачи (нефтеперерабатывающая, пищевая, целлюлозно-бумажная), а также в целях постоянного обеспечения питьевого водоснабжения населения. Отрасль народного хозяйства, в  задачи которой входят учет, изучение и комплексное использование поверхностных и подземных вод (включая охрану вод и  борьбу  с ущербом, причиняемым народному хозяйству наводнениями, а также вопросы водного права), называют водным хозяйством. Поверхностные водные ресурсы распределены по территории республики неравномерно, и  объемы воды в  них колеблются не только по годам, но и  по сезонам. В связи  с этим для их хозяйственного использования требуется сознательное вмешательство человека в естественные условия режима рек, что требует в большинстве случаев постройки ряда искусственных сооружений. Инженерные сооружения, с помощью которых осуществляется использование водных ресурсов и борьба с их вредным действием (наводнения, разрушения берегов и  т.п.), называют гидротехническими сооружениями. Наука, изучающая гидротехнические сооружения, устанавливающая методы их проектирования и  разрабатывающая приемы их постройки и эксплуатации, называется гидротехникой. Первая, основная задача гидротехники и гидротехнических сооружений заключается в том, чтобы существующий естественный режим водного объекта — реки, озера, моря, подземных вод — приспособить, изменить, преобразовать для целесообразного и экономичного водохозяйственного использования и  для защиты окружающей среды от вредного воздействия вод. Вторая задача гидротехники — создание искусственных водных потоков и водоемов, когда естественных вод недостаточно или они отсутствуют.

18

Введение

Третья задача, специальная  — создание установок или сооружений для специальных нужд отдельных видов водного хозяйства, например водопропускных сооружений, судоходных шлюзов, зданий гидроэлектростанций, насосных станций, рыбоводных систем и т.п. Водное хозяйство охватывает следующие основные направления (отрасли): ˆˆгидромелиорация  — использование воды для орошения земель, отвод избыточных поверхностных и подземных вод с территории (осушение), мероприятия по борьбе с подтоплением земель, эрозией почв и т.п.; ˆˆводоснабжение и очистка сточных вод — обеспечение населенных мест, промышленных и транспортных предприятий водой надлежащего качества и в необходимом количестве, а также очистка и отвод сточных и отработанных вод; ˆˆрыбное хозяйство — освоение водохранилищ, строительство и  реконструкция прудов и  водоемов специального назначения, пропуск рыбы через гидроузлы при помощи рыбопропускных сооружений; ˆˆгидроэнергетика — строительство сооружений, в которых энергия падающей воды преобразуется в механическую, а затем в электрическую; ˆˆводный транспорт — использование рек, озер, водохранилищ для судоходства и лесосплава; ˆˆрекреация  — строительство вдоль рек и  водоемов объектов для отдыха и развития туризма и др. Все отрасли водного хозяйства можно объединить в две группы: ˆˆводопотребители  — забирают воду из водоисточников, расходуют ее на свои нужды, практически не возвращая в  источник (орошение, обводнение и водоснабжение); ˆˆводопользователи — забирают воду из водоисточника и после использования возвращают ее в источники (гидроэнергетика, водный транспорт). Рациональное ведение водного хозяйства базируется на принципе комплексного использования водных ресурсов. Это означает, что при планировании и проектировании водохозяйственных мероприятий необходимо учитывать потребности всех отраслей водного хозяйства. Кроме того, принцип комплексного использования водных ресурсов позволяет при создании водохозяйственных

Введение

19

объектов, требующих значительных капитальных вложений, привлекать финансовые средства нескольких отраслей. Огромное значение в последние годы приобрели вопросы охраны водных ресурсов от загрязнения отходами промышленности, нерационального использования и пр. В  нашей стране этой проблеме уделяют большое внимание.

3. Краткие исторические сведения о гидротехническом строительстве и перспективы его развития Строительство гидротехнических сооружений развивалось в разных странах в соответствии с общим развитием в них водного хозяйства. Искусство строить гидротехнические сооружения известно с древнейших времен, причем довольно крупные сооружения создавались уже при рабовладельческом строе. В Египте за 4000 лет до н.э. была построена каменная плотина Кошейн. Относительно сложные сооружения для орошения возводили в IX–VIII вв. до н.э. в Урарту и Хорезме — древних государствах, которые находились на территории бывшего СССР. За 500 лет до н.э. проводились работы по регулированию русел рек Тигр и Евфрат. В Европе в  период феодальной раздробленности, когда из-за частых войн и  междоусобиц экономика не могла широко развиваться, гидротехническое строительство сводилось  к устройству малых сооружений  — водяных мельниц, небольших сооружений для регулирования русел рек, водоснабжения городов и замков. Развитие торговли и ремесел потребовало улучшения судоходных условий рек, и в XIV в. были построены первые судоходные шлюзы. В Киевской Руси водяные мельницы были известны в IX–XIII вв. Устав великого князя киевского Ярослава Мудрого (ок. 978–1054) регулировал вопросы затопления, вызываемого мельницами, следующим образом: каждому предоставлялось право строить мельницы, но владелец мельницы обязан был «соблюдать беспакостное», т.е. не чинить ущерба соседям. Водный путь «из варяг в греки» существовал издревле. В XIII в. для улучшения судоходства строили каналы для спрямления речных

20

Введение

излучин, а при осаде городов применяли отвод воды из реки в другое русло  с пересыпкой старого русла запрудой (например, при осаде г. Пронска на р. Проне в 1186 г.). В городах Киевской Руси, а также в крупных монастырях «устраивались» водопроводы. Так, в  XI–XII вв. на Ярославом Дворище (Новгород) существовал водопровод из деревянных труб, а также водосточный канал, облицованный пластинами из бересты, а  на случай осады сооружали оригинальные водяные тайники, позволявшие осажденным получать воду. В Московской Руси гидротехника получила дальнейшее развитие, особенно в  части водоснабжения. Известны примеры гидростроительства в  Москве, относящиеся  к концу XV  — началу XVI  в.: Кремлевский самотечный водопровод, водяные тайники, рвы и пруды с затворами (шлюзами), каменная мельница на р. Неглинной, а  также самотечный водопровод в  г. Старая Русса и  др. Уже в XV–XVI вв. применялось бурение железными и деревянными трубами для добычи воды (г. Старая Русса) и соляных растворов, из которых соль затем выпаривалась (на реках Кама, Северная Двина, Урал). Известно, что в  1633  г. в  Московском Кремле действовал напорный водопровод. Развивавшееся водное хозяйство Московской Руси потребовало законодательного регулирования. Поэтому в «Соборном Уложении» (1649) царя Алексея Михайловича были помещены статьи об ус­ тройстве «езов» (речных заграждений для рыбной ловли) и водяных мельниц и  об обеспечении при этом судоходства на реках путем устройства «ворот», через которые «можно было судам ходити». В XVII–XVIII вв. феодальный строй начал себя изживать, появились первые мануфактуры. Развитие промышленности, торговли и  рост городов повлекли за собой новый подъем гидротехнического строительства в мире. Работы Г. Галилея, С. Стевина, Б. Паскаля, И. Ньютона, М. Ломоносова, Л. Эйлера и Д. Бернулли значительно подняли теоретическую базу гидротехники, что позволило перейти к строительству более крупных и сложных гидротехнических сооружений. В России этот период также был периодом расцвета гидротехники. В XVII в. появились «бумажные», «пильные» водяные мельницы, установки для меде- и железоплавильных заводов на Урале,

Введение

21

под Москвой, Тулой. Эпоха Петра I ознаменовалась мощным подъемом русской промышленности, техники и науки. Число промышленных предприятий к концу XVIII в. достигло 3000. Практически все они базировались на гидравлической силе больших заводских плотин и прудов, которых в России было построено более 200. Русскими «плотинными мастерами» были выработаны оригинальные конструкции плотин так называемого «русского типа»: земляных  с деревянным водосбросом и  деревянных водоподъемных плотин, прекрасно приспособленных  к природным условиям русских рек. Выдающимися русскими гидротехниками того времени были А.  Ярцев, Е. и  М.  Черепановы, И. Ползунов и  др. Особо следует сказать о К. Фролове (1728–1800). Созданная им в 1763–1765 гг. гидравлическая установка на р. Корбалиха (Алтай) превзошла все подобные зарубежные установки того времени, в том числе и знаменитую гидросиловую установку в Марли (снабжала водой дворцы Марли, Версаля и  Трианона). Сооружение было устроено таким образом, что вода последовательно проходила три установки с водяными колесами диаметром 17 м (на установке Марли — 12 м), которые помещались в  подземных камерах высотой до 21 м. Это был первый в  мире гидросиловой каскад. Фролов присоединил к каждому колесу комплекс механизмов предприятия и впервые механизировал заводской транспорт, создав систему вагонеток с канатной тягой по заводским путям от того же колеса. Уральский изобретатель И. Сафонов создал в  1837 г. первую русскую водяную турбину, которая по коэффициенту полезного действия (более 0,7) превосходила все известные турбины того времени. Наряду с гидросиловыми установками в России велось строительство крупных водных путей. При Петре I было осуществлено соединение Оки  с верховьями Дона Ивановским каналом, Волги с  Балтийским морем Вышневолоцкой водной системой и  др. Последняя была построена одним из сподвижников Петра I — крупнейшим гидротехником М. Сердюковым. В конце XVIII  — начале XIX  в. был построен еще ряд судоходных соединений, водные системы Огинская (Неман — Днепр), Мариинская, Тихвинская, Северо-Екатерининский канал и др.

22

Введение

Первая книга по гидротехнике — «Книга о способах, творящих водохождение рек свободное» — вышла по распоряжению Петра I в 1708 г. М. Ломоносов среди прочих многообразных трудов занимался и гидротехникой, построил ряжевую плотину на Усть-Рудицком заводе, проводил опыты на мельницах и создал первый учебник по горнозаводскому делу, в котором осветил и вопросы гидросиловых установок. В 1810 г. в Петербурге был учрежден Институт корпуса инженеров путей сообщения, готовивший инженеров по строительству водных путей и  шоссейных дорог, а  также прочих сооружений. Промышленный переворот в мире, связанный с изобретением паровой машины и железных дорог в начале XIX в., привел к ослаблению интереса к громоздким гидравлическим установкам и вод­ным путям, которые стали вытесняться более совершенными и гибкими источниками энергии и быстрыми средствами сообщения. Новый и  резкий подъем гидротехнического строительства относится уже ко второй половине XIX в., когда были изобретены современные гидравлические машины с высоким коэффициентом полезного действия (турбины Френсиса, Пельтона и др.). Водные пути стали вновь развиваться в связи с возросшими перевозками продуктов промышленности и сельского хозяйства. Рост крупных городов и предприятий потребовал снабжения их огромным количеством доброкачественной воды и  удаления сточных вод. Необходимость расширения сельскохозяйственной базы привела к широкому развитию ирригационных и осушительных работ. В 1910–20-е гг. уделяется огромное внимание мелиоративному строительству. В декабре 1920 г. был утвержден комплексный план развития народного хозяйства страны на основе электрификации  — ГОЭЛРО. В соответствии  с этим планом были построены такие гидроузлы, как Волховский, Нижне-Свирский на слабом глинистом основании, Земо-Авчальский, Днепрогэс (1927–1932) с самой крупной для того времени гидроэлектростанцией в  Европе с бетонной плотиной длиной 760 м и высотой 62 м. Интенсивное строительство гидротехнических сооружений велось для всех отраслей водного хозяйства в 1930-е — начале 1940-х гг. Началось комплексное использование Волги (Иваньковский, Рыбинский, Угличский гидроузлы), были построены канал им. Москвы,

Введение

23

ряд гидроэлектростанций на Кавказе и  Средней Азии: Большой Ферганский канал, Северный Ферганский и Южный Ферганский каналы, Ташкентский канал, Самур-Апшеронский канал и др. Гидротехническое строительство не прекращалось и  во время Великой Отечественной войны. В этот период было построено много небольших гидроузлов, особенно энергетического назначения, на Урале и Средней Азии — для обеспечения энергией «эвакуированной» промышленности. После окончания войны гидротехническое строительство приобрело исключительно широкий размах: создание каскада комплексных гидроузлов с крупными гидротехническими сооружениями на Волге. В  2009  г. была разработана программа развития водохозяйственной отрасли для АПК России «Водная стратегия агропромышленного комплекса России на период до 2020 г.», где указано, что стратегической целью водохозяйственного комплекса АПК является удовлетворение потребностей сельского населения, инновационного социально-ориентированного развития агропромышленного комплекса в качественных водных ресурсах, обеспечение безопасности гидротехнических сооружений, защита населения и объектов экономики от наводнения и другого вредного воздейст­ вия вод на основе сбалансированного решения социально-эко­но­ ми­че­ских проблем, сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала. Начало гидротехнических работ на территории Беларуси относится к первой половине XVI в., когда в Кобринском старостве, принадлежавшем королеве и  великой княгине Боне, был прорыт осушительный канал. Он берет начало у д. Павлополь и  впадает в р. Мухавец чуть ниже г. Кобрин. Его длина 20 км, площадь водосбора 52 км2. Во второй половине XVIII в. были построены два крупных канала: Огинский и Днепровско-Бугский. Они оказали значительное влияние на водный режим прилегающих территорий, хотя и предназначались для сплава леса и  навигации. Огинский канал, который через Припять, Ясельду и Щару соединил Неман с Днепром, был построен в 1765–1784 гг. Его длина (с пятикилометровым Выгоновским озером) составила 54 км.

24

Введение

Строительство Днепровско-Бугского (бывшего Королевского) канала было начато в  1750  г., а  через 68  лет он был сдан в  эксплуатацию. Длина канала составила 75 верст (верста  — 1,06  км) с  шириной по дну 10 м, на нем было построено семь разборных деревянных плотин. Канал пополнялся водой Ореховского и Белого озер с помощью водопроводов. По нему пропускались небольшие суда и  сплавлялся лес. После воссоединения западных областей Беларуси  с основной ее частью Днепровско-Бугский канал был углублен, расширен и  спрямлен. Было построено восемь новых гидроузлов  с плотинами и  водоспусками. Канал стал интенсивно использоваться для перевозки различных грузов. В период  с 1874 по 1897 г. в  Беларуси Западная экспедиция под руководством полковника (впоследствии генерала) И. Жилинского выполняла осушительные работы на Полесье: было проложено 4367 верст осушительных каналов, расчищено 127 верст речных русел, построено 549 мостов. Что касается прудового строительства, то на территории Беларуси пруды с целевым назначением создавались давно. Впервые о  них упоминается в  Литовском статуте 1588 г. С начала XX  в. в ряде мест было сооружено большое количество мельничных прудов. Часто один мельничный пруд приходился в среднем на 4...5 км русла реки. Так, на р. Лебедка (правом малом притоке Немана) действовали три водяные мельницы. В 1926 г. насчитывалось 643 водяные мельницы, а к началу 1941 г. действовало уже 1094, из них в западных областях 511. Следует отметить, что до начала XX в. гидроэнергетические ресурсы Беларуси использовались только на водяных мельницах и лесопилках. В 1920–30-е гг. началось массовое строительство малых водохранилищ и к началу 1941 г. в Беларуси было создано 32 водохранилища при колхозных гидроэлектростанциях. Во время Великой Отечественной войны большинство из них было разрушено. В послевоенный период началось восстановление и строительство новых межколхозных ГЭС и  водохранилищ, особенно интенсивно они создавались в 1950–1960 гг. В результате к концу этого периода в республике было создано 175 гидросиловых установок с искусственными водоемами. В последующие годы в связи с более интенсивным развитием теплоэнергетики и  строительством крупных

Введение

25

ГЭС мелкие гидроэлектростанции закрывались, водохранилища либо спускались, либо реконструировались и расширялись. Начиная с 1960 г. строительство прудов и водохранилищ преследовало главным образом мелиоративные, а затем и рыбохозяйственные цели. К началу 1990-х гг. в Республике Беларусь было построено более 100 водохранилищ и около 1500 прудов. Затем темпы гидротехнического строительства по отдельным причинам начали резко снижаться. На данный момент гидроэнергетический потенциал республики освоен лишь на 3  %. Если на Днепре и  в  бассейне Припяти возможности строительства гидроэлектростанций ограничены из-за необходимости затопления огромных площадей, то на притоках Днепра, а также в бассейнах Западной Двины и Немана есть условия для создания достаточно экономичных и  экологически безопасных гидроэлектростанций. В настоящее время в Республике Беларусь для решения энергетической и  продовольственной программ восстанавливаются, реконструируются и проектируются малые ГЭС и рыбоводные хозяйства. Так, уже действуют Добромыслянская и Полоцкая гидроэлектростанции в  Витебской области, Яновская и  Ольховская в Гродненской, Вилейская — в Минской, Тетеринская — в Могилевской области и целый ряд других. В Республике Беларусь существует более 50 рыбоводных хозяйств различной формы собственности (в  том числе в  ведении Департамента по мелиорации и водного хозяйства — 20 рыбоводных хозяйств). Следует отметить, что в  Государственной программе сохранения и использования мелиорированных земель на 2011–2015 гг., принятой Постановлением Совета Министров Республики Беларусь 31 августа 2010 г. № 1262, намечены большие задачи по повышению продуктивности мелиорированных земель: защита земель от затопления и  подтопления, реконструкция и  восстановление основных сооружений мелиоративных и водохозяйственных систем, выполнение агромелиоративных мероприятий на рыбоводных прудах, для чего необходимо провести ремонтно-восстановительные работы и реконструкцию 115 шлюзов-регуляторов, 1268 га прудов и водохранилищ, 2000 км водоприемников и др.

26

Введение

В заключение следует отметить, что в 2010 г. Постановлением Совета Министров Республики Беларусь №  1453 от 07.10.2010  г. была принята Государственная программа развития рыбохозяйственной деятельности на 2011–2015  гг. Реализация этой программы позволит довести объем производства прудовой рыбы в 2015 г. до 19,7 тыс. т с достижением полного импортозамещения пресноводной рыбы. В перспективе гидротехническое строительство в Беларуси может развиваться в форме строительства гидроузлов комплексного использования — создания водохранилищ для регулирования стока при одновременном использовании их в  энергетике, для водо­ обеспечения, рекреации, водного транспорта, мелиорации, рыбоводства и охраны вод.

Глава

1 Общие сведения о гидротехнических сооружениях 1.1. Классификация гидротехнических сооружений Гидротехнические сооружения строятся в разнообразных природных условиях и классифицируются по различным признакам: роду водотока или водоема, на котором они построены; условиям взаимодействия с водотоком или водоемом и характеру выполняемых функций; целевому назначению; условиям использования; классам и др. По р о д у в о д о т о к а и л и в о д о е м а, на котором они построены, гидротехнические сооружения подразделяют на речные, мор­ ские, озерные или прудовые, внутрисистемные или сетевые (на гидротехнических системах) и подземные. Сетевые мелиоративные сооружения разделяют на регулирующие (регуляторы или шлюзы-регуляторы, водовыпуски, перегораживающие и сбросные вододелители), водопроводящие дюкеры, трубы, акведуки, ливнепроводы и пр.) и сопрягающие (перепады, быстротоки и пр.). По у с л о в и я м в з а и м о д е й с т в и я с в о д о т о к о м и л и в о д о е м о м и х а р а к т е р у в ы п о л н я е м ы х ф у н к ц и й различают: ˆˆводоподпорные гидротехнические сооружения (плотины, дамбы и др.), которые перегораживают водоток или ограждают водохранилище (например, наливное), пруд и воспринимают напор воды. Участок водотока (водоема) выше водоподпорного сооружения

28

Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях

называется верхним бьефом, ниже — нижним бьефом. Разница уровней воды в верхнем и нижнем бьефе непосредственно около сооружения называется напором на сооружении; ˆˆводопроводящие (каналы, трубопроводы, гидротехнические туннели, лотки и др.), служащие для подачи воды к местам потребления (например, из реки на орошаемые земли); ˆˆводозаборные, служащие для забора воды из водотоков и водоемов; ˆˆводосбросные (водосливы, глубинные водосбросы, водоспуски и  пр.) служат для сброса излишков воды (паводков) полезных «попусков» в нижний бьеф, поддержания необходимых санитарных условий в нижнем бьефе, глубин для судоходства и пр.; ˆˆрегуляционные (струенаправляющие дамбы, берегоукрепительные сооружения и пр.), предназначенные для регулирования взаимодействия потока с  руслом (борьба с размывами и отложениями наносов), защиты берегов от воздействия волн и течений. По ц е л е в о м у н а з н а ч е н и ю гидротехнические сооружения разделяют на сооружения общего назначения и специальные. К сооружениям общего назначения относятся водоподпорные, водопроводящие, водосбросные и регуляционные сооружения, используемые в  различных отраслях народного хозяйства и предназначенные для обеспечения требуемого подпора и емкости водохранилища, пропуска предполагаемого паводкового расхода и  т.д. К специальным относятся сооружения, предназначенные для нужд одной отрасли водного хозяйства. Специальные сооружения бывают мелиоративными (каналы, насосные станции и др., предназначенные для осушения, орошения, обводнения земель), водно-энер­ге­ тическими (здания гидростанций и гидроаккумулирующих электростанций, деривационные каналы и туннели, уравнительные резервуары и другие сооружения, предназначенные для использования водной энергии), водно-транспортными (каналы, судоходные шлюзы, причалы, волноломы и  пр.), лесосплавными (бревноспуски, плотноходы и др.), рыбохозяйственными (рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды и  др.), для водоснабжения и  водоотведения (водозаборы, насосные станции, каналы, коллекторы, очистные станции и др.), для борьбы с наводнениями, селями, эрозией почвы (защитные дамбы, ливнестоки и др.), для использования грунтовых вод (подземные водозаборы и др.), для создания хвостохранилищ, шламонакопителей (дамбы, трубопроводы и др.).

1.1. Классификация гидротехнических сооружений

29

По у с л о в и я м и с п о л ь з о в а н и я гидротехнические сооружения разделяются на постоянные, используемые при постоянной эксплуатации, и временные. При этом к временным относятся сооружения, используемые только в период строительства, реконструкции или ремонта постоянных сооружений (ТКП 45-3.04-169–2009 (02250)). Постоянные гидротехнические сооружения в свою очередь подразделяются на ос­новные и второстепенные. К основным относятся гидротехнические сооружения, повреждение или разрушение которых приводит к нарушению или прекращению нормальной работы электростанций, прекращению или уменьшению подачи воды для водоснабжения и орошения, затоплению и подтоплению защищаемой территории, прекращению или сокращению судоходства, загрязнению почв и водных источников жидкими отходами промышленных и сельскохозяйственных предприятий: ˆˆплотины, устои и подпорные стены, входящие в состав напорного фронта; ˆˆдамбы оградительные; ˆˆберегоукрепительные (внепортовые), регулирующие и оградительные сооружения; ˆˆводосбросы, водоспуски и водовыпуски; ˆˆводозаборные сооружения; ˆˆканалы судоходные, водохозяйственных и мелиоративных систем, комплексного назначения и сооружения на них (например, акведуки, дюкеры, трубы-ливнеспуски и т.д.); ˆˆтрубопроводы; ˆˆгидростанции и ГАЭС, насосные станции, малые ГЭС; ˆˆсудоходные сооружения (шлюзы, судоподъемники и судоходные плотины); ˆˆрыбопропускные сооружения, входящие в состав напорного фронта; ˆˆгидротехнические сооружения портов (набережные, пирсы), судостроительных и судоремонтных предприятий, паромных переправ; ˆˆгидротехнические сооружения ТЭС и АЭС; ˆˆгидротехнические сооружения, входящие в состав комплексов инженерной защиты населенных пунктов и предприятий, сельскохозяйственных угодий и других народнохозяйственных объектов,

30

Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях

сооружения (дамбы), ограждающие золошлакоотвалы и хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных предприятий и др.). К  второстепенным относятся гидротехнические сооружения, разрушение которых не влечет за собой указанных выше последствий: ледозащитные сооружения, разделительные стенки, устои и  подпорные стены, не входящие в состав напорного фронта, рыбозащитные сооружения, сооружения лесосплава (бревноспуски, запани, плотоходы) и другие, не перечисленные в составе основных гидротехнических сооружений. Гидротехнические сооружения в зависимости от их высоты и  типа грунтов основания, социально-экономической ответственности и последствий возможных аварий подразделяют на к л а с с ы. Класс второстепенных гидротехнических сооружений принимают на единицу ниже класса основных сооружений данного гидроузла, но не выше III класса. Временные сооружения, как правило, относят к IV классу. В  случае, если разрушение этих сооружений может вызвать последствия катастрофического характера или значительную задержку возведения основных сооружений I и II классов, допускается относить их при надлежащем обосновании к III классу. Класс основных гидротехнических сооружений комплексного гидроузла, обеспечивающего одновременно потребности нескольких участников водохозяйственного комплекса (энергетика, транспорт, мелиорация, водоснабжение, борьба с наводнениями и пр.), устанавливают по сооружению, отнесенному к более высокому классу. При совмещении в одном сооружении двух или нескольких функций различного назначения (например, причальных с оградительными) класс устанавливают по сооружению, отнесенному к более высокому классу. Класс основных сооружений, входящих в состав напорного фронта, должен устанавливаться по сооружению, отнесенному к более высокому классу. Если разрушение основного сооружения может вызвать последствия катастрофического характера для городов, крупных промышленных предприятий, гидроузлов, класс сооружения при надлежащем обосновании повышают на единицу.

1.2. Особенности и условия работы гидротехнических сооружений

31

Плотины специальной конструкции (фильтрующие, с надувными и наливными затворами, затопляемые и безнапорные дамбы) высотой до 15 м следует относить к сооружениям IV класса. Основные гидротехнические сооружения речных портов 1, 2 и 3-й категорий следует относить к III классу, остальные сооружения — к IV классу. Берегоукрепительные сооружения (набережные, подпорные стенки) следует относить к III классу. В случаях, если авария берегоукрепительного сооружения может привести к последствиям катастрофического характера (вследствие оползня, подмыва и пр.), класс сооружения следует повышать на единицу. Гидротехнические сооружения классифицируют также по о с н о в н о м у м а т е р и а л у, используемому при их возведении (грун­ товые, каменные, бетонные, стальные, деревянные и т.д.), и  по с п о с о б у в о з в е д е н и я (насыпные, намывные, построенные методом направленного взрыва, монолитные, сборные и т.д.). Отдельные типы гидротехнических сооружений классифицируют по высоте и конструктивным признакам. Эти классификации приведены в соответствующих разделах книги.

1.2. Особенности и условия работы гидротехнических сооружений Гидротехнические сооружения существенно отличаются от других инженерных сооружений тем, что подвергаются воздействию движущейся или находящейся в покое воды, соленой или пресной. Причем водоподпорные гидросооружения испытывают наряду с  вертикальными большие горизонтальные нагрузки  — от давления воды, отложившихся наносов и др. Вода оказывает на гидротехнические сооружения механическое, физико-химическое и биологическое воздействия. Механическое воздействие воды проявляется в виде статических и динамических нагрузок на сооружение и его основание. Так, гидростатическое давление воды на бетонную плотину со стороны верхнего бьефа является основной горизонтальной нагрузкой, которая может сдвинуть, разрушить сооружение, если не будут

32

Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях

приняты меры к обеспечению его устойчивости (придана ему надлежащая масса и пр.). При переливе через плотину (рис. 1.1, а) вода оказывает на ее элементы гидродинамическое воздействие, которое необходимо учитывать, особенно при назначении параметров крепления нижнего бьефа (водобоя, рисбермы), часто требующегося и устраиваемого для предотвращения опасных размывов русла в нижнем бьефе. При этом возникает проблема эффективного гашения энергии сбрасываемого в нижний бьеф потока (в  ряде случаев скорости потока до гасящих устройств достигают 25...30 м/с и более). Динамическим является и воздействие на гидротехнические сооружения образующихся в водохранилище ветровых волн. Оно также подлежит учету, например при назначении параметров крепления верхового откоса грунтовых плотин. В районах, подверженных землетрясениям, возникают инерцион­ ные сейсмические нагрузки на сооружение — сейсмическое давление воды и инерционные силы, приложенные к массе самого сооруже-

Рис. 1.1. Схемы воздействия воды на бетонную (а) и грунтовую (б) плотины и их основания: 1 — понур; 2 — шпунт; 3 — водобой; 4 — рисберма; 5 — дренажная призма; 6 — депрессионная кривая; 7 — линии тока фильтрующей воды

1.2. Особенности и условия работы гидротехнических сооружений

33

ния; в сооружениях из грунта, насыщенного водой, при этом появляется и динамическое поровое давление. При фильтрации воды в основании водоподпорного сооружения возникает фильтрационное давление Wф, которое направлено снизу вверх и определяется в заданном сечении величиной превышения пъезометрической линии над уровнем воды нижнего бьефа. Оно уменьшает сопротивление сооружения сдвигу и должно учитываться при проектировании. Фильтрационный поток в основании, а также в теле грунтовой плотины (рис.  1.1,  б) может вызвать различные фильтрационные деформации грунта: суффозию, фильтрационный выпор грунта при выходе в нижний бьеф, контактные размыв и выпор. Сооружение должно быть запроектировано так, чтобы не возникало фильтрационных деформаций. Фильтрационные силы и положение депрессионной кривой следует учитывать и при расчетах устойчивости откосов грунтовых плотин. Зимой на сооружения могут действовать ледовые нагрузки: при термическом расширении сплошного ледяного покрова, навале ледяных полей при течениях и ветре; при динамических ударах отдельных льдин при пропуске через гидроузел ледохода; от нагрузок, возникающих от примерзшего ледяного покрова при колебаниях уровня воды (эти нагрузки могут повредить крепления откосов берегов и грунтовых плотин). Влекомые водой наносы могут истирать элементы обтекаемых поверхностей сооружения. Физико-химическое воздействие воды может вызвать коррозию металлических конструкций, химическую суффозию в грунтах, содержащих легкорастворимые вещества (гипс, каменную соль), кавитационную эрозию, возникающую при больших скоростях потока и образовании значительного вакуума. Биологическое воздействие воды, связанное с жизнедеятельностью имеющихся в ней организмов, может привести к гниению деревянных сооружений, зарастанию трубопроводов и пр. Гидротехнические сооружения строят в условиях жаркого климата и суровых зим (с амплитудами колебаний температур 100 °С и более), в районах с высокой сейсмичностью, при разнообразных гидрологических и геологических условиях. Данное обстоятельство требует индивидуального подхода к проектированию, строитель-

34

Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях

ству и эксплуатации гидротехнических сооружений; тщательного учета всей совокупности местных условий; проведения обстоятельных изысканий (особенно при проектировании крупных объектов). Однако это не исключает возможность и целесообразность определенной типизации сооружений (особенно мелких, массовых) и их отдельных элементов, что нашло отражение в типовых проектах и ряде действующих нормативных документов. Существенной особенностью многих гидротехнических сооружений является то, что во время их строительства приходится пропускать большие строительные расходы воды и лед через створ гидроузла, не прерывать судоходство, если река судоходная, и т.п. Это усложняет производство работ. К тому же современные гидроузлы и гидротехнические системы часто характеризуются большими объемами основных работ — бетонных, земельно-скальных. Это требует применения широкой механизации работ с использованием передовой техники (высокопроизводительных механизмов и  пр.) и эффективных методов строительства для сокращения сроков и  стоимости строительства. Очевидно, что как при проектировании, так и при строительстве гидротехнических сооружений (крупных и мелких) надо всемерно использовать достижения науки. Следует учитывать, что серьезная авария крупного водоподпорного сооружения может привести к весьма тяжелым последствиям с  человеческими жертвами и большим материальным ущербом вследствие не только выхода из строя самих сооружений, но и разрушений волной прорыва населенных пунктов, промышленных предприятий и транспортных коммуникаций ниже по течению. Так, в 1889 г. в США разрушилась в результате перелива воды через ее гребень при паводке (неправильно был установлен расчетный расход водосброса) земляная Соутфоркская плотина; погибло около 2500 человек. В 1928 г. в США разрушилась гравитационная плотина Сен-Френсис из-за выщелачивания гипса из глинистых конгломератов в основании; погибло 400 человек. В 1976 г. в США разрушилась каменно-земляная плотина Титон высотой 100 м из-за контактной фильтрации в основании и выноса заполнителя трещин. Основными причинами известных аварий и повреждений гидротехнических сооружений различных типов были перелив воды через гребень грунтовых плотин; сейсмические и волновые воздействия. Разрушения и повреждения стали возможны в основном

1.3. Методы проектирования гидротехнических сооружений

35

в  результате недостаточной изученности геологических условий, неправильного определения расчетных расходов водосбросов, некачественного производства работ, недостаточного учета в проектах и при строительстве ряда вопросов и многообразия местных факторов, неправильной эксплуатации сооружений. Большую роль в предотвращении серьезных аварий играют натурные наблюдения и исследования сооружений. Строительство гидроузлов и гидросистем, особенно крупных, оказывает влияние на природные условия в прилегающей местности, в том числе и отрицательное. Это вполне закономерно, так как появление водохранилищ большой вместимости (например, объем Братского водохранилища достигает 179,1  км3, Красноярского  — 77,2 км3), распространение подпора от крупных гидроузлов на десятки километров, затопление и подтопление земель, орошение засушливых земель и осушение болот сказываются на животном и  растительном мире в данном регионе, а в некоторой степени даже на климате. Например, после строительства Красноярского гидроузла на Енисее с большим водохранилищем в нижнем бьефе летом вода стала холоднее, чем была раньше, а зимой образуется незамерзающая полынья длиной около 40 км, вызывающая туманы, в определенной мере затрудняющие хозяйственную деятельность. Влияние гидроузлов и гидросистем на прилегающий район обязательно должно быть оценено при их проектировании, должны быть предусмотрены мероприятия, направленные на недопущение или смягчение отрицательных последствий их строительства. В каждом крупном водохозяйственном проекте должны найти отражение и вопросы охраны окружающей среды.

1.3. Методы проектирования гидротехнических сооружений При проектировании гидротехнических сооружений применяют следующие методы: метод теоретических исследований; экспериментальный лабораторный; экспериментальный натурный; вариантного проектирования; статистический; аналогий и  повторения решений.

36

Глава 1. Общие сведения о гидротехнических сооружениях

Метод теоретических исследований является основным. Он устанавливает зависимости и закономерности, которые позволяют рассчитывать гидротехнические сооружения, т.е. определять их форму и размеры, не прибегая к эксперименту, устройству моделей и т.п. Экспериментальный лабораторный метод имеет большое значение в гидротехнике. Он применяется в двух видах: общем, когда специальным опытом проверяются те или иные положения теории или когда на основе системы опытов строится теория, и лабораторного моделирования сооружений и конструкций, когда последние выполняются в виде геометрически подобных или с заранее заданными искажениями моделей, на которых замеряются искомые величины (давления жидкости, скорости течения, деформации и  пр.). Моделирование играет большую роль в  гидротехнике, позволяя находить правильные решения при невозможности использовать теоретические решения или при отсутствии последних. Экспериментальный натурный метод отличается от предыдущего тем, что опыты и наблюдения проводятся не в лаборатории, а  на строящихся, построенных и эксплуатируемых гидротехнических сооружениях, а иногда и на специальных опытных сооружениях, выполненных в натуральную величину. При помощи этого метода проверяется правильность теоретических расчетных данных, положенных в основу проекта сооружений, и накапливаются новые данные для разработки теорий. Метод вариантного проектирования заключается в рассмотрении ряда вариантных решений задачи и их технико-эко­но­ми­че­ском сопоставлении и позволяет найти наиболее целесообразное в техническом и экономическом отношении решение. Статистический метод применяется для обобщения данных по многократно использовавшимся типам конструкций и получения статистических зависимостей, которые могут быть использованы в дальнейшем. Пользоваться этим методом следует с осторожностью, так как он отражает «вчерашний день» гидротехники, ее прошлое. Используя его, необходимо учитывать тенденции дальнейшего развития теории и практики в данной области. Метод аналогий и повторения решений — наиболее примитивный, но при правильном применении надежный. Он заключается в использовании решения или конструкции, уже примененных на практике в сходных условиях. Метод этот следует применять очень

1.3. Методы проектирования гидротехнических сооружений

37

осторожно, так как, с одной стороны, в гидростроительстве природные условия для сооружений редко повторяются, а с другой — легко впасть в консерватизм, отказываясь от поисков новых решений. Одним из полезных проявлений метода аналогий является разработка типовых решений для конструкций или их деталей, часто повторяемых в узле или системе.

Глава

2 Фильтрация в основании водоподпорных сооружений и в обход их

2.1. Общие сведения о фильтрации 2.1.1. Фильтрационный поток в основании сооружений Понятие о фильтрации. Под фильтрацией понимают движение жидкости в  пористых и  трещиноватых (скальных) породах. Пространство, занятое фильтрационным потоком, в таких грунтах называют областью фильтрации. Движение фильтрационного потока обусловлено рядом причин — разностью давлений, температурным перепадом, электрическим потенциалом и др. В водоподпорных сооружениях причиной фильтрации в грунтовом основании служит разность уровней воды между бьефами. По характеру движения фильтрационный поток может быть неустановившимся, когда скорости и  пьезометрические давления, а следовательно, и расходы изменяются во времени, и установив­ шимся, когда эти величины постоянны. В дальнейшем будет изучаться только установившееся движение. Фильтрационные расчеты выполняют для постоянной разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, хотя их величины изменяются во времени. Для этого принимают расчетную схему с максимальным значением разности уровней при установившейся фильтрации.

2.1. Общие сведения о фильтрации

39

Рис. 2.1. Потоки в водоподпорных сооружениях:

а — поверхностный поток, в основании однородно-изотропные грунты; б — поверхностный и фильтрационный потоки, в основании однородно-ани­зо­троп­ ные грунты; УВБ — уровень верхнего бьефа; УНБ — уровень нижнего бьефа; Н1 — глубина воды в верхнем бьефе; Н2 — глубина воды в нижнем бьефе

Потоки в водонапорных сооружениях. При разности бьефов* в  сооружениях возможны два вида потоков воды  — поверхностный и фильтрационный. Эти потоки могут протекать одновременно или раздельно. В глухих или водосбросных сооружениях при закрытых затворах будет только фильтрационный поток. При поднятых затворах и незначительной разности уровней воды в бьефах (например, 2...3 см) будет только поверхностный поток (рис. 2.1, а). *

Бьеф — часть водоема или водотока, примыкающая к водонапорному сооружению или напорному фронту гидроузла. Бьеф, расположенный вверх по течению от подпорного сооружения, называется верхним, вниз по течению — нижним.

40

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

При открытых затворах и значительной разности уровней будут оба потока — поверхностный и фильтрационный (рис. 2.1, б). Если сооружение маловодопроницаемо (бетон, железобетон, камень), а грунт представляет собой легкопроницаемую для воды среду, то грунтовой поток не имеет свободной поверхности и  является напорным (рис.  2.2). Такой поток оказывает на подошву сооружения гидродинамическое (фильтрационное) давление, изменяющееся от максимальной величины (разность уровней воды в бьефах Н плюс глубина воды в нижнем бьефе Н2) до минимальной (глубина воды в  нижнем бьефе Н2). При отсутствии воды в нижнем бьефе фильтрационное давление в нем будет равно нулю. Если же сооружение само является фильтрующим (грунтовая плотина, дамба), то движение воды происходит через тело сооружения, при этом образуется свободная поверхность и  движение будет безнапорным (рис. 2.3). Поверхность воды в грунтовом теле называется депрессионной поверхностью, а линия пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью — депрессионной кривой, или кривой депрессии. В основании водоподпорных сооружений также возможны два основных режима фильтрационного потока  — безнапорный и  напорный. Его характер определяется положением уровня грунтовых вод. Если он расположен ниже подошвы сооружения, будет безнапорный режим. Если фильтрация воды будет происходить из верхнего бьефа в  нижний в  направлении, близком  к вертикальному,

Рис. 2.2. Напорное движение фильтрационного потока:

1 — понур; 2 — затвор; 3 — линия пьезометрических напоров вдоль флютбета; 4 — водобой; 5 — слив (рисберма); 6 — подошва; 7 — водоупор

41

2.1. Общие сведения о фильтрации 1

2

3

4

УВБ

УНБ

H1

H

H2

Рис. 2.3. Безнапорное движение фильтрационного потока:

1 — верховой откос; 2 — гребень плотины; 3 — низовой откос; 4 — депрессионная кривая

то  такое движение потока называют инфильтрацией. Если уровень грунтовых вод поднимется до дна нижнего бьефа, в основании появится напорный режим. Фильтрационные расчеты водоподпорных сооружений ведут при напорном режиме, причем уровень грунтовых вод, в зависимости от конкретных гидрогеологических условий, принимают или совпадающим с дном нижнего бьефа, или расположенным выше его. В этой главе будет рассмотрено напорное движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями, а безнапорное движение (через тело и в основании грунтовых плотин) — в параграфе 4.6. Понятие о напоре фильтрационного потока. Под напором фильтрационного потока для любой точки области фильтрации понимают потенциальную энергию, которая выражается суммой двух линейных величин — геодезической и пьезометрической:

  hx = ± z x +  P  ,  γω  x

(2.1)

где hx — напор относительно принятой плоскости сравнения в рассматриваемой точке области фильтрации; zx — расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки («+»  — точка расположена выше плоскости сравнения, «−» — ниже); (P/γw)х — пьезометрическая высота в этой же точке (вертикальное расстояние от рассматриваемой точки до уровня воды в пьезометре, всегда положительно). При фильтрационных расчетах за плоскость сравнения может быть принята любая горизонтальная плоскость, относительно

42

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений Па

0

( )

Р w а

Пб

УВБ

hх

а

( )

Р w б

hх

– zа 1 а

Пв hх

( )

Р w в

б

3 б

в

–zв –zг 7 в

5

(Р )

УНБ

–zб

2

Пг

w г

0

г

6

4 Развернутая длина подземного контура 1

2

3

4

5

6

7

Рис. 2.4. Схема к определению напоров в водоподпорных сооружениях

которой и вычисляется напор (рис. 2.4). Для упрощения расчетов за плоскость сравнения принимают плоскость, проходящую по уровню воды в  нижнем бьефе. При такой плоскости сравнения напор на сооружение будет равен разности уровней воды в верхнем и нижнем бьефах. Его называют действующим напором, в  то время как напор при всякой другой плоскости сравнения называют просто напором. Следует подчеркнуть, что нельзя смешивать напор с гидростатическим давлением. Последнее, как известно, определяется глубиной погружения рассматриваемой точки под уровень воды, а напор отсчитывается от плоскости сравнения. При плоскости сравнения, проходящей по уровню воды нижнего бьефа, дно верхнего бьефа будет представлять собой линию (плоскость) равного напора, соответствующего Н (действующему напору). Дно (плоскость) нижнего бьефа, как и любая другая плоскость, расположенная выше его и ниже уровня воды, будет иметь нулевой напор. Любая точка в  области фильтрации под сооружением будет иметь напор меньше Н. Потерянный напор ∆Н расходуется на преодоление сопротивлений при движении фильтрационного потока.

2.1. Общие сведения о фильтрации

43

2.1.2. Составные части флютбета и силы, действующие на него Флютбет и его составные части. Напорное движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями происходит в непосредственном контакте с флютбетом — основной частью гидротехнического сооружения, образующей ложе для проходящего через него потока. Флютбет сооружения служит для двух целей: ˆˆбезопасного пропуска поверхностного потока из верхнего бьефа в нижний; ˆˆгашения напора фильтрационного потока. В речных сооружениях составными частями флютбета являются понур, тело плотины, водобой, рисберма и концевой участок (ковш) (рис. 2.5, а). Такой состав флютбета характерен для водосбросных плотин с повышенной глубиной воды в верхнем бьефе. В сооружениях с  низко расположенным порогом вместо тела плотины будет водосливной порог, расположенный на уровне понура или несколько выше его (рис. 2.5, б). В гидромелиоративных сооружениях на каналах водосливной порог и  водобой объединяются в  единую массивную плиту. Для таких сооружений считается, что флютбет состоит из трех частей — понура, водобоя и рисбермы (рис. 2.5, в). Понур укрепляет русло перед сооружением от размыва поверхностным потоком и  служит связующим звеном между естественным ложем реки или канала и собственно сооружением. Его устраивают из водонепроницаемого материала: глины, глинобетона, бетона, железобетона, полимерных материалов и др. Вследствие водонепроницаемости понур удлиняет путь фильтрационного потока под сооружением, является средством гашения напора, снижает его действие на водобойную часть флютбета, за счет чего уменьшает расход и скорости фильтрации. Толщину понура назначают по конструктивным соображениям, так как он находится под двусторонним воздействием воды: подземному давлению, направленному снизу вверх, всегда противостоит большее по величине воздействие воды, направленное сверху вниз. Минимальную толщину глиняного и глинобетонного понура принимают при Н < 5 м — 0,4...0,5 м; при Н = 5...10 м — 0,5...0,6 м; при Н > 10 м  — 0,75 м. В крупных сооружениях толщину понура в месте сопряжения с телом плотины увеличивают до 1...2 м. Наи-

44 а

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений УВБ УНБ H1

Понур б

Тело плотины

Водобой

Концевой участок

УВБ УНБ

H1

Понур в

Рисберма

УВБ

Водосливной порог

Рис
берма

Водобой

Ковш

УНБ H1

Понур

Водобой

Рисберма

Рис. 2.5. Составные части флютбета:

а — в высоконапорных и средненапорных сооружениях; б — в сооружениях с низким порогом; в — в гидромелиоративных сооружениях на каналах

большую толщину понура иногда принимают по формуле tmax = = 0,75 + 0,05H. Толщину понура из суглинка принимают на 20...30 % больше толщины глиняного. Следует отметить, что толщина понура уточняется после гидротехнического расчета сооружения из условия обеспечения фильтрационной прочности материала понура. Расчет ведут по формуле

tп = ∆срh К н, I кр

(2.2)

где tп — толщина понура; ∆h — потери напора на понуре; Кн — коэффициент надежности, учитывающий степень ответственности и  значимости последствий при наступлении тех или иных пре-

2.1. Общие сведения о фильтрации

45

ср дельных состояний; I кр   — критический средний градиент напора (принимают по табл. 4.2). Длина понура определяется двумя условиями: неразмываемостью русла перед понуром при пропуске воды через сооружение (водослив, щит, трубу) и  гашением напора фильтрационного потока. При предварительной компоновке флютбета длину понура назначают в  зависимости от глубины воды и  типа сооружения в следующих пределах: ˆˆрегуляторы-водовыпуски и подпорные сооружения — (0...2)Н1; ˆˆсопрягающие сооружения — (2...3)Н1; ˆˆпромывные сооружения — (1...4)Н1; ˆˆводосливные плотины — (0...2)Н1. Длина понура также уточняется после выполнения фильтрационного расчета сооружения с учетом гидравлического расчета. Для лучшего сопряжения понура с  подводящим руслом в  его начале рекомендуется устраивать шпунт или верховой зуб глубиной не менее толщины понура. Шпунтовая стенка в начале понура (понурный шпунт) устраивается только при анкерном понуре. Сверху понур прикрывают защитным слоем из местного грунта. При больших донных скоростях ближайшую к сооружению часть понура укрепляют мостовой, бетонными или железобетонными плитами на слое гравия или песка. Водобой представляет собой собственно сооружение. Его назначение  — воспринимать удары падающей воды при переливах через водосливы и  создавать безопасные условия протекания ее при увеличенной скорости в  зоне прыжкового сопряжения или при отгоне прыжка. Водобой как водонепроницаемая часть также служит средством гашения напора фильтрационного потока. Вследствие того что давление снизу всегда больше давления сверху, толщину водобоя рассчитывают из условия устойчивости против всплытия под воздействием подъемного потока. Длину водобоя назначают по гидравлическому расчету и по условиям размещения затворов, подъемников, служебного и проезжего мостов. При необходимости ее увеличивают как противофильтрационное средство для подземного потока. Ориентировочно длину водобоя назначают в таких пределах: ˆˆводовыпуски и подпорные сооружения — (2...4)Н1; ˆˆводосливные плотины и промывные сооружения — (3...5)Н1.

46

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Сливная часть (слив), или рисберма, предназначена для выполнения следующих четырех задач: ˆˆукреплять русло потока за водобоем от размыва; ˆˆсоздавать свободный выход подземному потоку (т.е. она должна быть водопроницаемой); ˆˆтормозить донные скорости и  тем самым приближать распределение скоростей по живому сечению  к бытовому в  конце рисбермы; ˆˆзащищать лежащий под ней грунт от размыва подземным потоком и повышать его устойчивость против выпирания. Для лучшего выполнения этих задач рисберму при необходимости усиливают в нижней части обратными фильтрами, а поверхность устраивают по возможности более шероховатой. Конструкцию сливной части принимают из условия устойчивости против размыва и  вымыва поверхностным и  фильтрационным потоком. Длина слива должна быть достаточной для гашения скорости до безопасных величин на размыв в  отводящем русле. В случае большой разницы в  ширине отверстий сооружения и  отводящего русла при определении длины слива (рисбермы) следует руководствоваться гидравлическим расчетом растекания потока. Концевой участок устраивается в речных сооружениях, чтобы не допустить подмыв рисбермы. Чтобы увеличить длину фильтрационного пути и  тем самым уменьшить уклон подземного потока, в пределах понурной и водобойной части флютбета устраивают зубья и  шпунтовые стенки. Они вместе с контактными линиями понура, тела плотины и рисбермы входят в подземный контур флютбета. Подземным контуром флютбета водоподпорных сооружений называют линию (плоскость) контакта между грунтом основания и  подземной частью флютбета. Подземный контур в  соответствии с  его назначением имеет участки водонепроницаемые и водопроницаемые. Однако в фильтрационных расчетах принято относить  к подземному контуру только водонепроницаемые части, на длине которых происходит гашение напора. В пределах подземного контура различают горизонтальные и вертикальные пути фильтрации. Подземный контур, вытянутый в одну

2.1. Общие сведения о фильтрации

47

горизонтальную линию, называют развернутой длиной подземного контура (см. рис. 2.4). Силы, действующие на флютбет. К основным силам, действующим на флютбет, относят собственный вес флютбета, силу гидростатического давления воды, силу фильтрационного и взвешивающего давлений, трение по боковым поверхностям флютбета, сцепление между подошвой флютбета и  грунтом основания, а  в  отдельных случаях силу дефицита давления. Не все перечисленные силы учитывают одновременно. Например, при определении коэффициента устойчивости флютбета в гидромелиоративных сооружениях обычно пренебрегают последними тремя силами. Сила фильтрационного давления на флютбет направлена нормально  к линии подземного контура, следовательно, она может быть как горизонтальной, так и вертикальной. При другом направлении сила фильтрационного давления может быть разложена на две составляющие — горизонтальную и вертикальную. Составляющую вертикального направления называют фильтра­ ционным противодавлением, которое определяется в заданном сечении величиной превышения пьезометрической линии над уровнем воды нижнего бьефа. На флютбет, погруженный в  воду, действует сила взвешивающего давления. Она определяется глубиной погружения подошвы флютбета под уровень воды нижнего бьефа. Эта сила направлена вверх и ее называют взвешивающим противодавлением. Общее противодавление W, действующее на горизонтальные участки подошвы флютбета, складывается из двух частей — фильтрационного Wф и взвешивающего Wв:

W = Wф + Wв.

(2.3)

Эта сила учитывается при определении устойчивости флютбета на всплывание. Горизонтальная составляющая силы фильтрационного давления учитывается при расчете флютбета на сдвиг. Графически фильтрационное и  взвешивающее давление изображают в  виде эпюр, построенных на горизонтальной проекции подземного контура или на его развернутой длине (рис.  2.6). Ординаты эпюр фильтрационного давления определяются расчетом, а ординаты эпюры взвешивающего давления — глубиной погруже-

48

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений а

УВБ H1 1

tп

2

УНБ

H H2 3

lп

7 6

tв 5 4

lв

l0 б

1, 2

3, 5

H

3

4

5

6 7

H

1, 2

3, 5

6, 7

д

1, 2

3

4

5

6 7

H2  tв

H2  tп

в

г 1, 2

6, 7

Рис. 2.6. Силовое воздействие воды на подземный контур водоподпорных сооружений: а  — разрез по водоподпорному сооружению; б  — эпюра фильтрационного противодавления на горизонтальную проекцию флютбета; в — эпюра взвешивающего противодавления на горизонтальную проекцию флютбета; г — эпюра фильтрационного давления по развернутому контуру флютбета; д — заглубление точек подземного контура под уровень воды нижнего бьефа по развернутому контуру

ния рассматриваемой точки (плоскости) под уровень воды нижнего бьефа. Сила фильтрационного и  взвешивающего давлений (на 1  м длины сооружения) равна площади эпюры рассматриваемого участка подземного контура, умноженной на плотность воды. Ординатами в эпюрах могут быть как давление (Па), так и напор (м), применяемый чаще. Отсюда и понятие «эпюра напоров».

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

49

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов 2.2.1. Понятие о фильтрационных расчетах Задачи фильтрационных расчетов. На основании фильтрационных расчетов нужно так запроектировать подземное очертание гидротехнического сооружения, чтобы оно было способно: ˆˆуменьшить расходы воды под сооружением; ˆˆснизить величину выходной скорости фильтрации; ˆˆуменьшить расчетное давление на подошву флютбета до требуемых значений. То есть необходимо запроектировать так называемый рациональ­ ный подземный контур, у которого при обеспечении прочности сооружения и устойчивости основания сочетаются следующие качества: экономичность и простота конструкции, приемлемость технологии выполнения, возможность использования местных строительных материалов, удобство эксплуатации сооружения. Не всегда эти три задачи имеют одинаковую актуальность. Расход воды на фильтрацию под сооружением при малопроницаемых грунтах может не играть существенной роли, и  определение его в таком случае носит лишь проверочный характер. То же можно сказать о необходимости снижения противодавлений на водобойную часть. Если водобойная плита флютбета достаточно массивна и устойчива на скольжение, то можно не стремиться к снижению этих давлений. Но определить их для выяснения безопасности условий будущей эксплуатации сооружения необходимо. Скорость фильтрации при выходе потока в нижний бьеф нужно проверять всегда. Если она окажется больше допустимой, то следует запроектировать крепление грунта за сооружением или принять меры для ее снижения до необходимых пределов, чтобы предотвратить фильтрационные деформации грунта основания. Однако независимо от степени актуальности той или иной задачи при проектировании подземного контура нужно решить все вопросы, связанные с  движением фильтрационного потока под сооружением, т.е. определить: ˆˆраспределение давлений по подземному контуру сооружения;

50

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений ˆˆвыходную скорость фильтрации (градиент ˆˆрасход фильтрационного потока.

напора);

Главной задачей при фильтрационных расчетах можно считать определение давлений, так как скорость фильтрации (градиент напора) в расчетной области фильтрации и фильтрационный расход сравнительно легко определить, если известно распределение давлений в области фильтрации под сооружением. Уравнения фильтрационного потока. Основой фильтрационных расчетов в пористой среде служит закон Дарси:

v = КфI,

(2.4)

где v — скорость фильтрации; Кф — коэффициент фильтрации; I — градиент напора. Отсюда расход фильтрационного потока определяется по формуле (2.5) Q = КфωI, где ω  — площадь поперечного сечения, включая поры и  частицы грунта. Закон Дарси справедлив для ламинарного потока и соблюдается в весьма широкой области изменения скоростей. Для установления применимости закона Дарси на основании характеристик грунта (диаметра частиц, пористости, коэффициента фильтрации) существует ряд формул, приводимых в специальной литературе. Допущения при фильтрационных расчетах. Все разнообразие факторов, встречающихся при движении фильтрационного потока в реальных условиях, расчетными формулами учесть невозможно. Это заставляет вводить некоторые упрощения и допущения. Основные допущения при фильтрационных расчетах сводятся к следующему: ˆˆпринимается плоское движение фильтрационного потока; ˆˆгрунт в основании сооружений считается однородно-изо­троп­ ным. При однородно-анизотропных грунтах переходят к эквивалентной в фильтрационном отношении схеме с однородно-изо­троп­ ным грунтом, изменяя при этом размеры флютбета; ˆˆзаданный напор на сооружение не изменяется во времени, а это значит, что рассматривается установившаяся фильтрация; ˆˆкоэффициент фильтрации остается постоянным;

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

51

ˆˆтемпература воды считается ˆˆпринятая пористость грунта

неизменной; не изменяется со временем. Основные методы расчета. К настоящему времени теория движения фильтрационных вод и  методы фильтрационных расчетов получили широкое развитие. Предложенные многочисленные приемы и методы расчета по степени полноты и достоверности результатов можно разделить на следующие группы. 1. Эмпирические — в них дается весьма приближенный результат определения давления грунтовых вод на отдельные части сооружений. Сюда относятся так называемый способ линейно-кон­ тур­ной фильтрации (ЛКФ) и все его разновидности. В настоящее время используют метод удлиненной контурной линии. 2. Гидравлические  — основаны на приближенном решении задачи. Это наиболее распространенные методы, используемые в практических расчетах. 3. Экспериментальные — среди них наибольшее распространение получил метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА). При помощи этого метода строят гидродинамическую сетку для любых подземных контуров флютбета. Гидродинамическую сетку можно построить и  графическим способом («вручную»), зная свойства гидродинамической сетки и имея определенные навыки. Применяют также экспериментальный метод исследования фильтрации в  грунтовых лотках на моделях гидротехнических сооружений. 4. Приближенные гидромеханические — основаны на упрощении аналитических решений. Сюда относятся метод фрагментов, метод коэффициентов сопротивлений и др. В настоящее время метод удлиненной контурной линии и метод коэффициентов сопротивлений расчета фильтрации рекомендованы нормативными документами  к применению для сооружений III и IV классов.

2.2.2. Определение минимальной допустимой длины подземного контура Следует отметить, что размеры подземного контура фактически определяются в результате гидравлического расчета водоподпорных сооружений. Однако в процессе гидротехнического расчета

52

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

может оказаться, что принятые ранее размеры не обеспечивают прочность и устойчивость сооружения и его основания от воздействия фильтрационного потока. Для различных схем подземного контура его минимальную длину можно предварительно (после гидравлического расчета сооружения) определить по следующим зависимостям. Минимальная допустимая длина подземного контура для распластанной схемы (l0/S0 ≥ 5 и  Тд ≤ 0,5l0) определяется по формуле Lmin = Hср − 0, 88Tср, (2.6) I кр ср где Н  — расчетный напор на сооружении; I кр   — расчетный осредненный критический градиент напора (принимается по табл. 4.2); l0 — проекция подземного контура на горизонталь; S0 — проекция подземного контура на вертикаль; Тд  — действительное заглубление водоупора; Тср — средняя глубина залегания расчетного водоупора, положение которого определяется размером Tрасч ′ :

T1 + T2 + T3 + ... + Tm , (2.7) m где Т1 — заглубление расчетного водоупора под дном верхнего бьефа; Т2 — то же под подошвой понура и т.д.; m — число значений Т, введенных в формулу.



Tср =

При глубоком залегании водоупора (Тд > 0,5l0) для определения минимальной длины подземного контура можно использовать зависимость Lmin = Lв + 1, 5Lг = Hср , (2.8) I кр где Lв и Lг — суммарные длины соответственно вертикальных и горизонтальных элементов контура. Разумеется, уравнения (2.6) и (2.8) в некоторых случаях фильтрационного расчета гидросооружений приходится решать подбором в связи с отсутствием в начале расчета данных о величинах l0 и S0. Окончательно размеры подземного контура будут приняты (определены) после выполнения фильтрационного (гидротехнического) расчета.

53

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

2.2.3. Расчеты по гидродинамической сетке

6

hx

0,5 Iвых

Imax

5

hx

НПУ

0,1Н

0,1Н

Элементы гидродинамической сетки. С помощью гидродинамической сетки можно определить все параметры фильтрационного потока — напоры, гидравлические градиенты, скорости и расходы. Достоинство сеток: все параметры легко вычисляются и, что очень существенно, их можно определить в любой заданной точке области фильтрации. Рассмотрим элементы гидродинамической сетки (рис. 2.7). Семейство линий, идущих от поверхности дна верхнего бьефа к  поверхности дна нижнего бьефа, представляет собой линии токов, а семейство линий, идущих от подземного контура к водоупору, — линии равного напора (уровни воды в  пьезометрах, установленные на этих линиях, находятся на одной высоте). Полосу, ограниченную соседними линиями тока, называют лентой расхода, а полосу между линиями равного напора — поясом давлений. Следует отметить, что подземный контур является первой линией тока, а водоупор — последней, т.е. верхней граничной линией тока является водонепроницаемая часть подземного контура флютбета, нижней — водоупор. Верхняя граничная линия равного напора (с напором hx = H) находится на поверхности дна верхнего

H

x 1

0,005H l

3 2 0,9Н

0,8Н

I  f(x) x

S

4 0,6Н

0,4Н

7 0,2Н

Рис. 2.7. Гидродинамическая сетка:

0,1Н

1, 2 — линии токов и равных напоров; 3 — лента расхода; 4 — пояс давления; 5, 6 — эпюры соответственно фильтрационного противодавления и выходных градиентов фильтрационного потока в нижнем бьефе, построенные по гидродинамической сетке; 7 — водоупор; I — выходной градиент напора

54

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

бьефа, нижняя (с напором hx  = 0)  — на поверхности дна нижнего бьефа и линии дренажей в основании (если они есть). Число лент расхода и  поясов равных напоров выбирают в  зависимости от требуемой точности решения. Чем меньше шаг ∆S и  ∆l, тем точнее можно определить параметры фильтрационного потока. Отношение ∆S/∆l называют коэффициентом формы сетки. При ∆S/∆l = 1 сетка будет квадратной, при ∆S/∆l ≠ 1 — неквадратной. Квадратная сетка обеспечивает большую точность расчетов. Соотношение М = П/Л называют модулем сетки (П — число поясов давления, Л — число лент расхода). Для правильно построенной сетки в данной области фильтрации при любом числе лент расхода и поясов давления модуль сетки М должен быть постоянным. Способы построения гидродинамических сеток. Гидродинамическую сетку можно построить по уравнениям для простых очертаний подземного контура, экспериментально, на приборе ЭГДА и приближенно графически. Метод ЭГДА был предложен Н.Н. Павловским в 1921–1922 гг. По этому методу можно построить гидродинамическую сетку для области фильтрации практически любой сложной формы. Данный метод основан на математическом подобии между движением воды в  грунте и  постоянным электрическим током в  проводнике (табл. 2.1). Таблица 2.1 Элементы электрического тока и соответствующие им элементы фильтрационного потока Электрический ток

Электрический потенциал С Удельная проводимость С = 1/ρ Плотность тока i Закон Ома i = −C du dl Уравнение Лапласа для электрического потенциала 2

2

2

d U + d U + d U =0 dx 2 dy 2 dz 2

Фильтрационный поток

Пьезометрический напор Н Коэффициент фильтрации К Скорость фильтрации v Закон Дарси

v = −К dh dl

Уравнение Лапласа для напора d 2h + d 2h + d 2h = 0 dx 2 dy 2 dz 2

55

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

Окончание табл. 2.1 Электрический ток

Фильтрационный поток

Изоляционная поверхность

Поверхность водоупора

dU = 0 , dn где n — нормаль Интеграл уравнения Лапласа (функция потенциала) U = f(x, y, z) Эквипотенциальная поверхность U = const Сила тока I Площадь сечения F Длина линии тока L Напряженность электрического поля

dU = 0 , dn где n — нормаль Интеграл уравнения Лапласа (напорная функция) h = f(x, y, z) Поверхность равных напоров h = const Фильтрационный расход Q Площадь сечения ω Длина пути фильтрации L

U − U2 E = 1 L

Градиент фильтрационного потока h − h2 I = 1 L

Такая аналогия между движением электрического тока в  проводнике и движением фильтрационного потока в грунте позволяет на модели, выполненной из электропроводного материала и геометрически подобной изучаемой области фильтрации, находить точки с  одинаковыми значениями потенциалов. Проведенные через эти точки линии будут линиями равных потенциалов, соответствуют линиям равных напоров, а  перпендикулярные им  — силовым линиям, т.е. линиям тока фильтрационного потока. Используя метод ЭГДА, можно получить линии равных напоров и линии токов, т.е. построить гидродинамическую сетку движения фильтрационного потока. В  практике чаще всего ограничиваются нахождением линии равных напоров, а линии токов, перпендикулярные линиям равных напоров, строят графически. Интегратор ЭГДА (элетрогидродинамических аналогий) представляет собой измерительный мостик Уитстона постоянного тока с  выпрямителем для питания от сети переменного тока. Кроме этого в схему интегратора входят потенциометрический делитель напряжения, необходимый для реализации граничных условий, и  ампервольтметр для измерения режима работы интегратора и определения электрических параметров модели.

56

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

В  приборе ЭГДА водопроницаемый грунт моделируется специальной электропроводной бумагой, электролитическими растворами или металлической фольгой. Работа мостовой схемы (рис.  2.8,  а) сводится к  тому, что при R R выполнении соотношения сопротивлений 1 = 3 потенциалы R2 R4 в точках с и d будут равны, т.e. ток между ними отсутствует. Измерительное устройство интегратора (рис. 2.8, б) состоит из градуированного потенциометра, составляющего два плеча моста (R3 и  R4), и  гальванометра  — индикатора равновесия моста. Два других плеча моста (R1 и  R2) составляют модель задачи, изготовленную из специальной электропроводной бумаги, являющейся сопротивлением с  большой поверхностью. В  качестве источника питания применен выпрямитель, включенный в  электрическую сеть переменного тока через понижающий трансформатор. Соединив модель с измерительным устройством и подключив к ней источник питания, получим схему обычного четырехплечного моста. а

U c

i1

б

Ш1

c

R1

Ш2

6

R2

a

i2

R2

R1 b

R3

R4

5 4

d

a

R3 i3

d

U 

b

R4 i4

2

3

1 ~ 220

Рис. 2.8. Схема мостика Уитстона (а) и прибора ЭГДА (б):

1  — понижающий трансформатор; 2  — выпрямитель; 3  — реохорд; 4  — гальванометр; 5 — игла-щуп; 6 — модель

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

57

Если измерительной иглой подключиться к  модели в  какойлибо точке  с, то будут иметь место отмеченные на схеме токи  i и  потенциалы U. Если же градуированное сопротивление (потенциометр) измерительного устройства отрегулировать так, чтобы потенциал U′ в  точке  с был равен потенциалу U ′′ в  точке d, то мост будет уравновешен, в чем убедимся по отсутствию отклонения стрелки гальванометра (U′ - U′′ = 0, ток i = 0). Достоинство схемы моста сопротивлений в  том, что результаты измерения потенциалов на модели не зависят от величины напряжения, приложенного в вершинах моста, т.е. колебания напряжения в  источнике питания (электрической сети) не  влияют на результаты опытов. Эта особенность схемы позволяет разность потенциалов принимать равной единице. Разбив потенциометр на равные части (5; 10; 20; 50; 100), можно на исследуемой модели определять эквипотенциальные линии в долях напора. В случае неоднородного основания электрическая модель задачи изготавливается из различной по проводимости электропроводной бумаги, вырезанной по форме, геометрически подобной различным зонам в натуре. Удельное сопротивление одной из зон выбирается произвольно, а всех остальных зон определяется по формуле

ρv К = 1, ρ1 Кv

где ρ1 и ρv — удельное сопротивление первого слоя электропроводной бумаги и слоя v; К1 и Кv — коэффициенты фильтрации первого слоя и  слоя v; v  — номер соответствующих слоев модели и  натуры, v = 2, 3, 4, ..., n. Различные зоны модели склеивают электропроводным клеем. При бесконечно удаленном водоупоре на определенной глубине от сооружения влияние флютбета на движение грунтового потока затухает. Активная зона влияния флютбета, по рекомендациям профессора Е.А.  Замарина, принимается по кривой (рис.  2.9), проходящей на расстоянии (0,8...1,0)L по горизонтали от понура и  водобоя и  на глубине (1...1,5)S по вертикали от нижнего конца шпунта (L — длина по горизонтали водонепроницаемой части флютбета, S — длина шпунта). В основу графического метода построения гидродинамической сетки положена ортогональность, непрерывность и плавность линий

58

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений УВБ

L

L

(0,8...1,0)L

(1,0...1,5)S

S

(0,8...1,0)L

Рис. 2.9. Граница активной зоны фильтрации

тока и  равного напора. При графическом построении гидродинамической сетки необходимо соблюдать следующие основные требования: ˆˆлинии токов и линии равных напоров должны пересекаться под прямыми углами (быть ортогональными), т.е. касательные, проведенные  к линиям тока и  линиям равных напоров в  точках их пересечения, должны быть перпендикулярны; ˆˆлинии равных напоров в точках примыкания к контуру сооружения и линии водоупора должны быть ортогональны; ˆˆлинии токов в точках примыкания к линиям дна верхнего и нижнего бьефов также должны быть ортогональны; ˆˆсетка движения должна быть образована криволинейными квадратами или прямоугольниками. Сетку строят на чертеже в масштабе. Область фильтрации делят на число лент расхода и  проводят линии токов. Затем строят криволинейные ячейки сетки  — квадраты с  принятым соотношением DS/∆l и одновременно корректируют положение линий токов. Вблизи уступа или шпунтовой стенки (в особых областях подземного контура) ячейки сетки будут не криволинейными квадратами, а криволинейными многоугольниками (см. рис. 2.7). Для удобства

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

59

нахождения точек распределения давления фильтрационного потока непосредственно вдоль подошвы подземного контура флютбета, 0,9H, 0,8H, 0,7H и т.д. можно воспользоваться, например, методом удлиненной контурной линии. Если фактический водоупор залегает глубоко, при построении гидродинамической сетки принимают условный водоупор на глубине Т = 2,5l0, где l0 — горизонтальная проекция водонепроницаемой части флютбета. Определение элементов фильтрационного потока по сетке. Напор в любой точке области фильтрации определяется по формуле

hx = n Н , П

(2.9)

где n  — число поясов давлении, отсчитываемых от конца водонепроницаемой части флютбета; Н  — действующий напор; П  — общее число поясов давлений в сетке. Если пояса давления отсчитывать со стороны верхнего бьефа (от начала флютбета), то формула (2.9) определяет потерю напора до рассматриваемой точки. Сумма оставшегося и потерянного напора всегда равна действующему напору. В практических случаях напор обычно определяют в характерных точках по подземному контуру для построения эпюры напоров. Для определения градиентов напора по сетке берут две точки в области фильтрации по направлению линии тока, определяют разность напоров между ними и делят на расстояние между этими точками, измеряя его по линии тока. При действующем напоре Н средний градиент напора между соседними линиями равного напора определяют по формуле

I = Н , П∆l

(2.10)

где ∆l — расстояние между рассматриваемыми точками. Скорость движения определяют по формуле Дарси:

vф = КI = К Н , П∆l

где К — коэффициент фильтрации грунта основания.

(2.11)

60

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Фильтрационный расход через одну ленту шириной ∆S на один погонный метр ширины сооружения (в условиях плоской схемы фильтрации) будет равен

q1 = vф ω1 = К ∆SН , П∆l

(2.12)

а в случае квадратной сетки, когда ∆S = ∆l,

q1 = К Н . П

(2.13)

При числе лент Л фильтрационный расход под сооружением, в случае квадратной сетки, на единицу ширины будет равен

q = КH Л . П

(2.14)

Полный расход под сооружением шириной В составит:

Q = КH ∆S Л B, П∆l

(2.15)

а в случае квадратной сетки, когда ∆S = ∆l,

Q = КHB Л . П

(2.16)

Если при фильтрационных расчетах нельзя ограничиться решением плоской задачи, а  нужно решать пространственную, то пользуются пространственным прибором ЭГДА с  заменой грунта жидкостью — электролитом. В некоторых случаях, когда гидротехническое сооружение имеет значительную протяженность, можно по нескольким характерным поперечникам решить плоскую задачу, а потом подсчитать осредненные значения расчетных величин для перехода к пространственным условиям.

2.2.4. Расчет фильтрации методом коэффициентов сопротивления Р.Р. Чугаева Общие указания. Метод коэффициентов сопротивления является дальнейшим развитием известного метода фрагментов Н.Н. Павловского. Он был предложен P.P. Чугаевым в 1953–1955 гг. во Всесоюз-

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

61

ном научно-исследовательском институте гидротехники (ВНИИГ) им. Б.Е. Веденеева. Сущность его состоит в том, что область фильтрации с резкоизменяющимся движением фильтрационного потока приближенно заменяется областью фильтрации с  плавно изменяющимся движением в  виде трубы с  элементами подземного контура сооружения, характеризуемыми коэффициентами местных сопротивлений ξi, пропорционально которым распределяются фильтрационные потери напора. Чтобы главные параметры фильтрационного потока могли быть рассчитаны при такой замене с приемлемой точностью, вводится понятие активной зоны фильтрации, характеризуемой глубинами Tак′ , Tак′′, Tак′′′. Активной зоной фильтрации является глубина, за пределами которой положение водоупора уже не оказывает влияния на пара­ метры фильтрационного потока (фильтрационное давление W, гидравлический градиент I и  фильтрационный расход q). В общем случае каждому из них соответствует своя глубина активной зоны: W − Tак′ , I − Tак′′ , q − Tак′′′, причем Tак′′ ≈ 2Tак′ , а Tак′′′ ≈ Tд или Tак′′′ ≈ 3Tак′ (при бесконечном залегании водоупора). Рассматриваемый метод разработан для плоской схемы фильтрации. Он позволяет решить следующие основные задачи: ˆˆпостроить эпюру противодавления W на флютбет сооружения, найти остаточный напор hос на нижнем конце низового (выходного) зуба, а  следовательно, определить средний гидравлический градиент I на упомянутом элементе контура; ˆˆрассчитать максимальный выходной градиент фильтрации Iвых в плоскости дна нижнего бьефа; ˆˆопределить фильтрационный расход. Для решения вышеперечисленных задач дополнительно необходимо: ˆˆустановить положение поверхности расчетного водоупора Tрасч; ˆˆопределить на основании найденных величин Трасч численные значения коэффициентов сопротивления ξi для отдельных элементов подземного контура. В общем случае отметка поверхности расчетного водоупора Трасч не совпадает с глубиной залегания действительного водоупора Тд. Как правило, трем различным параметрам фильтрационного потока (противодавлению W, выходному гидравлическому гради-

62

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

енту Iвых и  расходу фильтрации q) соответствуют три различные расчетные глубины залегания водоупора: Tрасч ′ , Tрасч ′′ и Tрасч ′′′ , причем Tрасч ′ ≠ Tрасч ′′ ≠ Tрасч ′′′ . Tрасч и Тд всегда измеряются по вертикали от поверхности водоупора до наиболее высоко расположенной точки подземного контура (обычно до дна канала). Глубины залегания расчетных водоупоров определяются следующим образом: ˆˆпри построении эпюры фильтрационного давления (противодавления):

если Tд ≤ Tак′ , то Tрасч ′ = Tд ;

(2.17)



если Tд > Tак′ , то Tрасч ′ = Tак′ ;

(2.18)

ˆˆпри определении максимального выходного градиента в плоскости дна нижнего бьефа:



если Tд ≤ Tак′′, то Tрасч ′′ = Tд ;

(2.19)



если Tд > Tак′′, то Tрасч ′′ = Tак′′ ,

(2.20)

с известным приближением принимается, что Tак′′ ≈ 2Tак′ ; ˆˆпри определении расхода фильтрации всегда исходят из действительной глубины залегания водоупора, т.е. Tрасч ′′′ = Tд . При T  ≥  2,5l0, что эквивалентно бесконечному залеганию водоупора, можно принять Tрасч ′′′ = 3Tак′ . Глубина активной зоны фильтрации Tак′ определяется по следующим формулам: ˆˆдля распластанного подземного контура:

если

l0 ≥ 5, то Tак′ = 0, 5l0, S0

(2.21)

где l0 и S0 — проекция подземного контура сооружения на горизонтальную и вертикальную оси; ˆˆдля



промежуточной схемы подземного контура: если 3, 4 ≤

l0 < 5, то Tак′ = 2, 5S0; S0

(2.22)

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов ˆˆдля

ˆˆдля



заглубленного подземного контура: если 1 ≤



63

l0 < 3, 4, то Tак′ = 0, 8S0 + 0, 5l0; S0

(2.23)

весьма заглубленного подземного контура: если 0 ≤

l0 < 1, то Tак′ = S0 + 0, 3l0 . S0

(2.24)

Общий порядок гидротехнического расчета по методу коэффициентов сопротивления. 1. Составляют расчетную схему подземного контура. В ходе работы отбрасывают отдельные конструктивные детали, элементы, практически не влияющие на параметры фильтрационного потока, в результате чего получают подземный контур, состоящий из вертикальных и горизонтальных путей фильтрации. 2. Определяют вертикальную S0 и горизонтальную l0 проекции подземного контура. По отношению l0/S0 устанавливают активную зону фильтрации и расчетное положение водоупора в зависимости от того, какой параметр фильтрационного потока будет в  дальнейшем определяться (потери напора (для эпюры фильтрационного давления), максимальный выходной градиент или расход фильтрации). 3. Расчетный подземный контур разбивают на отдельные элементы. Согласно рассматриваемому методу, любой подземный контур может быть разбит на три типовых отдельных элемента, характеризуемых соответствующими коэффициентами сопротивлений ξi: ˆˆвходной (ξвх) и  выходной (ξвых) элементы подземного контура 1–2 и 8–10 (см. рис. 2.23); ˆˆвнутренний шпунт (ξш) или вертикальный уступ (ξус) (при S = 0) 3–5 и 6–7; ˆˆгоризонтальные элементы контура (ξгор) 2–3, 5–6 и 7–8. Численные значения коэффициентов сопротивления при плоской задаче фильтрации для всех выделенных элементов контура не зависят от направления фильтрационного потока, т.е. при геометрическом подобии области фильтрации можно записать, что ξвх = ξвых. 4. Определяют численные значения коэффициентов сопротивления при соответствующем расчетном положении водоупора.

64

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

а

б

в

l

а S

T1 ш

S1 T2

S

T1 вх вых

T2

S2 T  гор

Рис. 2.10. Расчетные элементы подземного контура и фрагменты основания: а  — внутренний шпунт или вертикальный уступ; б  — входной (выходной); в — горизонтальный

Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта или уступа (рис. 2.10, а) определяется по формуле

0, 5S T2 ξ ш = a + 1, 5 S + , T1 T2 1 − 0, 75S T2

(2.25)

где а — высота уступа; S — глубина шпунта; Т1 и Т2 — заглубления расчетного водоупора под подошвой сооружения соответственно перед шпунтом и за шпунтом (всегда T1 = T2 + a). Зависимость (2.25) применяется при условии 0,8 ≥ S/T2 ≥ 0. При отсутствии шпунта, т.е. когда S  =  0, коэффициент сопротивления уступа определяют по формуле

ξ ус = a . T1

(2.26)

Если же отсутствует уступ (а = 0), то в формуле (2.25) T1 = T2 = T. Для определения коэффициента сопротивления входного и вы­ ходного элементов подземного контура (рис. 2.10, б) к значению коэффициента ξш или ξус прибавляют значение коэффициента сопротивления на чистый вход или выход (поворот потока). Тогда ξвх = ξвых = ξш + 0,44. Если же S = 0, остается только уступ и ξвх = ξвых = ξус + 0,44. Когда же S = 0 и а  = 0, имеет место так называемый плоский вход или выход и ξвх = ξвых = 0,44, т.е. входной и выходной элементы обращаются в точку. Значение ξi = 0,44 считается коэффициентом сопротивления чистого поворота фильтрационного потока на 90°.

65

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

Для горизонтального элемента длиной l между двумя шпунтами глубиной S1 и S2 (рис. 2.10, в), если

l > 0,5(S1 + S2),

(2.27)

коэффициент сопротивления горизонтального участка определяется по формуле l − 0, 5(S1 + S2 ) ξ гор = . (2.28) T Когда S1 = S2 = 0, ξгор = l/T. При l ≤ 0,5(S1 + S2)  ξгор = 0. Это указывает на то, что при проектировании подземного контура, а  точнее при предварительном назначении глубин шпунтов S1, S2 и расстоянии между ними l, следует учитывать условие (2.27). 5. Зная величину коэффициентов сопротивления ξi, рассчитывают все основные параметры фильтрационного потока (потери напора на отдельных элементах подземного контура hi для построения эпюры фильтрационного давления, максимальный выходной градиент Iвых и фильтрационный расход). Построение эпюры фильтрационного давления. 1. Принимают расчетную схему, как было указано ранее. 2. Определяют расчетное положение водоупора по напору. 3. Разбивают подземный контур на отдельные элементы и определяют численные значения коэффициентов сопротивления. n

4. Вычисляют сумму всех коэффициентов сопротивления ∑ ξ i . i =1

5. Для каждого элемента подземного контура прямо пропорционально численным значениям их коэффициентов сопротивления определяют потери напора hi по формуле

hi =

H ξ , i ξ ∑ i n

(2.29)

i =1

где Н  — напор на сооружении; ξi  — коэффициент сопротивления i-го элемента подземного контура;

n

∑ ξi   — суммарный коэффициi =1

ент сопротивления всего подземного контура.

66

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Следует отметить, что n

∑ hi



= H.

i =1

6. По известным потерям напора на каждом элементе подземного контура hi строят эпюру фильтрационного давления на подошву сооружения Wф (см. рис. 2.23, в) и при необходимости эпюру взвешивающего давления Wвзв (см. рис. 2.23, г). Следует отметить, что при построении эпюры фильтрационного давления различают случай так называемого плоского входа или выхода (рис.  2.11), когда входной или выходной элемент контура характеризуется соотношением S < 1  T2 − 1 , (2.30) T1 4  T1 3  т.е. когда подземный контур с входным или выходным элементом близок или совпадает с плоским входом или выходом. При наличии этого соотношения найденная выше потеря напора на входном или выходном элементе контура (hвх или hвых) может иногда значительно отличаться от действительной потери напора на входном или выходном элементе, обозначаемой далее hвх.д или hвых.д. 0,1l P M

hвых

N УНБ

N

hвых.д P

1 l

S T2

T1

Рис. 2.11. Расчетная схема концевого участка подземного контура при наличии условия (2.30) (выходной элемент близок к «плоскому выходу»): 1 — флютбет

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов

67

Расхождение в  значениях hвх и  hвх.д или hвых и  hвых.д носит местный характер, причем им часто можно пренебречь (особенно для входного элемента, относящегося к понуру). Однако при желании эту погрешность, возникающую при наличии соотношения (2.30), можно легко устранить. Для этого поступают следующим образом: 1) вычисляют действительные значения потерь напора hвх.д и hвых.д по формулам hвх.д = δhвх  и  hвых.д = δhвых,



(2.31)

где при 0,7 ≤ Т2/Т1 ≤ 1,0 поправочный коэффициент δ равен δ≈



 T   sin  3 π  4 S + 1 − 2   ; T T1   4  1 

(2.32)

2) имея пьезометрическую линию PN′P (рис. 2.11) и рассматривая, например, выходной элемент контура, откладывают, как показано на рисунке, значение hвых.д, получают точку N. Затем точку N соединяют прямой линией с точкой М на линии PN′P на расстоянии 0,1l от конца флютбета (l — длина флютбета). Соединив точки М и  N и  отбросив площадь MN′N, получают скорректированную эпюру фильтрационного давления в области выхода (или входа). Определение фильтрационного расхода. В соответствии с методом коэффициентов сопротивления величину удельного фильтрационного расхода определяют по формуле q=



H К, ∑ ξi n

(2.33)

i =1

где

n

∑ ξ i   — суммарный коэффициент сопротивления, определенi =1

ный при Tрасч ′′′ = Tд или 3Tак′ ; К — коэффициент фильтрации грунта основания. Определение остаточного напора на выходном элементе подземного контура. Для оценки местной фильтрационной прочности грунта основания в  зоне выхода потока в  нижний бьеф необходимо знать величину остаточного напора на выходном элементе подземного контура.

68

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Остаточный напор на выходном элементе (на острие выходного (низового) зуба или шпунта) определяют по зависимости hос = εhвых,



(2.34)

где hвых  — потери напора на выходе (определяют по эпюре фильтрационного давления без учета поправки δ); ε  — коэффициент, для случая 0,7 ≤ T2/T1 ≤ 1,0 и S/T2 > 0,1 ε определяют по приближенной формуле ε ≈ 0,8 - 0,3S/T1, (2.35) где Т1 и Т2 — расчетное заглубление водоупора за зубом (шпунтом) и перед ним (рис. 2.12); S — глубина зуба (шпунта). При выходном элементе, не имеющем выходного зуба (или шпунта), остаточный напор в  точке b определяется по зависимости (2.31). Определение градиентов напора в  плоскости дна нижнего бьефа. В  месте выхода фильтрационного потока в  нижний бьеф в точке примыкания водобоя к рисберме (точка 7 на рис. 2.6) будет максимальный выходной градиент Iвых. Исходя из величины этого градиента ведут расчет поверхностной суффозии (см. п. 2.3.2) и проектируют обратные фильтры, покрывающие дно нижнего бьефа. Для определения его численного значения прежде всего необходимо найти глубину залегания расчетного водоупора по выходному градиенту Tрасч ′′ , в соответствии с которой вычисляются значения коэффициентов сопротивления отдельных элементов контура и  их сумма

n

∑ ξ i . Величина максимального выходного градиента i =1

Iвых рассчитывается по формуле C.Н. Нумерова: H , I = вых

n

(2.36)

T1α ∑ ξ i i =1

где α — коэффициент, определяемый в зависимости от отношений S/T1 и Т2/Т1 по формуле

α≈

  T  sin  π  S − 2 + 1  , T T 2   1 1 

(2.37)

где Т1 и Т2 — соответственно глубины водоупора справа и слева от шпунта глубиной S.

69

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов а

б

6 S

T2

5

6 b

T1

b

T1

T2

Рис. 2.12. К определению напора на нижнем конце выходного шпунта: а — с выходным зубом; б — без выходного зуба

Коэффициент α можно также определить и  по графику [63], приведенному на рис. 2.13. При расположении водоупора на большой глубине, когда Tрасч ′′ = Tак′′ , в формулу (2.36) вводят коэффициент 1,1, в противном случае она дает несколько заниженные значения: I = 1,1 H . (2.38) вых

n

T1α ∑ ξ i i =1

1,0

,7 0 T1 / T2 0,8 0,9

1,0

S/T 1

1,

1

0,8



0

1,4

1,3

1,2

0,6

0,4

T1

S

Iвых

T2

T1

T2

0,2

S

Iвых

S/T1 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,0 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 0,88 0,86 0,84 0,82 0,80 0,78 0,76 0,74 0,72 0,70 Дополнительная шкала для кривой S/T1 = 0 T /T 2

1

Рис. 2.13. График для определения коэффициента α

70

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Расчеты показывают, что максимальный выходной градиент в  1,5–2,5 раза больше, чем максимальный градиент напора на горизонтальном участке. Необходимо отметить, что значения выходных градиентов на­ пора  Iвых в  плоскости дна нижнего бьефа на любом расстоянии от  края флютбета можно вычислить по графикам С.Н.  Нумерова в зависимости от отношения х/Sвых и Sвых/T для приведенного выходного элемента контура (рис. 2.14). Величина среднего градиента напора на выходе (выходном зубе или шпунте) определяется по формуле ср I вых =



hос , Sвых

(2.39)

где hoc — величина остаточного напора, определяемая по формуле (2.34); Sвых  — величина заглубления выходного зуба или шпунта в грунт основания ниже отметки слоя фильтра со стороны нижнего бьефа (рис. 2.15). Определение осредненного градиента напора подземного контура. Величины осредненных градиентов фильтрационного I/Iвых

0,8

I I  f(x)

Iвых

0,4

x

Sвых

T

I

0,6

x

Действительный водоупор

0,2

T Sвых/T  0,06

0,5 0,2

0,9 0

I

4

8

12

16

20

24

28

32

36 x/Sвых

Рис. 2.14. Зависимость I/Iвых = f(x/Sвых, Sвых/Т) для плоской схемы фильтрации (по С.Н. Нумерову)

71

2.2. Задачи и методы фильтрационных расчетов б

Iвых

H2

b

Sвых

t

Iвых

H2 УНБ

Sвых

t

Iвых

г

УНБ

x

b

x

b

H2

Iвых

в

УНБ

x

Sвых  0

Iвых

УНБ

Iвых

H2

Iвых

Iвых

а

x

b

Sвых  0

Рис. 2.15. Конструкция выхода фильтрационного потока в нижний бьеф:

а — рекомендуемая, с уступом без выходного зуба; б — рекомендуемая, с уступом с выходным зубом; в — не рекомендуемая, без уступа и выходного зуба; г — не рекомендуемая, без уступа с выходным зубом

потока Iср необходимы для оценки обшей фильтрационной прочности основания сооружения в плоскости контакта водонепроницаемой части подземного контура. Для обычно встречающегося случая подземного контура, когда l  ≥ S, где S  — глубина шпунта; l  — расстояние между шпунтами (длина наибольшего горизонтального участка подземного контура при одном шпунте), величины осредненных градиентов напора вычисляют по формуле

I ср =

Н n

,

(2.40)

(Tрасч ′ )ср ∑ ξ i i =1

где (Tрасч ′ )ср  — средняя глубина расчетного водоупора по напору, устанавливаемая по формулам (2.17) или (2.18) при определении коэффициентов сопротивления ξi элементов подземного контура,

72

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений m

(Tрасч ′ )ср =

m

∑ Ti



i =1

∑ Ti i =1

m

,

(2.41)

= T1 + T2 + T3 + ... + Tm ,

Т1 — заглубление расчетного водоупора под дном верхнего бьефа; Т2 — под подошвой понура и т.д.; m — число значений Т, введенных в  формулу;

n

∑ ξ i   — суммарный коэффициент сопротивления элеi =1

ментов подземного контура, определенный при Tрасч ′ . В случае распластанного подземного контура, удовлетворяющего условиям S ≤ 0, 4,  T  ≈ T  ≈ T  ≈ … ≈ T и l – 0,5(S  + S ) ≈ l, (2.42) 1 2 3 m 1 2 T1 величина осредненного градиента фильтрации определяется по зависимости H I ср = , (2.43) L + 0, 88(Tрасч ′ )ср где L — развернутая длина подземного контура.

2.2.5. Расчет фильтрации методом удлиненной контурной линии В основу метода, разработанного Р.Р.  Чугаевым, положено допущение о линейном изменении напора по длине подземного контура с  учетом более эффективных потерь на вертикальных путях фильтрации при входе и на выходе. Этот метод позволяет построить эпюру напоров и определить градиенты на отдельных участках контура (входе, выходе и по длине между ними). При определении напоров расчет ведут при Tрасч ′ , выходного градиента  — при Tрасч ′′ с использованием виртуальной длины подземного контура Lв, определяемой по зависимости

Lв = Lд + 2 ⋅ 0, 44Tрасч ′ ,

где Lд — действительная длина подземного контура.

(2.44)

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

73

Графически виртуальная длина получится, если в обе стороны от концов действительной длины развернутого подземного контура отложить отрезки, равные 0, 44T расч ′ . Этими отрезками учитывают потери напора на входных и выходных участках контура. Эпюру напоров вначале строят на виртуальной длине (линия A′B), а затем в пределах действительной длины на входных и выходных вертикальных участках исправляют (см. рис. 2.24). Во входной части исправление сводится к следующему. Из точки A′, отвечающей действующему напору, проводят горизонтальную линию до пересечения с вертикалью, опущенной из точки 1. После этого точку 1′ соединяют с точкой 2′ , лежащей на прямой A′B. В концевой части исправление сводится  к проведению наклонной линии 8′–10, где точка 8′ лежит на прямой A′B. После такой перестройки ординаты эпюры напоров на действительной длине контура будут находиться на ломаной линии 1′–2′–8′–10–1–1′. Градиент напора вдоль горизонтальных участков контура определяют по формуле H I г.к = . (2.45) Lд + 0, 88Tрасч ′ Максимальный выходной градиент можно приближенно определить так: h I вых = вых , (2.46) l вых где lвых  — длина концевого вертикального участка контура (8–10 на рис. 2.24); hвых — потеря напора на этой длине (8–8′ на рис. 2.24, вычисленная при Tрасч ′′ ).

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации 2.3.1. Роль дренажей и шпунтовых стенок в подземном контуре Понятие о дренажах. Устройства, обеспечивающие прием и отвод профильтровавшейся воды и снижение фильтрационного давления, если они расположены в пределах водонепроницаемой части подземного контура, называют дренажами.

74

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Дренаж — мощное средство, которое позволяет управлять фильтрационным потоком, протекающим как под флютбетом сооружения, так и в обход береговых стенок. Дренажи выполняют из грунтового материала с  повышенным коэффициентом фильтрации по отношению к контактирующему с ним грунту: гравия, гальки, гравийно-галечниковой смеси, а также крупных песков. В последнее время в качестве дренажа используют пористый бетон и минеральные волокнистые материалы. В водоподпорных сооружениях находят применение два типа дренажей: плоский — горизонтальный и глубинный — вертикальный. Плоские дренажи представляют собой постель из грунтовых материалов со значительным коэффициентом фильтрации. Вертикальные дренажи представляют собой буровые скважины. В редких случаях применяют и  другие типы дренажей в  виде галерей или траншей, заполненных пористыми материалами. Любой дренаж должен состоять из двух частей  — водоприем­ ной, примыкающей к грунту, в котором движется фильтрационный поток, и водоотводящей, предназначенной для отвода воды за пределы дренажа. Не во всех дренажах эти две части явно выражены, но они обязательно имеются. В некоторых случаях водоприемная часть дренажа одновременно выполняет и роль отводящей. Обратные фильтры дренажей. Водоприемная часть дренажа контактирует с грунтом, в котором движется фильтрационный поток. В крупнопористом дренаже (например, выполненном из камня или гравийно-галечниковой смеси) частицы грунта под воздействием фильтрационного потока могут попасть в  поры дренажа. Для предупреждения такого перемещения по линии контакта грунта с дренажем укладывают обратные фильтры, располагая их в один или несколько слоев. В многослойных обратных фильтрах частицы грунта последующего слоя будут больше частиц предыдущего слоя. Этим обеспечивается непроникновение мелких частиц в  более крупные поры последующего слоя под воздействием фильтрационного потока. Частицы грунта в обратных фильтрах подбирают по графикам или рассчитывают по формулам. Обратный фильтр выполняет функцию прослойки, сопрягающей крупнообломочный (щебеночный) или гравийный материал дренажа с защищаемым грунтом основания. Он также предохраняет

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

75

грунт основания от опасного развития суффозии, устраняет возможность его разрушения деформациями контактного выпора и  вместе с  дренажем и  водопроницаемыми плитами крепления рисбермы является пригрузкой, обеспечивающей местную устойчивость грунта основания в нижнем бьефе против выпора. При проектировании надо добиваться того, чтобы точки резкого перелома подземного контура не лежали в  области поверхностного слоя основания, так как в последних градиенты и скорости фильтрации теоретически стремятся к бесконечности (точка b на рис. 2.15, в, г). Иначе, несмотря на устройство фильтра, в защищаемом грунте неизбежно развитие деформаций суффозии и контактного выпора (о фильтрационных деформациях будет сказано ниже). Поэтому конструкция плоского выхода недопустима. Следовательно, острие зуба или шпунта должно располагаться на некоторой достаточной глубине, обеспечивающей конечные (допустимые) значения выходных градиентов Iвых на контакте грунта и фильтра (рис. 2.15, а, б). По данным исследований Белорусского научно-ис­сле­до­ва­тель­ ско­го института мелиорации и луговодства (БелНИИМиЛ)*, толщина слоя обратного фильтра должна быть такой, чтобы в  нем сформировался грунтовой скелет соответствующего гранулометрического состава. По фильтрационным условиям она принимается не менее Tmin = (5...7)D85. В зависимости от способа производства работ минимальную толщину слоя фильтра принимают: ˆˆпри ручной укладке, разравнивании и уплотнении — 10 см; ˆˆмеханической укладке, разравнивании и уплотнении — 20 см; ˆˆотсыпке фильтра в  текущую воду  — не менее 75  см (для однослойного фильтра) и не менее 50 см (для каждого последующего слоя двухслойного и более фильтра). Минимальная толщина дренажа по конструктивным и  производственным соображениям принимается равной 0,2 м. Число слоев обратного фильтра определяют в  зависимости от конкретных условий, однако всегда нужно стремиться к минимальному их количеству. * Ранее назывался Белорусский научно-исследовательский институт мелиорации и  водного хозяйства (БелНИИМиВХ). Сейчас называется РНДУП «Институт мелиорации» НАН РБ.

76

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Длина укладки фильтра (пригрузки) в  нижнем бьефе определяется графоаналитически на основе сопоставления эпюры выходных (максимальных) градиентов фильтрации по оси сооружения и допускаемого выходного градиента для грунта основания. В некоторых случаях дренаж может состоять только из слоев обратного фильтра. Такие дренажи (обратные фильтры) обычно применяют под плитами водобоя или под подошвой тела плотины, а также на рисберме, когда ее покрытием служат бетонные плиты. Местоположение дренажей. Дренажи в водоподпорных сооружениях располагают за пределами водонепроницаемой части подземного контура или в  ее пределах. Напорный фильтрационный поток, протекающий в  основании, поступает в  нижний бьеф на участке рисбермы, которую, как указывалось ранее, выполняют водопроницаемой. Для предупреждения выноса частиц грунта основания фильтрационным потоком под рисбермой укладывают дренаж, защищенный обратным фильтром, или используют обратные фильтры в качестве дренажа. Дренажи (обратные фильтры), располагаемые под водонепроницаемой частью подземного контура, не только обеспечивают выпуск профильтровавшейся воды из основания, но и  снимают или уменьшают фильтрационное противодавление на флютбет. Если плоский дренаж (обратный фильтр) расположить под водобойной плитой (рис. 2.16, б), фильтрационное противодавление будет снято в той ее части, где он расположен, а также на участке контура, расположенном в направлении к верхнему бьефу. Дренаж может быть расположен одновременно и под подошвой тела плотины, и под водобоем (рис. 2.16, в). В этом случае на обоих участках контура фильтрационное противодавление будет снято. Применяют и  схемы с  дренажем в  конце понура (рис.  2.16,  г), когда в качестве дренажа используют галереи. Устраивая дренаж под водобоем или под подошвой плотины, необходимо обеспечить беспрепятственный отвод профильтровавшейся воды в нижний бьеф. Для этого дренажи соединяют с рисбермой или в плитах водобоя устраивают сквозные отверстия, через которые и выпускают воду. Флютбеты со сквозными отверстиями для выпуска воды в нижний бьеф называются сквозными. Устройство дренажей (обратных фильтров) в  пределах водонепроницаемой части подземного контура наряду с уменьшением

77

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации б

УВБ

H2 H

УНБ

H1

H2 H

УВБ

H1

а

УВБ

г

H2 H

УНБ

УНБ

2

H

1

H

УВБ

H1

H2 H

H1

в

1

H

H

1

УНБ

Рис. 2.16. Схемы размещения дренажей и эпюры давления фильтрационного потока вдоль подземного контура: а — за водобоем под рисбермой; б — под водобоем; в — под телом плотины и под водобоем; г — в конце понура; 1 — дренаж; 2 — дренажная галерея

или полным снятием фильтрационного противодавления ведет к  увеличению гидравлических градиентов. Если эти градиенты превосходят допускаемые, подземный контур удлиняют. Шпунтовые стенки и  их местоположение. Для увеличения длины подземного контура, когда градиенты напора превосходят допускаемые для грунта основания, применяют вертикальные противофильтрационные элементы  — шпунты, завесы, диафрагмы и зубья. Эти элементы, удлиняя путь фильтрации, снижают фильтрационное давление на расположенные за ними горизонтальные элементы флютбета.

78

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Шпунтовые ряды (завесы) в зависимости от глубины залегания поверхности водоупора устраивают висячими (не доведенными до водоупора) или совершенными (доведенными до водоупора). Их выполняют из дерева, металла и железобетона. Глубина их забивки определяется прежде всего материалом, из которого они сделаны. Деревянные шпунтовые стенки можно забивать на глубину до 5...6 м, металлические — до 20...30 м, но это не является пределом их погружения. Забивать шпунтовые стенки на глубину меньше 2 м не рекомендуется. В тех случаях, когда забивка шпунтов по каким-либо причинам затруднительна или невыгодна, устраивают зубья, противофиль­ трационные завесы методом «стена в грунте» или диафрагмы. Перед жестким понуром (обычно в  анкерных понурах) для перекрытия возможной щели между ним и  основанием всегда предусматривают зуб или шпунтовый ряд. Примыкание шпунтовых рядов  к бетонным элементам должно обеспечивать горизонтальное перемещение и  самостоятельную осадку сооружения без давления на шпунт, иначе последний может вызвать концентрацию растягивающих напряжений в бетоне. Шпунтовые стенки устраивают в  начале понура (только при анкерном понуре), в стыке понура с водобоем (королевая или верховая) — для снижения фильтрационных давлений на водобойную часть, в конце водобоя (низовая шпунтовая стенка) — для уменьшения выходных скоростей фильтрации или выходных градиентов напора. Глубина шпунтовых стенок определяется гидротехническим расчетом. Шпунтовые стенки рекомендуется предварительно размещать на расстоянии, равном или большем суммы глубин соседних шпунтов, т.е. l > (S1 + S2), где S1 и S2 — соответственно глубина шпунта в  начале и  конце горизонтального участка длиной l. При более близком расположении шпунтов их эффективность резко падает, и  давление на горизонтальные элементы, расположенные между ними, возрастает по сравнению с давлением, возникающим при наличии только верхнего шпунта. Низовой зуб (шпунт) устраивается для снижения выходных градиентов (или скоростей) фильтрации, а следовательно, для устранения возможностей развития суффозии или деформаций контактного выпора, защиты основания регулирующего сооружения от

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

79

подмыва поверхностным потоком. В то же время он подпирает фильтрационный поток и вызывает увеличение фильтрационного давления на водобой сооружения. Поэтому его длину, как правило, необходимо назначать оптимальной, в пределах рекомендованных БелНИИМиВХ значений по зависимости Sвых = (0,05...0,1)Т, но не более Sвых = (0,05...0,1)l0. Отклонение в меньшую сторону от рекомендованных значений Sвых вызывает резкое возрастание выходных градиентов (причем при Sвых → 0, Iвых → ∞), в большую — ведет к возрастанию противодавления на флютбет и  относительно незначительному уменьшению максимальных выходных градиентов фильтрации. На основании анализа работы и оценки положительного и отрицательного эффектов шпунтовых стенок П.Ф. Фильчаков показал, что устройство небольшого шпунта или зуба в конце водобоя весьма желательно и не вызывает опасного повышения суммарного противодавления на водобойную часть, когда его глубина находится в следующих пределах:

Sн = (0,02...0,05)l0,

(2.47)

где Sн — глубина низового шпунта или зуба, м; l0 — горизонтальная проекция водонепроницаемых частей флютбета, м. Толщину низового зуба назначают конструктивно и  обычно принимают равной толщине плиты в конце водобоя. Шпунтовые стенки в  подземном контуре могут быть в  один, два и  реже три ряда. Их целесообразно применять при повышенной водопроницаемости грунта основания. В глинистых грунтах их забивать не рекомендуется, а  недостающую длину подземного контура следует развивать за счет горизонтальных путей фильтрации, увеличивая прежде всего длину понура. Однорядные шпунтовые стенки в гидромелиоративных сооружениях можно расположить по различным схемам (рис. 2.17). По величине фильтрационного давления на водобои схемы, изображенные на рис.  2.17,  а, б, равнозначны, но на практике применяют схему 2.17, б, так как она в эксплуатационном отношении более надежна. Забивка шпунтовых стенок в  конце водобоя (рис.  2.17,  в) приводит к искусственному увеличению фильтрационного противодавления на водобой, а следовательно, толщина его будет больше. Исходя из этого низовой шпунт обычно устраивают щелевым,

80

в

H1 д

УВБ

H1

УВБ

H1

г

УВБ

УВБ

H1

б

е

УВБ

H1

УВБ

H1

а

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Рис. 2.17. Схемы расположения шпунтовых стенок в подземном контуре: а, б, в — в один ряд; г, д, е — в два ряда

чтобы не допустить повышения давления фильтрационного потока на водобой и защитить грунт основания от фильтрационных деформаций в зоне нижнего бьефа. Схемы забивки двухрядных шпунтовых стенок приведены на рис. 2.17, г...е. Из условия наименьшего противодавления на водобой схему 2.17, г следует считать наилучшей. В бетонных гидромелиоративных сооружениях двухрядные шпунтовые стенки применяют редко. Борьба с  контактной фильтрацией. Контактная фильтрация представляет значительную опасность для прочности и устойчивости сооружения. Она возникает в  том случае, если на контакте грунта основания и водонепроницаемых элементов подземного контура сооружения образуются щели или зоны разрыхленного грунта. Если же флютбет плотно опирается на грунт основания всей площадью, возникновения контактной фильтрации не следует опасаться. В этом случае прочность контактного слоя грунта является такой же, как и фильтрационная прочность грунта основания. Чтобы предотвратить контактную фильтрацию, необходимо соблюдать следующие правила. 1. Тщательно контролировать качество работ, связанных со строительством элементов подземного контура регулирующего сооружения.

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

81

2. Строго соблюдать рекомендации инструкций по подготовке поверхности основания сооружения (дна котлована). Ни в  коем случае не устраивать подготовку под бетонирование и понур в виде слоя щебня или гравия. Для этого в  зависимости от вида грунта в основании сооружения, уровня грунтовых вод и прочих обстоятельств следует использовать тощий бетон или плотный глинобетон. Только при залегании в основании глинистых или суглинистых грунтов и  разжижении их поверхности допускается устраивать подготовку втрамбовыванием слоя щебня или гравия до тех пор, пока поверхность основания не сделается плотной. В  песчаных, песчано-гравелистых и  глинистых грунтах в  случае понижения уровня грунтовых вод ниже дна котлована надо укладывать бетонные и прочие водонепроницаемые элементы сооружения непосредственно на дно котлована. 3. Нельзя опирать днище сооружения на шпунты и сваи. Замки свай и металлических шпунтов необходимо заполнять утрамбованным грунтом, чтобы свести  к минимуму их проницаемость и  исключить возможность возникновения сосредоточенной вертикальной фильтрации вдоль замков шпунта. 4. Самым тщательным образом устраивать сопряжение понура и шпунтов с флютбетом водоподпорного сооружения. В случае грунтовых понуров (глиняных, глинобетонных и торфяных) контакт сопряжения должен проектироваться по возможности наклонным с  устройством в  месте примыкания шпунта водонепроницаемого фартука, уложенного с вертикальной складкой-компенсатором с таким расчетом, чтобы при осадке исключить раскрытие шва примыкания. 5. При использовании бесшпунтовой схемы флютбета желательно устраивать не учитываемую в фильтрационном расчете верховую (промежуточную) стенку, заглубляемую в основание на 30...50 см. Учет водопроницаемости шпунтовых стенок и флютбета. Фильтрационные расчеты водоподпорных сооружений основаны на предположении, что шпунтовые стенки и флютбет водонепроницаемы. Практически же между отдельными сваями из-за неплотности замков имеются небольшие щели, через которые фильтруется вода. Поэтому шпунтовые стенки в большей или меньшей степени водопроницаемы. Материал флютбета также может быть водопроницаем.

82

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Фильтрация воды через шпунтовые стенки и флютбет ведет к изменению эпюры напоров. Водопроницаемость шпунтовых стенок учитывают для двух схем: ˆˆводопроницаемый слой основания прорезается на всю глубину шпунтовой стенкой; ˆˆшпунтовая стенка является висячей в  водопроницаемом слое основания. Проницаемость шпунтового ряда (стенки), доведенного до водо­ упора, по Е.А. Чугаевой, может быть учтена путем замены шпунтового ряда горизонтальным земляным массивом толщиной lпр при условии, что и в том, и в другом случае будут получены одинаковые фильтрационные расходы. На рис. 2.18, а, б представлена схема замены совершенного шпунта горизонтальным элементом длиной lпр и построены эпюры напоров на сооружении с учетом водопроницаемости шпунта. В результате обработки натурных данных установлено, что приведенную длину горизонтального элемента lпр, вводимого в  расчет вместо водопроницаемого шпунта, можно назначать при хорошо кольматируемом шпунтовом ряду в пределах 150...180 м, а при отсутствии уверенности в кольматации щелей — 50 м. Проницаемость висячего шпунтового ряда (по данным ВНИИГ им.  Б.Е.  Веденеева) рекомендуется учитывать в  том случае, если на графике lпр/T = f(S/T) (рис. 2.18, в) точка пересечения координат попадет в  зону А. Учет водопроницаемости висячего шпунта заключается во введении в расчетную схему укороченного шпунта с помощью коэффициента σ, определяемого по графику С.Н. Нумерова зависимости σ от отношений S/T и  ϕ/Т, где S  — фактическая длина шпунта, м; ϕ — коэффициент, м (ϕ = 150...180); Т — толщина основания до водоупора, м (рис. 2.18, г). Для учета водопроницаемости бетонных, буробетонных и других аналогичных завес И.С. Ронжиным составлен график (рис. 2.18, д), позволяющий определять коэффициент приведения αз, который учитывает коэффициент фильтрации материала завесы и  основания. Расчетная глубина завесы Sпр в этом случае будет равна:

Sпp = αзS,

где S — фактическая глубина завесы.

(2.48)

83

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации а

в

УВБ

H

lпр/T 70 lп

Б

60

lв

50 40

б

H

30

гор

гор

0,9

10

0,8

30

1

= 2

1,5 lп / р T =2 0,8 0,6 0,4

0,6

A

0,5

0,5

1

0,4

0,4

0,6

0,3 0,2

0,2

0

10 5 3 2

0,9

0,7

T

0,6

0,4

0,3

0,1

5

0 0,2 0,4 0,6 В

0,8 S/T

lпр/T  20 7,5

tз Кз

lпр = tз

Косн Косн Кз

0,2 0,1

0,2

0,1

0,0

0,2 0,4 0,6 0,8 S/T

д з

0,8

/

0,7

0

В

ис

Б



вых

Sпр

г

10

lв

lпр

T S

T

lп вх

0,1

А

20

0,0

5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 S/T

Рис. 2.18. Учет водопроницаемости вертикальных элементов:

а — подземный контур с водопроницаемым шпунтом, доведенным до водо­ упора; б — приведенный подземный контур; в — график проверки водопроницаемости висячего шпунта; г — график учета водопроницаемости висячего шпунта; д — график учета водопроницаемости завесы; А — зона проницаемости шпунта; Б — зона практически непроницаемого шпунта; В — зона абсолютно проницаемого шпунта

84

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Полученную расчетную глубину Sпp включают в расчетную схему для дальнейшего решения задачи. Фильтрационные расчеты с учетом водопроницаемости флютбета, когда его коэффициент фильтрации равен или больше коэффициента фильтрации грунта основания (Кфлб ≥ Косн), выполняют по методике, излагаемой в  специальных пособиях по фильтрационному расчету. Практически водопроницаемость флютбета можно не учитывать, если исключить фильтрацию из него. Для этого по подошве флютбета укладывают водонепроницаемый слой, например асфальтобитумную стяжку. В этом случае расчет ведут по схеме с  водонепроницаемым флютбетом.

2.3.2. Фильтрационные деформации Понятие о фильтрационных деформациях. Фильтрационными деформациями называют деформации, возникающие в  грунтах под действием фильтрационного потока. Способность грунта сопротивляться фильтрационным деформациям называют фильтрационной прочностью грунта. Различают безопасные фильтрационные деформации, которые с течением времени прекращаются и не влияют на цельность сооружения, и опасные, в результате которых сооружение может деформироваться. При проектировании сооружений на грунтовых основаниях, подверженных фильтрационным деформациям, ставится условие, чтобы опасных (недопустимых) фильтрационных деформаций не было. В нескальных грунтах возможны четыре вида фильтрационных деформаций: суффозии, фильтрационный выпор, контактный выпор, контактный размыв. Возникновение того или иного вида деформаций оценивается одним из параметров фильтрационного потока (гидравлическим градиентом напора) и  механическими характеристиками грунта (диаметром частиц, объемным весом, сцеплением, коэффициентом неоднородности). Оценка возможности появления недопустимых фильтрационных деформаций проводится для каждого вида деформаций по своим показателям.

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

85

Суффозии. Различают механическую и химическую суффозии. Механическая суффозия — это перемещение мелких частиц грунта через более крупные поры в грунтовом массиве под воздействием фильтрационного потока. Такая суффозия может быть внутренней, когда частицы грунта перемещаются внутри грунта, и  внешней, когда мелкие частицы выносятся фильтрационным потоком из грунтового массива. Химическая суффозия характеризуется растворением содержащихся в грунте водорастворимых солей и выносом их фильтрационным потоком. В дальнейшем будем рассматривать только механическую суффозию (сокращенно — суффозию). Выносимые частицы могут свободно располагаться в  порах грунта или быть частично зацепленными. Более крупные частицы (частицы скелета грунта), хотя и претерпевают некоторые повороты и микросдвиги, не совершают поступательного перемещения под воздействием гидродинамических сил. В этом коренное отличие суффозии от деформаций выпора, для которого характерно взвешивание и перемещение некоторой массы грунта со всеми слагающими его фракциями. Механическая суффозия свойственна только определенным категориям несвязных грунтов, называемых суффозионными, и может иметь место как в пригруженных, так и свободных от пригрузки грунтах при любом направлении фильтрационного потока. Суффозия не может происходить в  следующих случаях: при малых градиентах напора, в связных грунтах и грунтах с коэффициентом неоднородности η  Tак ′ = 12, 0, расчет ведем при Tрасч ′ = Tак ′ = 12,0 м. Активная зона по выходному градиенту принимается Tак ′′ = 2Tак ′ или Tак ′′ = 2 ⋅ 12, 0 = 24, 0  м. Так как Tд = 30, 0 > Tак ′′ = 24, 0 м, расчет ведем при Tрасч ′′ = Tак ′′ = 24, 0  м, фильтрационный расход определяем при Tрасч ′′′ = Tд = 30, 0 м. 2. Cхематизированный подземный контур имеет 7 элементов: входной (I), шпунтовый (III), уступ (V), три горизонтальных (II, IV, VI) и выходной (VII) (рис. 2.23, б). Коэффициенты сопротивления по напору при Tрасч ′ = Tак ′ = 12, 0 м для каждого элемента вычислены по формулам и сведены в табл. 2.2. Сумма всех коэффициентов сопротивления составит

Σξ = 0,48 + 0,42 + 0,74 + 0,44 + 0,10 + 0,45 + 0,64 = 3,27.



Таблица 2.2 Значения коэффициентов сопротивлений для отдельных участков контура при активной зоне по напору Участки контура

Входной 1–2

Горизонтальный 2–3

Фрагменты

Расчетные формулы и значения коэффициентов   сопротивлений

ξ вх =

T1 − T2 + 0, 44 T1

ξ вх =

12, 0 − 11, 5 + 0, 44 = 0, 48 12, 0

ξ гор 2–3 =

l2 − 3 − 0, 5(S лев + Sпр ) T

ξ гор 2–3 =

7, 0 − 0, 5(0 + 4, 3) = 0, 42 11, 5

93

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

Окончание табл. 2.2 Участки контура

Шпунтовый 3–5

Горизонтальный 5–6

Уступ 6–7

Горизонтальный 7–8

Выходной 8–10

Фрагменты

Расчетные формулы и значения коэффициентов сопротивлений

0, 5S T2 0, 75S 1− T2

ξш

T − T2 = 1 + 1, 5 S + T1 T2

ξш

11, 5 − 10, 2 3, 0 = + 1, 5 + 11, 5 10, 2

3, 0 10, 2 = 0, 74 3, 0 1 − 0, 75 ⋅ 10, 2 0, 5 ⋅

ξ гор 5–6 =

l5 − 6 − 0, 5(S лев + Sпр ) T

ξ гор 5–6 =

6, 0 − 0, 5(3, 0 + 0) = 0, 44 10, 2

ξ уст =

T1 − T2 T1

ξ уст =

11, 3 − 10, 2 = 0,1 11, 3

ξ гор 7–8 =

l7 − 8 − 0, 5(S лев + Sпр ) T

ξ гор 7–8 =

6, 0 − 0, 5(1,1 + 0, 8) = 0, 45 11, 3

ξ вых = ξ ш

T − T2 S + 0, 44 = 1 + 1, 5 + T1 T2

ξ вых =

12, 0 − 11, 3 0, 8 + 1, 5 + 12, 0 11, 3

0, 5S T2 + 0, 44 0, 75S 1− T2

0, 8 11, 3 + 0, 44 = 0, 64 0, 8 1 − 0, 75 ⋅ 11, 3 0, 5 ⋅

3. По (2.29), в  которой H ∑ ξ величина постоянная и  для данного примера равна 1,22, определяем потери напора в каждом элементе подземного контура. Они равны: на вход (I) hвх = 1,22 ⋅ 0,48 = 0,59 м; на шпунтовой стенке (III) hш.с  = 1,22  ⋅ 0,74 = 0,90 м; на горизонтальном участке (II)

94

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

h2–3 = 1,22 ⋅ 0,42 = 0,51 м; на горизонтальном участке (IV) h5–6 = 1,22 ⋅ 0,44 = = 0,54 м; на горизонтальном участке (VI) h5–6 = 1,22 ⋅ 0,45 = 0,55 м; на уступе (V) hуст = 1,22 ⋅ 0,10 = 0,12 м; на выходе (VII) hвых = 1,22 ⋅ 0,64 = 0,78 м. Эпюры фильтрационного и взвешивающего давлений показаны соответственно на рис. 2.23, в, г. 4. Силу противодавления на 1  м длины сооружения определяем как площадь соответствующей части эпюры, умноженную на плотность воды. Сила фильтрационного противодавления на водобой

0, 78 + 1, 33 1, 45 + 1, 99  Wф =  ⋅6 + ⋅ 6  9, 81 = 163, 34 кН (16,65 тс).   2 2 Сила взвешивающего противодавления на водобой



Wв = (0,7 ⋅ 6 + 1,80 ⋅ 6) 9,81 = 147,15 кН (15,0 тс). Суммарная сила противодавления будет



W = 163,34 + 147,15 = 310,49 кН (31,65 тс). Собственный вес флютбета при γб = 23,54 кН/м3 составит:

G = (5 ⋅ 1,8 + 2 ⋅ 1,25 + 4,20 ⋅ 0,7 + 0,8 ⋅ 1,5) 23,54 = 368,17 кН (36,82 тс). Коэффициент запаса устойчивости водобоя на всплывание Кз =



368,17 = 1,19. 310, 49

Допускаемый коэффициент запаса Кд = 1,10. Так как Кд = 1,10 < K3 = = 1,19, устойчивость флютбета обеспечена. 5. Коэффициенты сопротивлений при Tрасч ′′ = Tак′′ = 24, 0 м подсчитаны по тем же формулам, что и при определении напоров, результаты вычислений их приведены в табл. 2.3. Таблица 2.3 Значения коэффициентов сопротивлений Участок контура

ξ

Вход (I) Горизонтальный (II) Шпунтовый (III) Горизонтальный (IV) Уступ (V) Горизонтальный (VI) Выход (VII)

0,43 0,21 0,33 0,20 0,06 0,20 0,46

∑ξ

1,89

2.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации

95

Максимальный выходной градиент по уровню дна нижнего бьефа определяют по (2.36), при этом α = 0,33 берут по графику (см. рис. 2.13): I вых =



4 = 0, 27. 24 ⋅ 0, 33 ⋅ 1, 89

с (см. граДопускаемый градиент из условия отсутствия суффозии I доп с фик на рис.  2.19). Так как I доп = 0, 33 > I вых = 0, 27, фильтрационных деформаций не будет. 6. Критический градиент на выпор при γгр = 15,13 кН/м3 и γw = 9,81 кН/м3 определим по (2.50):

I кр =





15,13 − (1 − 0, 42) = 0, 96. 9, 81

При коэффициенте запаса Кз = 1,3 допускаемый градиент составит 0, 96 в I доп = = 0, 74. 1, 3 Средний фактический градиент по (2.39) будет равен Iф =



0, 7 ⋅ 0, 78 = 0, 36. 1, 5

в = 0, 74 > I ф = 0, 36, фильтрационного выпора не будет. Так как I доп

7. Удельный фильтрационный расход, проходящий в  основании сооружений, определяем по формуле (2.33): q = 5 4 = 11,17 м2/сут., 1, 79



где Σξi = 1,79 вычислена при действительном значении водоупора, т.е. Tрасч ′′′ = Tд = 30, 0 м (вычисления ξ опущены). Пример 2.2. По данным примера 2.1 (см. рис. 2.23, а) провести фильтрационный расчет по методу удлиненной контурной линии. 1. Для расчета используем схему флютбета (см. рис. 2.23, б). Действительная длина подземного контура по этой схеме Lд = 0,5 + 7,0 + 4,3 + 3,0 + + 6,0 + 1,1 + 6,0 + 0,8 + 1,5 = 30,2 м. 2. Виртуальную длину подземного контура определим по зависимости Lвир = Lд + 2, 0 ⋅ 0, 44Tрасч ′ ,



где Tрасч ′ = 12, 0 м: ′  — вычисляем как среднюю глубину при Tак

Tрасч ′ =

12, 0 + 11, 5 + 10, 2 + 11, 7 + 12, 0 = 11, 48 м, 5

отсюда виртуальная длина Lвир = 30,2 + 2 ⋅ 0,44 ⋅ 11,48 = 40,3 м.

96

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

3. Градиенты напора по длине подземного контура, кроме входного и выходного участков, определим по формуле (2.45): I г.к =



4 = 0,10. 40, 3

4. Потери напора по длине подземного контура по отдельным участкам приведены в табл. 2.4. Эпюра напоров по развернутой длине подземного контура, построенная по приведенным табличным данным, показана на рис.  2.24. Из этой эпюры градиенты напора на входном и выходном участках соответственно будут 0, 55 0, 73 I вх = = 1,1;  I вых = = 0, 32. 0, 50 2, 30 Таблица 2.4 Потери напора по длине подземного контура Участок контура

Длина участка, м

Потери напора, м

1–2 2–3 3–5 5–6 6–7 7–8 8–10

5,55 7,00 7,30 6,00 1,10 6,00 7,35

0,55 0,69 0,72 0,60 0,11 0,60 0,73

40,3 30,2

1

2

7,3 3

6,0 5

6,0 6

2,04

2,76

3,45

4,00

1,44

A

7,0

7

0,3 8

0,73

0,5

5,05

1,33

5,05

10 8

Iвых

2 A

1

Iвх

Рис. 2.24. Эпюра фильтрационного давления, построенная для развернутого подземного контура флютбета

B

2.4. Фильтрация воды в береговых примыканиях

97

5. Сила фильтрационного противодавления на водобой

0, 73 + 1, 33 1, 44 + 2, 04  Wф =  6+ 6  9, 81 = 163, 04 кН (16,3 тс).   2 2

По методу коэффициентов сопротивлений (пример 2.1) эта сила была определена равной 163,34 кН (16,65 тс), что дает практически полное совпадение. 6. Максимальный выходной градиент по дну нижнего бьефа определим при Tрасч ′′ = 23, 48   м (взято среднее значение), при этом виртуальная длина Lвир = 30,2 + 2 ⋅ 0,44 ⋅ 23,48 = 50,86. Потери напора на выходном участке

hвых =

4 ⋅ 10, 33 = 0, 81 м. 50, 86

Максимальный выходной градиент

I вых =

0, 81 = 0, 35. 2, 3

В случае весьма глубокого залегания действительного водоупора при определении выходного градиента рекомендуется вводить коэффициент запаса, равный 1,1.

2.4. Фильтрация воды в береговых примыканиях 2.4.1. Общие сведения Бетонные гидротехнические сооружения примыкают своими торцевыми частями  — устоями  к берегам или грунтовым плотинам. При наличии подпора, создаваемого ими, в грунтах береговых примыканий возникает обходной фильтрационный поток, направленный от верхнего бьефа к нижнему. Фильтрационный поток в  зоне обходной фильтрации носит пространственный (трехмерный) характер. Точно определить параметры такого сложного фильтрационного потока затруднительно. Фильтрационный поток, обтекающий береговые устои, является безнапорным. Случай напорной фильтрации за устоем возможен, но он встречается очень редко (в пластах, ограниченных сверху и снизу водоупорами).

98

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Обходная фильтрация оказывает силовое воздействие на обтекаемый устой, что приводит к увеличению его размеров. Для уменьшения гидростатического давления фильтрационного потока со стороны засыпки нужно понизить отметки поверхности депрессионной кривой. Это достигается устройством обратных стенок, установкой водонепроницаемых диафрагм и применением дренажа.

2.4.2. Фильтрационные расчеты Учитывая пространственный характер фильтрационного потока, обтекающего устой, для сооружений I и  II классов задачи обходной фильтрации решают моделированием методом ЭГДА. Для низконапорных сооружений мелиоративного назначения используют упрощенные методы расчета. При изучении фильтрации в  обход устоев важно определить положение кривой депрессии, опоясывающей устои со стороны грунта, и значения градиентов напора. Задача расчета безнапорной фильтрации в  обход тыловой поверхности устоя сводится к построению опоясывающей устой кривой депрессии. При упрощенном методе расчета обходной фильтрации принимают плоскую схему по контакту тыловой поверхности устоя с  грунтом засыпки. В грунтовых плотинах линию контакта называют обходным контуром устоя. Фильтрацию по тыловой поверхности устоя рассматривают по схеме однородной плотины с дренажем или без дренажа. Характер движения фильтрационного потока за устоем пояснен на рис. 2.25. Расчетная схема такой фильтрации приведена на рис. 2.26, б. Для построения кривой депрессии используют формулу Дюпюи:

hx =

H12 − x (H12 − H 22 ) L0 ,

(2.53)

где hx и х — координаты кривой депрессии;

L0 = Lур + 0,4H1 + 0,4H2,

(2.54)

Lур — расстояние между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефах по развернутой длине берегового устоя (между точками А и В на рис. 2.26).

99

2.4. Фильтрация воды в береговых примыканиях

Дополнительные потери напора на вход и  выход в  грунтовом массиве учитываются значениями 0,4H1 и 0,4H2. Все параметры, входящие в  (2.53), определяют по расчетной схеме, вычерченной в масштабе.

1

3 m

4

2

13

I–I m

I

6

H1 Трас

I

УВБ

hx

8

5

H

б 10

9

H2

7

а

12 11

Рис. 2.25. План устоя с обратными стенками (а) и кривая депрессии в примыкании к устою (б): 1–6 — опоясывающая устой кривая депрессии; 7 — затворы; 8 — устой; 9 — обратные стенки; 10, 13 — урезы воды в нижнем и верхнем бьефах; 11 — гидро­ изогипсы; 12 — линии токов а

10

5

б

9 8

L0 Lур

0,4H1 2 3

0,4H2 6

4

7

8

m

A

14 B

hx

Кф

H1

УНБ

H

m1

7

12

13

2

УВБ

УНБ

m

4 6

1 3

11

H2

УВБ

x

Рис. 2.26. План устоя с примыкающими к нему сопрягающими стенками и с диафрагмой (а) и схема для расчетов по упрощенному методу Р.Р. Чугаева (б): 1–9 — развертка устоя; 10 — затвор; 11 — устой; 12 — обратная стенка; 13 — диафрагма; 14 — кривая депрессии

100

Глава 2. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений

Средний градиент напора на контакте грунт — бетон: I ср = H . L0



(2.55)

Удельный фильтрационный расход для рассматриваемой схемы

q=

К ф (H12 − H 22 ) , 2L0

(2.56)

где Кф — коэффициент фильтрации грунта обратной засыпки. Фильтрация в обход береговых примыканий плотин из грунтовых материалов рассмотрена в п. 4.6.3.

Глава

3 Каналы и гидротехнические сооружения на них 3.1. Классификация гидротехнических сооружений Регулирование расходов, горизонтов и скоростей воды в каналах мелиоративных систем осуществляется гидротехническими сооружениями. Естественные и искусственные препятствия на пути движения воды в каналах — большие уклоны местности, пересечения с  реками, балками, дорогами и  пр.  — часто преодолеваются с  их помощью. Сооружения на мелиоративных системах можно классифицировать по трем основным признакам. I. Водопроводящие  — сооружения, служащие для проведения каналов через другие сооружения и препятствия, создаваемые рельефом: 1) сооружения при пересечениях каналов с  другими водными потоками, дорогами, низинами и пр. — акведуки и дюкеры; 2) сооружения для проведения воды в  условиях сложного рельефа или в плохих или скальных грунтах — лотки-желоба, трубы, гидротехнические тоннели. II. Водорегулирующие  — сооружения, регулирующие расходы и горизонты воды в каналах: 1) шлюзы-регуляторы, регулирующие подачу (расходы) воды в каналы; 2) подпорные шлюзы, регулирующие горизонты воды в  ка­ налах;

102

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

3) сбросные шлюзы, удаляющие воду при переполнении или авариях на каналах; 4) промывные шлюзы; 5) вододелители, разделяющие воду в  определенном соотношении между несколькими каналами. III. Сопрягающие — сооружения, устраиваемые в местах резкого перелома продольного профиля трассы канала: 1) перепады; 2) быстротоки; 3) консольные перепады (консоли).

3.2. Каналы 3.2.1. Общие сведения Каналами называют водопропускные сооружения, предназначенные для транспортирования воды из одного пункта в  другой и представляющие собой открытые искусственные русла правильных очертаний. Основные геометрические характеристики канала (рис.  3.1): ширина по дну b, строительная ширина Вст и  глубина Нст канала, коэффициент заложения откоса m, превышение гребня дамб каналов над наивысшим уровнем воды ∆h. Поперечное (живое) сечение каналов выполняют прямоугольным, трапецеидальным, полигональным, полукруглым, параболическим и др. Уклон их дна может быть прямым, обратным и нулевым. Каналы с  обратным уклоном устраивают там, где необходимо погасить скорость потока, а также в качестве подводящих и отводящих для гидроэлектростанций, насосных станций. Нулевой уклон часто имеют деривационные и судоходные каналы. По пропускной способности различают каналы (м3/с): ˆˆочень малые — менее 5; ˆˆмалые — 5...35; ˆˆсредние — 35...350; ˆˆбольшие — 350...800; ˆˆочень большие — более 800.

3.2. Каналы

Рис. 3.1. Формы и размеры живого сечения каналов:

103

а  — трапецеидальная; б  — то же в  выемке; в  — то же в  насыпи; г  — то же в глубокой выемке; д — то же на косогоре; е — параболическая; ж — круговая (сегментная); з — прямоугольная; и — полигональная

По назначению каналы подразделяют: ˆˆна мелиоративные (осушительные, оросительные); ˆˆдеривационные; ˆˆводопроводные (рис. 3.2, а, б); ˆˆсудоходные (рис. 3.2, в);

104

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них а 1

2

3

16 15

9 14 14

7

6

4 5

9

8

12 11

12

10

10

13

б

15

28 19 12 8

18

17 22 21

13

3

4 10

20

15 19

3

19

27 14

14 24

23

11

12

21

в

5

11

2 12

25

23 23

26

13 27

15

9

Рис. 3.2. Схемы водопроводных и судоходного каналов:

а, б  — водопроводные самотечный и с  машинным водоподъемом; в  — судоходный; 1, 5, 9, 13 — сооружения, соответственно головное водозаборное, подпорное, сопрягающее, регулирующее; 2  — холостой или аварийный сброс; 3 — акведук; 4  — дюкер; 6  — туннель; 7  — автомобильная дорога; 8  — труба под насыпью; 10, 12, 18, 22 — каналы, соответственно младших порядков, магистральный, отводящий, подводящий; 11 — вододелитель; 14 — притоки реки, ручьи; 15  — река; 16  — направляющая шпора; 17  — аванкамера; 19  — мост; 20  — насосная станция; 21  — напорные трубопроводы; 23  — заградительные ворота; 24  — паром; 25  — водозабор на водоснабжение; 26  — пристань; 27  — судоходный шлюз; 28 — железная дорога

3.2. Каналы

105

ˆˆобводнительные; ˆˆлесосплавные; ˆˆрыбоводные и др. В зависимости от назначения каждому их типу присущи характерные особенности. Осушительные каналы сооружают для осушения заболоченных и  подтопленных территорий и  отвода дренажных вод в водотоки, поэтому их прокладывают в понижениях рельефа. Оросительные каналы подают воду на поля оросительных систем  — они должны быть расположены на отметках, обеспечивающих «командование» канала над возможно большей орошаемой площадью. Судоходные каналы входят в состав какого-либо водного пути и должны иметь трассу и форму поперечного сечения, отвечающие габаритным размерам пропускаемых судов, а  также допустимую для судоходства скорость течения. Энергетические каналы обычно подводят воду к деривационным гидроэлектростанциям и имеют минимальный прямой уклон дна (для уменьшения потерь напора). Водопроводные каналы сооружают для водоснабжения городов, поселков и промышленных предприятий, поэтому они должны обладать повышенной надежностью, обеспечивающей их непрерывную работу на протяжении всего года. Обводнительные каналы подают воду в безводные и маловодные сельскохозяйственные районы, рыбоходные снабжают водой нерестилища, обеспечивают пропуск рыбы в обход гидротехнических сооружений и должны отвечать условиям и особенностям движения рыбы.

3.2.2. Гидравлический расчет каналов Виды движения потока и  расчетные условия. В каналах различают следующие основные виды движения потока: ˆˆустановившееся, при котором скорость в любой точке занятого им пространства (сечения) не изменяется во времени; ˆˆне установившееся, при котором скорость во всех точках занятого им пространства изменяется по значению и(или) направлению. При установившемся виде движения потока различают следующие режимы: ˆˆравномерный, при котором средние скорости потока воды в живых сечениях по длине русла одинаковы по значению;

106

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

ˆˆнеравномерный, при котором скорости потока воды в  живых сечениях по длине русла неодинаковы. Кроме того, при любом виде движения поток может находиться в спокойном или бурном состоянии. Обычно при гидравлических расчетах каналов исходят из равномерности движения в  нем потока. Кроме того, выполняются проверочные расчеты на неравномерные режимы движения потока в  канале, возникающие при подпорах и  спадах поверхности воды вследствие изменения по длине уклона, шероховатости, площади и формы поперечного сечения, а также возникновения волн перемещения, приводящих в движение большие массы воды (во время паводков, половодий, при пропусках, прорывах и т.д.). На мелиоративных каналах расчетными расходами являются весенние паводковые, предпосевные, летне-осенние паводковые, меженные (бытовые). Пропуск расходов весеннего половодья обычно осуществляется в  бровках канала или с  затоплением территории. Летне-осенние паводковые расходы воды должны проходить внутри русла, при этом их уровни должны быть на 0,3...0,4 м ниже бровок. Задачи расчета. Основной задачей гидравлического расчета существующего канала является определение пропускной способности русла, имеющего известные размеры. Пропускную способность каналов мелиоративных систем определяют для следующих створов: в устье канала; выше и ниже впадения каждого гидравлически рассчитываемого канала; при смене уклонов; при изменении геологических (грунтовых) условий на трассе канала. При проектировании нового канала требуется рассчитать его основные размеры с заданным расходом. Для этого необходимо: ˆˆпринять форму и определить основные размеры поперечного сечения; ˆˆустановить режим движения потока; ˆˆопределить наиболее благоприятный скоростной режим и с его учетом (при необходимости) назначить тип крепления. Порядок выполнения гидравлического расчета (на примере мелиоративного канала). 1. Определяют и анализируют следующие основные данные: ˆˆрасчетные расходы — устанавливают на основании гидрологических расчетов;

107

3.2. Каналы

ˆˆуклон дна — определяют на расчетном участке по продольному профилю канала в  соответствии с  топографическими и  ин­ же­нерно-геологическими условиями; ˆˆкоэффициент заложения откосов; ˆˆкоэффициент шероховатости; ˆˆфизические и физико-механические характеристики грунтов. 2. Из условий равномерного движения потока в  канале по заданному расходу (обычно максимальному) определяют глубину наполнения и ширину канала по дну. Проверяют условие обеспечения средних скоростей потока в пределах, не допускающих размыв русла. 3. Определяют глубину наполнения канала при пропуске минимальных (меженных) расходов. Проверяют условие обеспечения средних скоростей потока в  пределах, не допускающих заиления (зарастания) каналов. 4. Выполняют проверочные расчеты на неравномерные режимы движения потока в канале. 5. Подбирают конструкцию канала; максимальную и среднюю по длине расчетного участка строительную глубину русла (устанавливают исходя из требований сопряжения сети в вертикальной плоскости). Основные расчетные зависимости. В случае равномерного движения в каналах для расчета используется формула Шези, которая имеет вид



Q = ωC Ri ,

(3.1)

где Q — расчетный расход, м3/с; ω — площадь живого сечения потока, м2; С  — коэффициент Шези, м0,5/с; R  = ω/χ  — гидравлический радиус, м (χ — смоченный периметр, м); i — уклон дна канала (i = sin α, где α — угол наклона дна канала). Для удобства гидравлического расчета каналов пользуются расходной и скоростной характеристиками каналов. Расходная характеристика (модуль расхода) определяется по формуле

K = ωC R =

Q , м3/с. i

(3.2)

108

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Скоростная характеристика (модуль скорости) рассчитываются по формуле M v = C R = v , м/с, i



(3.3)

где v — средняя скорость, м/с. Для определения коэффициента Шези С предложен ряд формул. Так, для расчета каналов применяют формулу Н.Н. Павловского (при R = 0,1...3,0 м и n = 0,001...0,04): C = 1 R y, n



y = 2, 5 n − 0,13 − 0, 75 R



(3.4)

(

)

n − 0,1 ,

(3.5)

где n — коэффициент шероховатости. Для приближенных расчетов Н.Н. Павловский рекомендовал упрощенные формулы: при R = 0,1...1,0 м y = 1, 5 n , при R = 1...3 м y = 1, 3 n . При R > 3  м применяют формулу Г.В. Железнякова, которая имеет вид:   g C = 1 1 − (1 − lg R) + 2  n 0,13  2



+

1  1 − g (1 − lg R) + g  1 +  4  n 0,13 0,13  n 

g lg R  . 

(3.6)

Для определения коэффициента С может быть применена и  полуэмпирическая формула И.И. Агроскина:

C = 1 + 17, 72 lg R. n

(3.7)

ТКП 45-3.04-8–2005 допускает определять коэффициент Шези по формуле

C = 1 + (27, 5 − 300n)lg R. n

(3.8)

Форма поперечного сечения и трасса канала. Форму и размер живого сечения канала выбирают с учетом целого ряда факторов:

109

3.2. Каналы

геологических условий; удобства производства работ при строительстве; благоприятного гидравлического режима (обеспечения заданной пропускной способности, глубины и допустимых скоростей течения); удобства и надежности эксплуатации; назначения (судоходный, лесосплавный) и т.д. Для каналов с  трапецеидальной формой поперечного сечения площадь живого сечения канала определяется по формуле

ω = (b + mh)h,

(3.9)

где b — ширина канала по дну; m — коэффициент заложения откоса (m = ctg θ, θ — угол наклона откоса); h — глубина воды в канале. Длина смоченного периметра рассчитывается по формуле

χ = b + 2h 1 + m 2 .

(3.10)

Если известна относительная ширина канала по дну β  = b/h, тогда ω = h2(β + m), χ = h β + 2 1 + m 2 . Прямоугольное сечение русла представляет собой частный случай трапецеидального при m = 0, а треугольное — при b = 0. Часто каналы проектируют с  гидравлически наивыгоднейшим сечением — у них при заданной площади поперечного сечения и уклоне пропускная способность максимальна. Такое сечение имеет наибольшее значение гидравлического радиуса. Для гидравлически наивыгоднейшего сечения трапецеидальных каналов справедливо соотношение

(



b =β =2 г.н h

)

(

)

1 + m2 − m .

При этом гидравлический радиус R = 0,5h. Гидравлически наивыгоднейшее сечение обычно рекомендуют применять для каналов: ˆˆустраиваемых в скальных и полускальных грунтах; ˆˆс искусственной облицовкой (лотки, бетонированные каналы и т.п.); ˆˆпроектируемых с минимальными уклонами; ˆˆимеющих малые расходы воды. Форму и размеры живого сечения судоходных каналов определяют исходя из проектной ширины и глубины судового хода, устой-

110

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

чивости откосов к воздействию судовых волн, возможности безопасного маневрирования судна при устойчивой частоте вращения двигателя и дрейфа при выполнении маневров поворота. С точки зрения условий производства работ наиболее выгодно сооружать канал в полувыемке-полунасыпи с трапецеидальным или полигональным сечением. На участках, проходящих в насыпи, приходится предусматривать значительное число ливнеспусков для пропуска поверхностного стока с водосборов, примыкающих к насыпи, что увеличивает стоимость таких каналов. При прохождении в неустойчивых грунтах (просадочных, плывунных и т.п.) геометрические параметры сечений назначают с учетом мероприятий по стабилизации основания и откосов канала. Ширину бермы или дамбы канала назначают в  соответствии с техническими характеристиками машин и технологией производства работ по устройству русла канала, противофильтрационных и защитных мероприятий. Минимальную ширину дамбы принимают на основании фильтрационных расчетов. Превышение гребня дамб и  бровки берм над максимальным уровнем воды в канале определяют в зависимости от расхода воды в канале, облицовки и с учетом волнового воздействия. В откосах каналов, проходящих в выемках глубже 5 м, для повышения их устойчивости устраивают промежуточные бермы. Бермы шириной 1...3  м располагают выше максимального уровня воды через каждые 5  м по высоте. Вдоль берм устраивают кюветы для сбора ливневых вод. Первую берму делают на высоте h + ∆h (h — максимальная глубина воды в канале; ∆h — превышение бермы). Радиус закругления канала назначают с  учетом площади сечения канала ω, режима работы, типа облицовки и т.п. Минимальный радиус закругления по ТКП 45-3.04-8–2005: ˆˆдля каналов в  земляном русле  — r = 11v 2 ω + 12 (v  — скорость движения воды в канале, м/с); ˆˆдля каналов с монолитными бетонными, сборными железобетонными и асфальтобетонными облицовками r = 5B (В — ширина канала по верху, м). Радиусы поворотов гидравлически не рассчитываемых осушительных каналов должны быть не менее 20 м, остальных — не менее 5В.

111

3.2. Каналы

Трапецеидальное сечение характеризуется коэффициентом откоса m, а также относительной шириной канала β, т.е. отношением ширины по дну канала к глубине его наполнения (β = b/h). Согласно ТКП 45-3.04-8–2005, β следует принимать в зависимости от коэффициента заложения откосов m в следующих пределах (табл. 3.1). Значения относительной ширины канала β

Таблица 3.1

m

1,0

1,5

2,0

2,5

β

0,8...3,0

0,6...3,1

0,5...3,4

0,4...3,8

Для коэффициентов заложения откосов более 2,5 это отношение следует определять по расчету или по данным аналогов. Коэффициент откоса m выбирается из условий обеспечения его устойчивости в зависимости от типа грунта, в котором устроен канал, и принятого способа крепления (облицовки) откосов (рекомендуемые значения m приведены в ТКП 45-3.04-8–2005). Выбор коэффициента шероховатости. При проектировании открытых каналов большой протяженности правильный выбор коэффициента шероховатости имеет большое значение. Так как Q = ω (1 n1 )R y Ri1 = ω (1 n2 )R y Ri2 и, следовательно, i1  =  i2(n1/n2)2, то для пропуска заданного расхода Q при прочих равных условиях при изменении коэффициента шероховатости необходимо одновременно изменить уклон на величину отношения коэффициентов шероховатости. Например, если вместо необходимого n2  = 0,0225 будет принят n  = 0,025, то уклон канала i будет завышен в (0,025/0,0225)2 = 1,24 раза. При проектировании каналов выбор коэффициента шероховатости производится по рекомендованным ТКП 45-3.04-8–2005 таб­ лицами значений n. Расчет следует проводить по методике Н.Н. Павловского при трех значениях коэффициента: основной расчет — при выбранном наиболее вероятном значении коэффициента шероховатости; два других расчета (поверочных)  — при ближайшем большем и  ближайшем меньшем значениях этого коэффициента. Каналы с  разной шероховатостью русла. Если русло канала неоднородно и  на одной части смоченного периметра χ1 коэффициент шероховатости будет n1, а на другой части χ2 будет n2, то для

112

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

всего профиля коэффициент шероховатости можно приближенно принять n χ + n2 χ 2 n= 1 1 . (3.11) χ1 + χ 2 Н.Н. Павловский рекомендует определять этот «приведенный» коэффициент по формуле nр =



χ1n12 + χ 2 n22 . χ1 + χ 2

(3.12)

Пример 3.1. Определить расчетное значение коэффициента шероховатости. Исходные данные. Проектируется канал с бетонированными откосами и неукрепленным дном трапецеидального сечения. Длина бетонированных откосов χ1 = 6  м, коэффициент шероховатости n1 = 0,012; длина не­ укрепленного дна χ2 = 5 м, коэффициент шероховатости n2 = 0,025. 1. Применяя формулу (3.11), получаем приближенное значение n:

n=

n1χ1 + n2χ 2 0, 012 ⋅ 6 + 0, 025 ⋅ 5 = = 0, 018. χ1 + χ 2 6+5

2. По формуле (3.12) рассчитаем точное значение np:

nр =

χ1n12 + χ 2n22 = χ1 + χ 2

6 ⋅ 0, 0122 + 5 ⋅ 0, 0252 = 0, 019 . 6+5

Определение уклона канала. Уклон канала назначают из условия обеспечения средних скоростей потока v в пределах vн.з < v < vн.р, где vн.з — допускаемая незаиляющая скорость; vн.р — допускаемая неразмывающая скорость воды. Определение скорости потока. Средняя скорость движения воды в канале должна быть меньше предельно допускаемой скорости на размыв vн.р, т.е. v ≤ vн.р. Предельно допускаемая скорость на размыв зависит от грунта, в  котором проложен канал, или от вида крепления ложа канала и определяется по справочной литературе. При глубине воды менее 2 м и скорости течения менее 0,5 м/с канал зарастает водной растительностью (тростником, камышом, осокой, водорослями (диатомеями, синезелеными), лишайниками и т.п.). Интенсивность зарастания зависит от климатических условий. Наиболее быстро водная растительность развивается у берегов,

113

3.2. Каналы

где скорость течения воды маленькая. Предотвратить зарастание каналов можно, увеличив скорость течения воды или закрепив их русла различными креплениями, не позволяющими водной растительности укореняться на откосах и дне. Борьбу с укоренившейся водной растительностью ведут нескольким путями: ˆˆочищают каналы специальными механизмами  — механический метод очистки; ˆˆразводят в каналах травоядную рыбу (толстолобиков, белого амура и др.) — биологический метод очистки; ˆˆуничтожают растительность гербицидами  — химический метод очистки. При гидравлическом расчете необходимо также учитывать возможное заиление (зарастание) канала за счет выпадения взвешенных наносов. При этом фактическая скорость движения воды должна быть больше некоторого допустимого минимального значения vн.з, т.е. v ≥ vн.з. Незаиляющую скорость vн.з можно определять по формуле Е.А. Замарина:

vн.з =

2 3

ρW0 Wср 0, 022 Ri

,

(3.13)

где ρ  — мутность потока, кг/м3; W0  — условная гидравлическая крупность,  м/с (при 0,002  ≤  W ср  ≤  0,008  м/с W 0  =  W ср, при 0,0004 ≤ Wср ≤ 0,002 м/с W0 = 0,002 м/с); Wср — средневзвешенная гидравлическая крупность, м/с; R — гидравлический радиус, м; i — уклон дна канала. Средневзвешенную гидравлическую крупность наносов определяют по зависимости

Wср =

∑Wiρi ,

(3.14)

100

где ρi — процентное содержание по весу отдельных фракций; Wi — гидравлическая крупность наносов, определенная как среднегеометрическая для фракций:

(

)

W1 = 1 W1 + W2 + W1W2 , 3

(3.15)

где W1 и  W2  — гидравлические крупности для крайних значений диаметров частиц в данной фракции (принимаются в зависимости от диаметра взвешенных наносов).

114

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

При отсутствии данных по взвешенным наносам незаиляющую скорость можно определить по следующим формулам: Жуковского Кеннеди Ласея

vн.з =

h75% + 0, 24; 3, 5

0,64 vн.з = 0, 545h75 % ;

(3.16) (3.17)

vн.з = 0,64R0,50.

ТКП 45-3.04-8–2005 рекомендует величину допускаемой незаиляющей скорости вычислять по следующим формулам:

vн.з = 0,3R0,25,

(3.18)

где R — гидравлический радиус канала, м;

vн.з = AQ0,2,

(3.19)

где А — эмпирический коэффициент (А = 0,33 для W < 1, 5; А = 0,44 для W = 1, 53, 5; А = 0,55 для W > 3, 5; W  — средневзвешенная гидравлическая крупность наносов, мм/с); Q — расчетный расход, м3/с. Следует отметить, что другим критерием незаиляемости каналов служит транспортирующая способность потока ρ, г/м3, которая, согласно ТКП 45-3.04-8–2005, определяется по следующим формулам: при 2 < W < 8 мм/с при 0,4 < W < 2 мм/с

ρ = 700  v  W 

3 2

Ri ;

ρ = 350v Riv , W

(3.20) (3.21)

где W — гидравлическая крупность частиц среднего диаметра (принимают по табл.  3.2); v  — скорость течения воды в  канале,  м/с; R — гидравлический радиус канала, м; i — уклон дна канала. Определение размеров поперечного сечения канала при равномерном движении. В проектной практике наиболее часто встречаются задачи, в которых требуется рассчитать размеры поперечного сечения канала, т.е. глубину h и  ширину b при известных Q, i, n. Так как здесь неизвестными величинами являются b и h, то одной из них задаются, а вторую определяют.

115

3.2. Каналы

Таблица 3.2 Значения гидравлической крупности частиц среднего диаметра (ТКП 45-3.04-8–2005) d, мм

W, мм/с

d, мм

W, мм/с

d, мм

W, мм/с

0,005 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050

0,0175 0,6920 0,2770 0,6230 1,1100 1,7300

0,060 0,070 0,080 0,090 0,100 0,125

2,49 3,39 4,43 5,61 6,92 10,81

0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 0,275

15,60 18,90 21,60 24,30 27,00 29,90

Задачу решают графоаналитическим способом, при помощи специальных вспомогательных таблиц либо графиков. Для решения задачи графоаналитическим способом при назначенной, например, ширине канала по дну b задаются рядом значений (пятью или шестью) глубины h и находят значения ω, χ, R, С, K. Вычисления рекомендуется выполнять в табличной форме (табл. 3.3). Таблица 3.3 Порядок расчета расходной характеристики h, м

w, м2

χ, м

R, м

С, м0,5/с

K = ωC R , м3/с

По значениям расходной характеристики K и глубинам h строят график функции K = f(h), которая должна проходить через начало координат (рис. 3.3). По этой кривой, отложив на оси K заданную расходную характеристику K = Q i0 , определяют искомое значение h0 и проверяют его вычислением расхода воды по формуле Q = ωC Ri . Затем подсчитывают скорость v = Q/ω.

Рис. 3.3. График к расчету нормальной глубины воды в канале

116

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Если глубину подбирают непосредственно по расходам воды, то в приведенную выше табличную форму вместо графы K вводят графы i, v и Q. Если назначена глубина h, то b вычисляют аналогично, заменяя в  таблице графу h графой b. При этом следует отметить, что в общем случае кривая K = f(b) не проходит через начало координат (рис. 3.4). Глубину потока при равномерном движении жидкости называют нормальной глубиной h0. При равномерном движении уклон дна канала i равен уклону свободной поверхности воды. Правильно запроектированный канал должен иметь при избранном уклоне i такую среднюю скорость движения воды, при которой выполняется условие vн.з  hкр — удельная энергия сечения возрастает с увеличением глубины; ˆˆбурное, при котором h < hкр  — удельная энергия сечения уменьшается с увеличением глубины. Рис. 3.5. График удельной энергии сечения Э в зависимости. от глубины водного потока: 1  — удельная кинетическая энергия; 2 — удельная потенциальная энергия; 3 — удельная энергия сечения

118

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Критическую глубину потока определяют подбором из уравнения критического состояния потока ω 3кр Q2 = , B кр g



(3.24)

где ωкр, Вкр — соответственно площадь и ширина по верху живого сечения, соответствующие критической глубине; Q — расход воды в канале. Критическую глубину канала можно также определить по следующим формулам в зависимости от формы сечения канала: прямоугольная hкр.пр =



3

αQ 2 ; gb2

(3.25)

трапецеидальная hкр = khкр.пр,



(3.26)

где k  — коэффициент условного приведения трапецеидального русла к  прямоугольному с  тем же расходом и  шириной по дну (принимают по табл. 3.5 в зависимости от отношения mhкр.пр/b или рассчитывают по (3.28) (ТКП 45-3.04-8–2005); параболическая hкр.п =



4

27αQ 2 , 64 gP

(3.27)

где Р — параметр квадратичной параболы. Коэффициент условного приведения k можно рассчитать по формуле

k = 1−

hкр.пр σn + 0,105σ n;  σ n = , b 3

(3.28)

где hкр.пр — критическая глубина в условном прямоугольном сечении, ширина по дну которого равна ширине по дну рассчитываемого канала трапецеидального сечения, м; b  — ширина трапецеидального канала по дну, м.

119

3.2. Каналы

Таблица 3.5 Значения коэффициента k = hкр/hкр.пр для расчетов критических глубин в трапецеидальных руслах mhкр.пр b

k

mhкр.пр b

k

mhкр.пр b

k

mhкр.пр b

k

0,005

0,998

0,20

0,937

0,40

0,884

0,80

0,802

0,01

0,997

0,21

0,934

0,42

0,878

0,82

0,799

0,02

0,993

0,22

0,931

0,44

0,874

0,84

0,796

0,03

0,990

0,23

0,928

0,46

0,869

0,86

0,793

0,04

0,987

0,24

0,925

0,48

0,865

0,88

0,789

0,05

0,983

0,25

0,922

0,50

0,860

0,90

0,786

0,06

0,980

0,26

0,919

0,52

0,856

0,92

0,783

0,07

0,976

0,27

0,917

0,54

0,852

0,94

0,780

0,08

0,973

0,28

0,914

0,56

0,848

0,96

0,777

0,09

0,970

0,29

0,911

0,58

0,844

0,98

0,774

0,10

0,967

0,30

0,909

0,60

0,839

1,00

0,771

0,11

0,964

0,31

0,906

0,62

0,835

1,05

0,764

0,12

0,961

0,32

0,903

0,64

0,831

1,10

0,757

0,13

0,958

0,33

0,900

0,66

0,827

1,15

0,750

0,14

0,955

0,34

0,898

0,68

0,823

1,20

0,744

0,15

0,952

0,35

0,886

0,70

0,820

1,25

0,737

0,16

0,949

0,36

0,893

0,72

0,816

1,30

0,731

0,17

0,946

0,37

0,890

0,74

0,812

1,35

0,725

0,18

0,943

0,38

0,888

0,76

0,809

1,40

0,719

0,19

0,940

0,39

0,886

0,78

0,806

1,50

0,707

Неравномерное движение в открытых призматических руслах. При эксплуатации каналов образуются кривые подпора и кривые спада, т.е. возникает неравномерное движение. Неравномерное движение или создается преднамеренно (например, для регулирования горизонтов воды в каналах), или возникает в аварийных ситуациях (например, при заклинивании затворов регулирующих сооружений). При неравномерном движении необходимо знать глубины h, которые изменяются вдоль русла канала и могут быть больше или меньше нормальной глубины h0 (при равномерном движении).

120

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Знание глубин позволяет судить о возможном переполнении канала, рассчитать скорость течения и сравнить ее с допустимыми скоростями — неразмывающей и незаиляющей. Неравномерное движение описывается дифференциальным уравнением, которое было проинтегрировано рядом авторов для случая призматического русла. В результате были получены несколько видов уравнений неравномерного движения, которые позволяют определить координаты кривых свободной поверхности при неравномерном движении. Всего насчитывается двенадцать типов кривых свободной поверхности, которые можно установить до построения самой кривой. Для определения типа кривой необходимо иметь следующие данные: ˆˆдействительная глубина h, м; ˆˆглубина равномерного движения h0, м; ˆˆуклон при нормальной глубине i0; ˆˆкритическая глубина hкр, м; ˆˆуклон при критической глубине iкр. Первые три величины обычно бывают заданы, а две последние определяются расчетом. Критическая глубина определяется подбором из (3.24). В этом уравнении правая часть — константа. Задаваясь произвольно рядом значений глубины h и  вычисляя значения ω 3кр Bкр , можно добиться равенства левой и  правой частей. Глубина, при которой обе части уравнения равны, и  есть искомая hкр. Расчет следует выполнить графоаналитически (табл. 3.6). Таблица 3.6

К расчету hкр h, м

ω = bh + mh2, м

ω3, м

В = b + 2mh, м

ω 3 , м3 B

αQ 2 3 ,м g

По данным табл. 3.6 строят график и определяют hкр. Критический уклон при необходимости находят из формулы

iкр =

Q2 , 2 2 ω кр Cкр Rкр

(3.29)

где индекс «кр» показывает, что величины подсчитаны по hкр.

3.2. Каналы

121

Зная h, h0 и hкр, устанавливают тип кривой свободной поверхности потока. Кривую свободной поверхности можно построить по способу Б.А. Бахметева. Для этого используют уравнение i0 l = η2 − η1 − (1 − jср ) [ ϕ(η2 ) − ϕ(η1 )], (3.30) h0 где i0, h0 — уклон и нормальная глубина; η — относительная глубина неравномерного движения (η  = h/h0); jср  — параметр 2 [ jcр = (αi0Ccр Bcр ) ( g χ cр ); α  — коэффициент Кориолиса (α  = 1,1); Сср, Вср, χср — подсчитаны по средней на интервале l глубины hср = =  0,5(h1 + h2)]; ϕ(η)  — функция глубины (выбирают из таблиц в  за­ висимости от i0 и χ; χ  — гидравлический показатель русла   K cр   hcр   g  χ =  lg  ; K0  — модули расхода при равномерном  K0   h0    и неравномерном движениях (K0 = Q i0 ; K cр = ω cрCcр Rcр ). Уравнение (3.30) позволяет определить расстояние l между сечениями потока с заданными глубинами неравномерного движения h1 и h2. Для построения кривой свободной поверхности канал разбивают на расчетные участки l1, l2, ..., li. Расчет глубин начинают с первого участка, одна из глубин которого hр известна. Обозначив глубину в конце участка hр = h2, задаемся глубиной в начале участка h1 (нумерация вниз по течению). При кривой подпора h1  h2 на δh (шаг δh рекомендуется принять 0,05...0,10 м). Допускается χ и  jср принять постоянными для всего канала и рассчитать их по глубине hср = 0,5(h0 + hр).

3.2.3. Расчет фильтрации из каналов Фильтрация  — движение воды сквозь пористую среду в  естественных пластах грунта под поверхностью земли. Длительная фильтрация воды из каналов протекает в  двух основных, качественно отличающихся стадиях: без подпора (свободная фильтрация) и с подпором. При фильтрации без подпора грунты зоны аэрации смачиваются в условиях неполного насыщения пор грунта водой без взаимодействия с грунтовым потоком.

122

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

При фильтрации с подпором фильтрационный поток из канала соединяется и взаимодействует с грунтовым потоком. Свободная фильтрация переходит в  подпертую лишь после подъема уровня грунтовых вод до дна канала. Она может наблюдаться в  течение нескольких лет. Величина потерь воды зависит в  этом случае в  основном от проницаемости одежды канала, поэтому поток быстро стабилизируется, и расход его практически не изменяется (рис. 3.6). Расчет фильтрационных потерь из каналов. Величина потерь воды из каналов зависит от фильтрационных свойств и геологического строения грунтов по трассе, глубины залегания естественного уровня грунтовых вод, дренирующих слоев грунта или водоупора, наличия противофильтрационных устройств и других факторов. Фильтрационные потери ведут к повышению стоимости каналов из-за необходимости увеличения их пропускной способности и могут оказывать неблагоприятное влияние на окружающую территорию, вызывая подъем уровня грунтовых вод и  вторичное засоление или заболачивание земель. Расчет фильтрационных потерь на характерных участках каналов дает возможность прогнозировать влияние фильтрации на режим грунтовых вод в  зоне канала и  наметить мероприятия по ее уменьшению и дренированию прилегающих территорий. Фильтрационный расчет каналов заключается в  определении фильтрационных потерь воды из каналов и может быть выполнен в соответствии со ТКП 45-3.04-8–2005.

Рис. 3.6. Расчетные схемы фильтрации из каналов без подбора:

а — в однородных грунтах; б — в двуслойной толще грунтов; 1 — подъем уровня грунтовых вод

123

3.2. Каналы

Свободная фильтрация. Потери воды из каналов непрерывного действия в  земляном русле рассчитывают по следующим зависимостям: 1) для каналов трапецеидальной формы (см. рис. 3.6):

Qф = 0,0116Кµ(B + 2h)  при b/h < 4,

(3.31)



Qф = 0,0116К(B + Аh)  при b/h > 4;

(3.32)

2) для каналов полигональной и параболической формы: Qф = 0,0116К(B + 2h),



(3.33)

где b  — ширина по дну, м; Qф  — фильтрационный расход на 1 км длины канала, м3/с; К — коэффициент фильтрации грунтов ложа канала,  м/сут.; В  — ширина по урезу воды, м; µ  — поправочный коэффициент (значения в зависимости от размеров сечения каналов приведены в табл. 3.7); А — коэффициент бокового растекания потока (определяют по табл. 3.8). Зависимость µ от коэффициента заложения откоса m и отношения b/h

Таблица 3.7

b/h

m

2

3

4

1,0

0,98

1,00

1,14

1,5

0,78

0,98

1,04

2,0

0,62

0,82

0,94

Таблица 3.8 Значения коэффициента бокового растекания фильтрационного потока в зависимости от размеров сечения каналов m

B/h 5

6

7

10

12,5

15

20

1,0

3,0

3,2

3,4

3,7

3,9

4,0

4,2

1,5

2,5

2,7

3,0

3,2

3,4

3,6

3,9

2,0

2,1

2,3

2,7

2,9

3,1

3,3

3,6

124

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

При многослойном основании (см. рис.  3.6, б) коэффициент фильтрации следует определять по формуле t1 + t2 +  + t n Кф = , (3.34) t t1 t + 2 ++ n К1 К 2 Кn где t1, t2, ..., tn — мощность грунта, м; К1, К2, ..., Кn — коэффициенты фильтрации слоя грунта, м/сут. Фильтрационные потери из облицованного канала (рис.  3.7) при установившейся свободной фильтрации и одинаковой толщине облицовки экрана на дне и откосах рассчитывают по формуле h + tэ b + h 1 + m 2 , Qф = 0, 0116К э (3.35) tэ где Кэ  — коэффициент фильтрации облицовки экрана,  м/сут. (табл. 3.9); tэ — толщина облицовки, м. Эпюра скоростей фильтрации из трапецеидального канала имеет вид, показанный на рис. 3.8. На оси канала скорость фильтрации v0 меньше скорости в угловых точках В и С. Скорость фильтрации в точках А и D направлена под прямым углом к откосу: (3.36) vА = К cos θ,

(

)

где К  — коэффициент фильтрации грунта ложа канала; θ  — угол наклона откоса к горизонту. B tэ

m

Кэ

h

B H

T

Рис. 3.7. Расчетная схема свободной фильтрации из облицованного канала:

tэ — толщина экрана; Н — мощность слоя до уровня грунтовых вод; Т — мощность водоносного слоя

125

3.2. Каналы

Рис. 3.8. Эпюра скоростей фильтрации из трапецеидального канала Таблица 3.9 Усредненные коэффициенты фильтрации противофильтрационных покрытий каналов (с учетом фильтрации через швы) (ТКП 45-3.04-8–2005) Противофильтрационное покрытие

Усредненный. коэффициент. фильтрации, м/сут.

Бетонные монолитные облицовки, качество швов удовлетворительное 0,0007...0,0003 Бетонные монолитные облицовки со швами, герметизированными профильными прокладками типа «констоп» 0,0002 Железобетонные сборные облицовки, швы герметизированы пороизолом и битумно-полимерными мастиками 0,0007...0,0003 Железобетонные сборные облицовки, швы герметизированы тиоколовыми мастиками 0,0004...0,00025 Сборные бетонопленочные облицовки 0,0003...0,00025 Монолитные бетонопленочные облицовки 0,0003...0,00025 Асфальтобетонные облицовки 0,0004...0,0002 Грунтово-пленочные экраны, поверхностные экраны из полимерных пленок 0,00035...0,00025

Фильтрация с  подпором. Потери при подпорной фильтрации Qф.п следует определять по формуле

Qф.п = Qфσп,

(3.37)

где σп  — коэффициент, характеризующий влияние подпора грунтовых вод на размер потерь (табл. 3.10).

126

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Значение σп (ТКП 45-3.04-8–2005)

Таблица 3.10

Глубина залегания грунтовых вод, м

Расход воды. в канале, м3/с

до 3

3

5

7,5

10

15

20

25

1 3 10 20 30 50 100

0,63 0,50 0,41 0,36 0,35 0,32 0,28

0,79 0,63 0,50 0,45 0,42 0,37 0,33

— 0,82 0,65 0,57 0,54 0,49 0,42

— — 0,79 0,71 0,66 0,60 0,52

— — 0,21 0,82 0,77 0,69 0,58

— — — — 0,94 0,84 0,73

— — — — — 0,97 0,84

— — — — — — 0,94

Пример 3.2. Выполнить гидравлический расчет канала в  земляном русле трапецеидального поперечного сечения на пропуск расчетного, максимального и минимального расходов. Исходные данные. Расходы воды: Qmax = 15,6 м3/с, Qрасч = 8,4 м3/с, Qmin = 2,4 м3/с. Уклон дна канала I = 0,00074, грунт ложа канала — суглинок плотный. 1. Предварительно, по допускаемой скорости на размыв, определяем площадь живого сечения канала по следующей зависимости: ωк =



Qmax , [Vp ]

где [Vp] — допускаемая скорость на размыв, м/с. Допускаемую скорость на размыв принимаем в зависимости от грунта. Для супеси слабой [Vp] = 1,2 м/с. Тогда ωк =



15, 6 = 13, 0 м/с. 1, 2

2. Принимаем максимальную глубину воды в канале hmax = 2 м. 3. Коэффициент заложения откоса m в  зависимости от грунта принимаем по ТКП 45-3.04-8–2005 (для заданного грунта m = 2,0). Для каналов с трапецеидальной формой поперечного сечения канала определяем ширину из формулы

bк =

ωк − mhmax = 13 − 2, 0 ⋅ 2 = 2, 50 м. hmax 2

Принимаем ширину канала по дну равной 2,50 м.

127

3.2. Каналы

4. Учитывая, что в канале движение воды равномерное, для дальнейших расчетов используем зависимость Шези, т.е. формулу (3.1). Для определения коэффициента Шези применяем формулу Н.Н.  Павловского (3.4). Коэффициент шероховатости n принимаем в зависимости от характера поверхности русла (n = 0,017). 5. Задаваясь рядом значений глубин в канале, по формуле Шези определяем расход воды в нем (обычно 5–7 значений). Следует отметить, что для правильности построения графика зависимости глубин от расхода воды в  канале последнее значение глубины должно быть таким, чтобы расход был не меньше максимального. Все расчеты сводим в табл. 3.11. Таблица 3.11 К гидравлическому расчету канала h, м

mh, м

b + mh, м

wк, м2

х, м

R, м

С, м0,5/с

Q = wC Ri , м3/с

0,5 0,8 1,0 1,2 1,5 1,7 2,0

1,0 1,6 2,0 2,4 3,0 3,4 4,0

3,5 4,1 4,5 4,9 5,5 5,9 6,5

1,8 3,3 4,5 5,9 8,3 10,0 13,0

4,74 6,08 6,97 7,87 9,21 10,10 11,44

0,37 0,54 0,65 0,75 0,90 0,99 1,14

42,34 45,25 46,63 47,76 49,15 49,94 50,98

1,2 3,0 4,6 6,6 10,4 13,6 19,2

6. По данным табл.  3.11 строим график Q = f(h), пользуясь которым по заданным расходам (Qmax = 15,6 м3/с, Qmin = 2,4 м3/с, Qрасч = 8,4 м3/с), определяем глубины воды: hmaх  = 1,81  м, hрасч  = 1,35  м, hmin  = 0,72  м (рис. 3.9). 7. Зная глубины воды hmaх, hрасч и h min, по зависимости (3.9) определяем соответственно площади живого сечения потока:

ωmaх = 11,10 м2;



ωрасч = 7,0 м2;



ωmin = 2,80 м2. 8. Далее определяем скорости движения воды в канале:



Vmax =

Qmax 15,6 = = 1, 40 м/с; ω max 1110 ,

128

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

h, м 2,0

hmax  1,81 м

1,7 1,5

hрасч  1,35 м

1,2 1,0 0,8 hmin  0,72 м 0,5

Qmin  2,4 м3/с 1,2

3,0

4,6

6,6

Qрасч  8,4 м3/с 10,4

Qmax  15,6 м3/с 13,6

19,2 Q, м 3/с

Рис. 3.9. График зависимости Q = f(h)



Vрасч =

Qрасч 8,4 = = 1, 20  м/с; ω расч 7,0



Vmin =

Qmin 2,4 = = 0, 86  м/с. ω min 2,8

9. Как видим из расчетов, скорость движения воды в канале при пропуске ее максимального и расчетного расходов превышает допускаемую на размыв, равную 0,8 м/с. Уменьшить скорость движения воды в канале можно, изменив его уклон в  меньшую сторону, что не всегда возможно и оправданно (не позволяют топографические условия; ведет к увеличению объемов земляных работ; канал может заиляться при минимальных расходах), т.е. в данном случае необходимо выполнять соответствующие технико-экономические обоснования. Чтобы повысить допускаемую скорость на размыв в канале на основании вышеизложенного, принимаем искусственное крепление канала путем одерновки плашмя. Такое крепление при глубине потока 2 м допускает неразмывающую среднюю скорость движения воды в  канале 1,3...2,5 м/с. 10. Проверяем канал на заиление при пропуске минимального расхода. Для этого определяем допускаемую незаиляющую скорость по формуле Жуковского (3.16):

Vн.з =

H min 0,72 + 0, 24 = + 0, 24 = 0, 45 м/с. 3, 5 3,5

3.2. Каналы

129

В нашем примере скорость движения воды в  канале при пропуске минимального расхода составляет 0,85 м/с, а допустимая на заиление — 0,45 м/с, следовательно, заиления канала не будет. Из итогов гидравлического расчета канала следует, что канал пропускает максимальный и расчетный расход, не размываясь, а минимальный — не заиляясь, т.е. выполняется условие Vн.з  1(ηd  < 1) происходит интенсивный размыв грунта, т.е. русло неустойчиво. Для каналов трапецеидального сечения в  несвязных и  слабо­ связных грунтах (при расходах воды Q  4;



ψ1 = 0, 550 + 0, 265 3 b H при b/H ≤ 4,  ψ1 = 1 при b/H > 4,

где b — ширина русла по дну, м; Н — максимальная глубина, м. Максимально допустимые уклоны при ηдоп = 1 и ηкр = 1 будут: для откоса

I доп =

γ взв d ψγ w H

Cр f 2 − 12 + γ взв d m

Cр    2 f + γ d  ; взв

(3.40)

для дна

I кр =

γ взв df + C р . ψ1 γ w H

(3.41)

Поперечное сечение русла будет устойчивым к  размыву при ηдоп ≥ 1 или I ≤ Iдоп, где I — уклон руслоформирующего потока. Дно будет устойчивым к размыву при ηкр ≥ 1 или I ≤ Iкр. При содержании в  воде глинистых (коллоидных) наносов более 0,1 кг/м3 значения Iдоп могут быть увеличены в 1,3 раза, а Iкр — в 1,5 раза. Расчет местной устойчивости откосов в зоне выхода грунтового потока. При проектировании мелиоративных каналов и земляных дамб коэффициент заложения откосов m, как правило, выбирают по ТКП 45-3.04-8–2005 в зависимости от их высоты Н и вида грунта. В песчаных грунтах его значения оказываются чаще всего в пределах m = 1,2/f...1,5/f (f — коэффициент внутреннего трения грунта в воде). Если высота откоса Н ≤ 4...5 м, то такое заложение обеспечивает его общую устойчивость и расчеты не требуются.

133

3.2. Каналы

Песчаные откосы, через которые высачиваются грунтовые воды, необходимо рассчитывать (при любой их высоте) на местную устойчивость к действию фильтрационного давления, создаваемого грунтовым потоком. Местная устойчивость откоса будет обеспечена в том случае, когда принятый коэффициент mп будет не менее допустимого расчетного m (mп  > m) или когда высота высачивания грунтовых вод на откос hв не будет превышать допустимое значение hв.д для данного грунта и  принятого коэффициента mп (hв  < hв.д). Если mп < m (hв ≥ hв.д), то коэффициент mп увеличивают до значения m (практически m назначают не более 2,5...3,5). Для определения коэффициента заложения песчаного откоса, устойчивого в  зоне продолжительного высачивания грунтового потока, можно использовать следующую полуэмпирическую зависимость (проверена на опытных данных при f  =  0,55...0,72 и  диаметре d90 = 0,15...1,0 мм): m=



γ взв d 90 + 0, 002 γ w hв , γ взв d 90 f + C р

(3.42)

где d90  — диаметр крупных частиц, мельче которых в  грунте содержится 90 % по массе, м. Высоту высачивания грунтовых вод на откос hв в однослойных грунтах (рис. 3.10) можно рассчитать по зависимостям Э.М. Михневича, Г.П. Михайлова и др. (рис. 3.11). При отсутствии непосредственных измерений hв, что обычно имеет место на стадии проектирования, местную устойчивость фильтрующего откоса оценивают, задаваясь некоторым значением  m.

H1

m

hв h

H

H0

 h0

Lур

T

Рис. 3.10. Схема высачивания установившегося фильтрационного потока на откос

134

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

а hв 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

T0

T  0,2mH1 m5 m4 m3

m5 m4 m3

0,5

1,0

m1 m2 H1 1,5

0,5

m1 m2 H1 1,0 1,5

T  0,4mH1 m5 m4 m=3 m=1 m=2 H1 1,0 1,5

0,5

б hв 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

T0

T  0,2mH1 m5 m4 m3

m5 m4 m3 m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 H1

m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 H1

T  0,4mH1 m5 m4 m3 m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 H1

в hв 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

T  0,2mH1

T0 m5

m3

m4 m3 m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 H1

m5 m4

m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 H1

T  0,4mH1 m5 m4 m3 m1 m2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 H1

Рис. 3.11. Номограмма для определения высоты высачивания грунтовых вод hв на откос высотой H1: а — 2,0 м; б — 2,5 м; в — 3,0 м

3.3. Водопроводящие сооружения

135

В первом приближении для каналов его можно определить по формуле (3.42): при Нк  =  1,5...2,0  м hв  ≈  0,3...0,5 м; при Нк  =  2,0...2,5  м hв ≈ 0,5...0,7 м; при Нк = 2,5...3,5 м hв ≈ 0,20...1,2 м. Каналы осушительно-увлажнительных и  польдерных систем работают в условиях переменного уровня воды в русле. При сбросе воды через водовыпуски водоподпорных сооружений или при ее откачке насосными станциями на откосах образуется зона высачивания грунтовых вод (см. рис.  3.10). В этой зоне возникает гидродинамическое давление неустановившегося фильтрационного потока. Если скорость снижения уровня воды в  русле превышает максимально допустимую, оно нарушает местную устойчивость незакрепленного откоса. При медленном сбросе воды из канала кривая депрессии будет синхронно следовать за снижающимся уровнем воды, высота hв будет меньше допустимой, и откосы не деформируются.

3.3. Водопроводящие сооружения 3.3.1. Общие сведения Водопроводящими сооружениями называют сооружения, предназначенные для подачи воды из одного пункта в другой. Они представляют собой открытые или закрытые искусственные русла: безнапорные, если поток воды движется в них со свободной поверхностью, и напорные, если не существует свободной поверхности потока. В  общем случае под водопроводящими сооружениями понимают как сами каналы, по которым вода транспортируется к  месту потребления, так и сооружения на каналах, устраиваемые в местах пересечения ими естественных или искусственных препятствий. К естественным препятствиям, встречающимся по трассе канала, относят балки, овраги, ручьи, реки, глубокие и широкие долины, различного рода местные понижения рельефа, а также холмы, горы и  прочие повышения рельефа относительно дна трассируемого канала. К искусственным препятствиям относят дороги, железнодорожные насыпи и пути, каналы другого назначения, а также всевозможные инженерные сооружения, расположенные с  каналами в одной или различных плоскостях.

136

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

К водопроводящим сооружениям, устраиваемым на водохозяйственных каналах, относятся лотки, акведуки, дюкеры, селепроводы, трубы на каналах и под каналами, ливнеспуски и гидротехнические туннели. В данной работе более детально рассматриваются наиболее сложные в конструктивном отношении сооружения — акведуки и дюкеры.

3.3.2. Акведуки Условия применения. Акведуки целесообразно применять при пересечении малых рек, балок, понижений местности глубиной до 20 м значительной длины, а также на каналах, где сокращение потерь напора имеет существенное значение. Иными словами, акведуки применяют тогда, когда препятствия ниже канала. Акведуки выполняют из сборного, сборно-монолитного или монолитного железобетона, реже металлическими. Пролетное строение акведуков (рис. 3.12), как и мостов, бывает арочным, рамным, балочным и др. Арочную конструкцию применяют при строительстве акведука над узким и глубоким ущельем с прочными (скальными) берегами. Акведуки рамной конструкции устраивают при переходах через широкие и неглубокие долины, поймы рек, каналы, дороги в неглубоких выемках. Они представляют собой одну или несколько двухконсольных рам с температурно-осадочными швами между ними. Верхний ригель такой рамы представляет собой лоток акведука, а стойки служат его опорами. Акведуки балочной конструкции применяют на участках каналов с понижением местности и дорогами, проходящими под каналами. Конструктивные особенности акведуков. Акведук состоит из входной части, лотка и  выходной части. Назначение входной ча­ сти  — обеспечить плавный переход от ширины канала к  ширине лотка акведука. Этому же условию должна удовлетворять конструкция выходной части. Вход и  выход сооружения устраивают в виде раструба, в плане соответственно сужающегося или расширяющегося, длиной не менее четырехкратной глубины воды в канале, т.е. l ≥ 4h (рис. 3.13). Величину центрального угла раструба принимают из условия плавного сопряжения потоков без отрыва от стенок: θ  ≤  30° для

137

3.3. Водопроводящие сооружения

входной части, θ  ≤  20° для выходной. Ее обычно определяют гидравлическим расчетом. Перед входной частью у начала понура, а  также в  конце выходной части для снижения фильтрации под сооружением устраиа

б

I

УВ

II

II УВ

I–I УВК

I

II–II УВК

УВmax

УВ III в

III–III УВК III VI г

VI

IV–IV

УВ

УВК

V

д

УВ

V

Рис. 3.12. Схемы акведуков:

V–V

УВК

а — арочный; б, в — рамный; г — подвесной; д — опирающийся на деревянную или железобетонную ферму

138

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них I

II

P

h2

h1

h1

h

z

4

2

I

6

3 8

7 1

5

8

1

1 2

9

3

l

b1

8

b

1

II

6

7

8 4

/2 l

b

1

Рис. 3.13. Акведук на рамных опорах:

1 — канал; 2 — контур; 3 — входная часть; 4 — поперечные связи-балки; 5 — рамные опоры; 6 — лоток; 7 — выход; 8 — дрена; 9 — выпуски

вают бетонные зубья или забивают шпунтовые стенки. Иногда под стенкой или зубом делают дренаж с  выводом его в  овраг или канал, пересекаемый акведуком. Для предотвращения выхода фильтрационного потока на откос и повышения его устойчивости у подошвы откоса устраивают дренаж (см. рис. 3.13). По конструктивным особенностям пролетного строения акведуки можно разделить на два основных вида. Первый из них состоит из двух независимых конструкций — моста, подобного проезжему, и  лотка, уложенному по нему. Во втором виде акведуков пролетным строением будет сам лоток, опирающийся на опоры. Как правило, сборные конструкции акведуков возводят только второго типа. Поперечное сечение лотков выполняют прямоугольным, параболическим и полукруглым. Лотки изготовляют закрытыми, полностью или частично открытыми. В закрытых лотках верхнюю плиту используют в  качестве служебного или переходного мос­ тика. В открытых лотках по верху бортовых стенок укладывают

3.3. Водопроводящие сооружения

139

поперечные связи, располагая их на расстоянии 2...4 м друг от друга. Наличие таких связей увеличивает жесткость лотка и  позволяет уложить по ним настил, используемый как служебный мостик. В широких лотках служебные мостики устраивают на консолях, расположенных с внешней стороны лотка. Следует отметить, что лотки параболического и полукруглого сечения чаще используют в сборных конструкциях акведуков на расходы до 10 м3/с. Лотки по длине разрезают деформационными швами. По температурным условиям расстояние между швами в  монолитных железобетонных конструкциях принимают не более 25...30 м. Местоположение их зависит от принятой схемы разрезки пролетного строения и  расстояния между опорами. Деформационные швы устраивают также в  местах примыкания лотков к  входным и  выходным участкам акведуков. Нижняя часть пролетного строения акведука, пересекающего несудоходный водоток, должна возвышаться над максимальным расчетным уровнем не менее чем на 0,5 м. Подошвы фундаментных частей пролетных опор и  береговых устоев заглубляют в грунт ниже глубины промерзания и возможного размыва русла в створе акведука. Гидравлический расчет акведуков. Гидравлический расчет выполняют для входа в акведук, лотка акведука и выхода из лотка акведука в канал. Расчет ведут на пропуск максимального расхода. Схема протекания воды в акведуках показана на рис. 3.13. Скорость движения потока в  лотке акведука назначают несколько выше скорости потока в  подводящем и  отводящем каналах (1,0...2,5  м/с) с  учетом обеспечения транспортирующей способности потока и исключения оседания наносов в лотке. Поэтому участки канала перед акведуком и  за ним крепят камнем или бетонными плитами. Следует отметить, что дальнейшее повышение скорости потока невыгодно, так как ведет к  увеличению уклона лотка, а следовательно, и потерям напора. Перепад на входе z обычно принимают 0,1...0,15 м. Отметку дна входной части акведука принимают такой же, как и в подводящем канале. Выходную часть акведука устраивают наклонной на величину Р (определяемую по расчету), чтобы избежать подпора воды в акведуке и расположенном выше канале.

140

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Учитывая, что поперечное сечение лотка акведука прямоугольное, гидравлический расчет акведука ведут в следующей последовательности. Предварительно задаются скоростью потока и  его глубиной в лотке акведука h1 = h − z (h — глубина воды в канале) и определяют ширину лотка акведука:

b1 = Q/h1v1,

(3.43)

где h1 и v1 — соответственно глубина и скорость воды в лотке. Если длина акведука не более 10h1, то расчет выполняется как для водослива с широким порогом, а при большей длине — по формуле Шези. Далее уточняют глубину h1 в  лотке акведука, используя формулу затопленного водослива с широким порогом:

 αv 2  Q = εϕb1h1 2 gz0 = εϕb1h1 2 g  h − h1 − 0  , 2g  

(3.44)

где ε  — коэффициент бокового сжатия; ϕ  — скоростной коэффициент для затопленного водослива (ϕ  ≈ 0,85...0,90); v0  — скорость потока в подводящем и отводящем каналах:

v0 =

Q Q = , ω (b + mh)h

(3.45)

b и m — соответственно ширина по низу и заложение откосов канала. Определив h1, уточняют скорость в лотке v1 = Q/(b1h1). Из формулы Шези определяют уклон дна лотка при заданном наполнении:

v1 = C R1i ,  C = 1 R11 6, n

откуда R12

3

i



v1 =



 vn  i =  12 3  ,  R1 

n

,

2

(3.46)

где n — коэффициент шероховатости (для бетона n = 0,012).

141

3.3. Водопроводящие сооружения

Гидравлический радиус R1 вычисляют по формуле R1 =



ω1 b1h1 = . χ1 b1 + 2h1

(3.47)

Превышение отметки дна в  конце акведука над отметкой дна отводящего канала Р находят из уравнения Бернулли, составленного для сечений I–I и II–II (см. рис. 3.13):

h1 +

αv12 αv 2 + P = h2 + 2 + hw, 2g 2g

(3.48)

где hw — потери напора при внезапном расширении потока:

hw =

(v1 − v0 )2 . 2g

(3.49)

Ввиду небольшой длины раструба потерями на трение пренебрегают. После подстановки всех вычисленных величин (h2 = h, v2 = v0) в уравнение Бернулли определяют превышение Р. В зависимости от максимального расходы воды в акведуке, согласно нормативным данным, возвышение стенок акведука над максимальным уровнем воды составляет 0,1...0,4 м. Статический расчет акведуков подобен расчету мостов соответствующей конструктивной схемы. Акведуки рассчитывают по несущей способности конструкций (первая группа предельных состояний) и  деформациям (вторая группа предельных состояний). Рамные конструкции проверяют на раскрытие трещин. Лотки рассчитывают с учетом образования трещин. В консольных рамах размеры консолей назначают исходя из условия равенства изгибающих моментов в месте заделки консоли на опоре и в середине пролета. Основание акведука рассчитывают по несущей способности. Свайные опоры акведуков рассчитывают по двум группам предельных состояний: 1) прочности конструкций свай или свайных ростверков (если фундамент запроектирован в виде свайного ростверка) и устойчивости при воздействии ветровой нагрузки; 2) осадке свайных фундаментов, перемещениям свай и  углам поворота под действием ветровой нагрузки.

142

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

3.3.3. Дюкеры

а

УВБ

б

УНБ

УВБ

z

УНБ

z

Условия применения. Дюкеры (напорные водоводы) устраивают на каналах и водотоках, когда препятствия (реки, каналы, суходолы, селевые русла, железные и шоссейные дороги) расположены на том же или на близком уровне или когда нет возможности выдержать необходимые габариты при строительстве акведука (например, при пересечении с  судоходной рекой). При пересечении каналом (водотоком) глубоких и широких рек, долин, оврагов строительство дюкера может быть экономически выгоднее строительства акведука, главным образом за счет стоимости опор. Для уменьшения длины дюкера рекомендуется трассировать его под прямым углом к препятствию. В месте пересечения двух каналов дюкер устраивают на канале с меньшим расходом. Конструктивные особенности дюкеров. По конструктивным особенностям различают колодезные (шахтные) и криволинейные дюкеры (рис.  3.14). По числу ниток дюкеры бывают одноочковые и многоочковые. По условиям производства работ и эксплуатации дюкеры подразделяют на закрытые, открытые и комбинированные. К основным частям дюкера относят входной и  выходной оголовки, напорные трубопроводы, анкерные и промежуточные опоры

в УВБ

z

УНБ

Рис. 3.14. Основные конструктивные схемы дюкеров:

а, б — закрытые колодезный и криволинейный соответственно; в — открытый с напорными трубопроводами

3.3. Водопроводящие сооружения

143

и  участки сопряжения с  каналом. Ремонтные затворы, решетки, служебные мостики, перильные ограждения, водовыпускные патрубки, контрольные люки, компенсаторы — все эти элементы являются вспомогательными частями дюкера. В местах резкого поворота оси трубопровода, а  также на прямолинейных участках, где это необходимо по расчету, устанавливают анкерные опоры (через 150...180 м). Они бывают двух видов: открытого и  закрытого. В анкерной опоре закрытого типа трубопровод заделывают в массивную кладку опоры на всю длину криволинейного участка. В опоре открытого типа для анкеровки трубы применяют специальные конструктивные элементы (тяжи), которые своими нижними концами заделывают в массив опоры. Тип опоры выбирают в зависимости от местных условий. На углах поворота оси трубы в  плане и  в  разрезе анкерные опоры открытого типа не применяют. В этих случаях наиболее целесообразны опоры закрытого типа. Выполняют дюкеры из бетона, железобетона, стали, дерева, пластмассы. Выбор материала определяется действующим напором. Так, бетонные дюкеры устраивают при напорах до 3 м, железобетонные  — 30...50  м, а  из предварительно напряженного железобетона  — до 100  м. Стальные дюкеры практически не имеют предела по напору. Деревянные дюкеры возможны при напорах 20...30 м, однако их применение ограничено недолговечностью. В местах укладки крупных и длинных железобетонных дюкеров на пологих склонах местности устраивают застенный дренаж для отвода фильтрационной воды. Дренаж укладывают в пазухах трубы. Наименьшее расстояние между уложенными трубами на уровне их центров принимают: при диаметре до 1000  мм и  двух нитках — 0,8 м, 1000...2000 мм — 0,9 м, свыше 2000 мм — 1,0 м. Если количество ниток трубопровода три и более, то расстояние между ними принимают не менее диаметра трубы. Радиусы закруглений труб из сборных элементов зависят от диаметра, длины готовых звеньев и  конструкции стыка. Минимальные радиусы закруглений при монолитном исполнении принимают не менее пяти диаметров труб независимо от материала, из которого они изготовлены. Длина дюкера должна быть минимальной за счет устройства подводящего и  отводящего участков канала в  насыпи. Переход

144

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

от насыпи к дюкеру определяется на основании технико-эко­но­ми­ че­ско­го сопоставления. Поперечные сечения труб дюкера могут быть круглыми и прямоугольными. Наиболее распространено круглое сечение труб. Оно выгодно как по расходу материала, так и с  точки зрения статического и гидравлического расчета. Асбестоцементные, керамические и пластмассовые трубы подвержены разрушению от ударов, поэтому при укладке их заглубляют. Стальные трубы укладывают на опорах выше поверхности земли не менее чем на 0,6  м, так как они подвержены коррозии. Железобетонные трубы можно заглублять, укладывать над поверхностью земли или непосредственно на земле. Заглубленные в грунт или обсыпанные грунтом трубы находятся в более благоприятных температурных условиях по сравнению с  незаглубленными. Если трубы дюкера проходят под каналом или естественным водотоком, то слой грунта над верхом труб дюкера принимают не менее 1...1,5 м. Предельное заглубление в  грунт определяется глубиной возможного размыва дна русла или канала, а также прочностью трубы согласно установленным нормам. Если трубы дюкера расположены над водотоком, проходящим через овраг, то их укладывают на эстакаду. Для предотвращения образования вихревой воронки на входе воды в дюкер верхнюю кромку трубы заглубляют под уровень воды в подводящем канале не менее чем на 1,5(v2/2g) или на 0,6а, где а — линейный размер сечения трубы дюкера на входе (по вертикали). Сопряжение оголовков дюкеров с  каналом выполняют в  виде стенок: обратных, ныряющих или с  косыми плоскостями. Задача оголовков  — обеспечить плавный вход потока из канала в  трубы (входной оголовок) и плавное сопряжение выходящего из труб потока с отводящим каналом. В начале входного и в конце выходного оголовков иногда закладывают шпунтовую стенку, чаще зуб, для предотвращения возможной фильтрации. Очень полезно дренирование склона с отводом дренажных вод в нижерасположенное русло (как это делается в акведуках). Шандорные пазы предусматривают на входном и выходном оголовках каждой трубы, чтоб иметь возможность ремонтировать одну из труб в случае необходимости. Для защиты труб от плавающих тел входной оголовок оснащают

3.3. Водопроводящие сооружения

145

решеткой. Входной и выходной участки дюкера оборудуют служебными мостиками и ограждают перилами. Если уровень воды в начале трубы располагается ниже уровня воды подводящего канала, то в трубе обычно образуется гидравлический прыжок, сопровождаемый толчками, вибрацией. Это нарушает спокойную работу сооружения и снижает прочность и устойчивость сооружения. При пропуске малых расходов через длинные дюкеры в трубах также возникает прыжок. Для предотвращения этого явления предусматривают: ˆˆповышение уровня воды в  трубе путем установки спиц на выходе из трубы; ˆˆустройство водобойного колодца перед входом в трубу (прыжок затапливается в начале трубы); ˆˆпонижение дна входа в  трубу на небольшую величину (рекомендуется делать, когда уровень воды начального участка трубы близок к уровню дна подводящего канала). В последних двух случаях возникновение кривой спада, приводящее к некоторому увеличению скоростей в подводящем канале, не опасно, так как при малых расходах (меньше расчетных) скорости не превосходят расчетные. Для опорожнения дюкера на время ремонта в пониженной части его труб предусматривают отверстия. В небольших малонапорных сооружениях входная и выходная части дюкера могут быть выполнены в  виде вертикальных шахт и  колодцев (см. рис.  3.14,  а). В этом случае отметку дна входной и выходной шахт заглубляют по отношению к донной части горизонтальной трубы. В этих углублениях откладываются наносы, попадающие в дюкер с водой. Гидравлический расчет дюкера. Задача гидравлического расчета дюкера заключается в определении потерь напора и пропускной способности дюкера при заданной скорости движения воды в трубе. Скорость в трубе выбирают в соответствии с технико-эко­но­ми­че­ ским обоснованием и  исходя из условия незаиляемости при пропуске любого из расчетных расходов. Ее обычно назначают в пределах 1,5...4 м/с. При большей скорости резко увеличиваются потери напора. Гидравлический расчет коротких дюкеров проводят на пропуск максимальных расходов. Дюкеры, достигающие по длине несколь-

146

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

ких сотен метров, рассчитывают на пропуск минимальных расходов для выявления гидравлического прыжка, неблагоприятно сказывающегося на работе дюкера (гидравлический прыжок вызывает вибрацию труб и расстройство стыков). При возникновении прыжкового сопряжения предусматривают мероприятия, предупреждающие образование гидравлического прыжка в трубе дюкера. При гидравлическом расчете обычно возникает необходимость рассмотреть один из трех случаев: 1) определение потерь напора в  дюкере, т.е. разности уровней воды в канале перед и за сооружением, по заданному расходу потока, поперечному сечению, длине сооружения, его продольному профилю; 2) нахождение попереченого сечения дюкера по заданным потерям напора при известных расходе, длине дюкера и продольном профиле; 3) определение расхода дюкера по известным потерям напора, размерам дюкера (поперечному сечению, длине) и продольному профилю. Расчет для каждого из перечисленных случаев проводят на основе уравнения Бернулли, которое составляют для двух сечений — перед входом в дюкер и за дюкером (рис. 3.15): h1 +



= h2 +

v12 +z= 2g

2 v22 + v (ξ вх + ξ реш + 2ξ пов + ξ тр + ξ вых ), 2g 2g

(3.50)

где h1, v1  — глубина и  скорость потока в  подводящем канале; h2, v2  — то же для отводящего канала; v  — скорость в  трубе дюкера; z — разность уровней воды перед дюкером и за ним (теряемый напор). Если поперечные размеры подводящего и отводящего каналов, а также другие их характеристики одинаковы, что довольно часто встречается в  практике, то для этого случая уравнение Бернулли примет следующий вид:

z=

2

∑ ξ 2vg

2

= (ξ вх + ξ реш + 2ξ пов + ξ тр + ξ вых ) v , 2g

(3.51)

где ∑ ξ — сумма коэффициентов гидравлического сопротивления на входе, выходе, трение, решетке и поворотах.

147

3.3. Водопроводящие сооружения УВmax

УВmax

УВmin

z1

z

УВmin

Рис. 3.15. Расчетная схема дюкера

Скорость рассчитывается по формуле v=

где

1

∑ξ

1

∑ξ

2 gz0 = µ 2 gz0 ,

(3.52)

 — коэффициент расхода системы.

По уравнению Бернулли в исходном виде задача решается применительно к первому случаю расчета. Для второго случая используются зависимости v = µ 2 gz и Q = vω. В  данном случае решение ведется подбором и  расчеты сводятся в таблицу. Третий случай расчета выполняется по уравнению

Q = µω 2 gz0 ,

(3.53)

где z0 — разность уровней воды с учетом скорости подхода, м. Следует отметить, что большие значения скоростей в  трубах дюкера приводят к  резкому увеличению потерь напора и  в  итоге — к существенному снижению отметки в отводящем канале, т.е. происходит потеря в  командовании канала над орошаемыми территориями. Поэтому скорости в трубах обычно принимают в пределах 1,5...4 м/с. Угол сужения на входе в  дюкер рекомендуется назначать не более 30°, угол расширения на выходе  — не более 12°. По длине дюкера не должно быть участков с внезапно изменяющимся сечением. Если дюкеры работают в зимних условиях, необходимо проводить термический расчет на обледенение и проверку пропускной способности сооружения в этих условиях.

148

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Статический расчет дюкера. Статический расчет дюкеров проводят на сочетание постоянных, временных, длительных, кратковременных и  особых нагрузок и  воздействий с  учетом возможности их одновременного действия. Расчеты проводят для периодов строительства и эксплуатации. Коэффициенты перегрузки определяют в соответствии с ТКП. При укладке труб дюкера в сильнопросадочных или набухающих грунтах необходимо проводить расчеты на неравномерную деформацию сооружения и основания. При недопустимых деформациях следует предусматривать соответствующие мероприятия (предварительная замочка основания, проектирование дюкеров из стальных труб и  т.п.). В районах с  глубоким сезонным промерзанием грунтов, подверженных морозному пучению, проводят теплотехнические расчеты основания и  проверки элементов дюкера на воздействие сил морозного пучения. Применения дюкеров в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания при отсутствии соответствующих обоснований следует избегать. Дюкеры круглого сечения рассчитывают как трубы, прямоугольного сечения — как замкнутые прямоугольные рамы. В трубах, укладываемых большими звеньями, следует учитывать напряжения, возникающие при их укладке (от кручения и  изгиба) и  засыпке грунтом. Специфика работы труб во время строительства требует железобетонных труб не только с  поперечной, но и с  достаточно сильной продольной арматурой. В открытых дюкерах круглого сечения статическому расчету, как правило, подвергают трубы и опоры. Все нагрузки и воздейст­ вия на трубы и  опоры в  зависимости от направления по отношению к оси труб дюкера делят на осевые, нормальные, вертикальные, горизонтальные и  радиальные. Для определения каждой из перечисленных сил пользуются расчетными зависимостями, применяемыми в расчетах напорных трубопроводов. В засыпанных дюкерах следует учитывать трение труб о грунт на наклонных участках дюкера и проводить проверку на давление грунта в случае полного опорожнения дюкера. Статический расчет стенок входного и  выходного оголовков дюкера проводят в зависимости от принятой конструкции либо по схеме расчета подпорных стенок, либо по схеме расчета доковых конструкций. В расчетах за нормативный температурный перепад

3.4. Водорегулирующие сооружения

149

принимают разницу между максимально и минимально возможной температурой стенок в период эксплуатации и наименьшей и наибольшей температурой, при которой фиксируется расчетная схема трубопровода (замоноличивание швов бетонных дюкеров, установка компенсаторов и сваривание захлестов в металлических трубах).

3.4. Водорегулирующие сооружения 3.4.1. Общие сведения Водорегулирующие (регулирующие) сооружения предназ­ начены: ˆˆдля распределения воды по каналам; ˆˆрегулирования расходов; ˆˆподдержания заданных уровней; ˆˆобеспечения гидравлической промывки каналов от отложившихся в них наносов; ˆˆучета воды, подаваемой потребителю; ˆˆрегулирования величины сбрасываемого из водохранилища расхода; ˆˆзабора и подачи воды в рыбоводные пруды. Применяются регулирующие сооружения и в качестве головных на открытых водозаборах при водоснабжении. Отдельно стоящее регулирующее сооружение может выполнять одну или несколько поставленных задач, но название ему дается по основному назначению. Так, например, регулятор, устроенный на канале для обеспечения смыва наносов, называют промывным, но он одновременно может быть использован и как сбросной, и как аварийный. Регулирующие сооружения используют как в осушительных системах, так и в ирригационных, однако при этом их конструкция будет одинакова. Учитывая массовость небольших гидротехнических сооружений, применяемых на водохозяйственных системах, очень широко используют их типовые решения из унифицированных железобетонных деталей. К регулирующим сооружениям предъявляются следующие основ­ ные требования: ˆˆстабилизация гидравлических параметров потока (уровни, расходы, отношение расходов и др.) в соответствии с целевым на-

150

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

значением сооружения, с максимально возможной и экономически оправданной автоматизацией их работы; ˆˆпростота, экономичность и технологичность изготовления конструкций; ˆˆнадежность и долговечность работы; ˆˆудобство эксплуатации; ˆˆмаксимальное внедрение типовых решений; ˆˆиспользование новых, а также местных строительных материалов, применение прогрессивных методов строительства. Сооружения на каналах в  соответствии с ТКП, как и  любые другие гидротехнические сооружения, классифицируются по классам. Кроме того, регулирующие сооружения принято классифицировать по назначению, конструктивным особенностям, пропускной способности, основному строительному материалу и способу производства работ. По назначению регулирующие сооружения могут быть головными (располагаются в месте забора воды из источника водоснабжения), водовыпусками, сбросными (аварийными), перегораживающими, промывными, концевыми, вододелителями. По конструктивным признакам различают регуляторы открытые (шлюзы-регуляторы)  — с  разомкнутым сводом над уровнем воды в пределах сооружения, диафрагмовые — забральные и трубчатые — с замкнутым сводом над уровнем воды. В данном издании приводятся основные сведения и гидравлический расчет открытых и трубчатых (закрытых) регулирующих сооружений. По пропускной способности различают гидротехнические сооружения: менее 0,2 м3/с  — очень большой повторяемости (малые); 0,2...5,0 м3/с  — большой повторяемости; 5,0...20,0 м3/с  — средней повторяемости; 20,0...150,0 м3/с  — малой повторяемости; более 150,0 м3/с — индивидуальные. По основному строительному материалу различают сооружения бетонные, железобетонные, из полимерных и местных материалов. По способу производства работ бетонные и  железобетонные сооружения подразделяются на сборные, монолитные и  сборномонолитные.

3.4. Водорегулирующие сооружения

151

3.4.2. Открытые регуляторы (шлюзы-регуляторы) Применение открытых регуляторов. Открытый регулятор представляет собой сооружение, состоящее из флютбета, продольных стен и  переходных участков от канала к  сооружению и  обратно, оборудованное затвором с  подъемным механизмом и  служебным мостиком. Эта группа объединяет большое количество регулирующих сооружений, используемых для различных целей: ˆˆна водосбросных трактах водохранилищных плотин в качестве головных сооружений; ˆˆв рыбоводном хозяйстве в качестве водопропускных сооружений; ˆˆкак водозаборные сооружения (регуляторы-водовыпуски) при бесплотинном и плотинном водозаборах из источников с незначительными перепадами уровней и в случае незначительных колебаний уровня перед регулятором; ˆˆкак подпорные или перегораживающие сооружения на каналах для создания необходимого командования (необходимых глубин при водозаборе); ˆˆкак вододелители для распределения воды между отдельными потребителями; ˆˆв качестве водовыпусков в каналы младшего порядка; ˆˆдля пропуска плавающих тел, льда, шуги и т.д. Открытые регуляторы удобны в  эксплуатации, что особенно важно для каналов, работающих круглый год, в условиях шуговых, ледовых явлений. Высотное расположение на канале определяется назначением сооружений. Подпорный регулятор, располагаемый поперек канала, не должен препятствовать полному опорожнению канала и создавать дополнительные большие подпоры при пропуске форсированных расходов. Регулятор-водовыпуск, размещаемый в откосе канала, должен обеспечивать подачу расчетного расхода в  младший канал при минимальном уровне в старшем и т.д. Составные части шлюза-регулятора (ШР). В конструктивном отношении в  шлюзе-регуляторе условно можно выделить три составные части, отделяемые друг от друга деформационными швами: верховой сопрягающий участок, среднюю часть и  низовой сопрягающий участок (рис. 3.16).

152

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

H2

H1

z

H2

б

H1

а

План

1

2

3

4

5



1

2

3

bК

5



bсоор

bК



bК

5



bсоор

bК

План

4

5

Рис. 3.16. Открытый шлюз-регулятор:

а — с подтопленным истечением; б — с неподтопленным истечением; 1 — верховой сопрягающий участок; 2 — средняя часть — лоток; 3 — низовой сопрягающий участок; 4 — рисберма; 5 — подводящий и отводящий каналы

Верховой сопрягающий участок включает в  себя продольные береговые стенки и  плиту понура. Этот участок служит для сопряжения с каналом и используется обычно при переходе от большей ширины канала к меньшей сооружения. Средняя, основная часть сооружения представляет собой лоток прямоугольного, редко трапецеидального сечения. В пределах лотка размещаются бычки, пазовые конструкции, затворы, служебные мостики и проезжие мосты. Низовой сопрягающий участок служит продолжением средней части сооружения и  используется для сопряжения с отводящим каналом и размещения на флютбете гасителей энергии. За низовым сопрягающим участком следует рис­ берма — водопроницаемая часть флютбета. Примыкание отдельных частей шлюза-регулятора друг к другу, а также к каналам взаимоувязывается с целью обеспечения благоприятных гидравлических условий протекания потока. Следует отметить, что на каналах осушительно-оросительных систем применяют в  основном схемы шлюзов-регуляторов без верхового и низового сопрягающих участков (рис. 3.17). Сопряжение шлюзов-регуляторов с  каналами. Для сопряжения каналов с сооружениями используют обратные стенки, ныряющие стенки, косые плоскости и их комбинацию. Каждый из пере-

153

3.4. Водорегулирующие сооружения 1

3

2

4

H

а

5 б 2

3

4

H

1

5

Рис. 3.17. Типовые регуляторы на расход 20...150 м3/с:

а — с клапанным затвором; б — с плоским затвором; 1 — подводящий канал; 2 — затвор; 3 — бык или устой; 4 — отводящий канал; 5 — шпунт

численных типов сопряжений применим на входном и  выходном участках шлюза-регулятора. При разных размерах канала и  сооружения применяют рас­ труб-­воронку (см. рис. 3.16), размещая его в пределах сопрягающих участков. Он обеспечивает плавный переход потока воды от канала к  сооружению. Угол θ в  раструбе-воронке принимают из условия безотрывного протекания потока вдоль стенок. Сопряжения по типу обратных стенок (рис. 3.18, а) применяют с  сопрягающими участками и  без них (см. рис.  3.17). Сечение обратных стенок выполняют одинаковым с сечением продольных сопрягающих стенок, с запуском за бровку канала не менее чем на 0,3...0,5 м. Обратные стенки очень широко применяют в гидротехнических сооружениях из-за простоты выполнения. К их недостаткам можно отнести большой расход материала и неблагоприятные гидравлические условия из-за появления вихрей и отжима потока от продольных стенок на подходе, а также образование водоворотных зон за обратными стенками. Однако при небольших подходных скоростях в канале последнее обстоятельство не имеет существенного значения.

154

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Ныряющей стенкой (рис. 3.18, б) принято называть такое сопрягающее устройство, плоскость гребня которого наклонена под уровень воды. Ныряющие стенки размещают на части длины сопрягающих участков. Переход от откоса канала к  откосу ныряющей стенки выполняют по криволинейной поверхности или пересекающимся плоскостям, которые покрывают одеждой. Длина ныряющей стенки определяется заложением ее откоса и глубиной канала. По условиям производства работ необходимо иметь хотя бы а I

I–I

I



б

I

II

III

II

III

III  I

в

I

II

II

II

УВ

III–III УВ

II–II УВ

III–III УВ

III

III I

УВ

I–I

II

II–II

I–I

II–II

УВ

УВ

III–III УВ

III

Рис. 3.18. Типы сопряжений каналов с сооружениями:

а — обратная стенка; б — ныряющая стенка; в — косая плоскость

3.4. Водорегулирующие сооружения

155

небольшой участок с горизонтальной плоскостью на уровне верха берегового устоя в  месте примыкания к  нему, поэтому длина сопрягающего участка должна быть больше. Стенка типа косой плоскости (рис. 3.18, в) отличается от других типов стенок сложной формой. Ее размещают по всей длине сопрягающего участка и выполняют обычно из бетона. Косая плоскость представляет собой гравитационную стенку, устойчивость которой обеспечивается собственным весом. Лицевая сторона косой плоскости имеет переменное заложение, равное заложению откоса канала в месте примыкания к нему, и вертикальное у устоя, если средняя часть регулятора имеет прямоугольное сечение. Тыловая поверхность стенки (со стороны обратной засыпки) имеет отрицательное заложение в месте примыкания к каналу и положительное в месте примыкания к устою. Примерно посередине стенки будет сечение, где тыловая поверхность имеет вертикальное направление. Двумерность поверхности лицевой плоскости стенки, плавно сопрягающей плоскость откоса канала с  вертикальной плоскостью устоя, создает чрезвычайно благоприятные гидравлические условия, поэтому потери напора на вход здесь будут минимальные. Такие стенки применяют при сравнительно небольших заложениях откосов каналов, примыкающих к сооружению. Средняя часть шлюза-регулятора. Составные элементы средней части шлюза-регулятора: устои, быки (бычки), служебные и  проезжие мосты, водобойная плита и гасители на ней. Основные из них, определяющие конструкцию регулирующего сооружения,  — это устои и  быки, которые по внешнему очертанию могут быть представлены несколькими типами (рис. 3.19) с переходом от простых к более сложным. Тип контура устоев и бычков определяется расположением пазов для плоских затворов, служебными и проезжими мостами. Примыкание устоев и  бычков к  флютбету выполняют в  виде разрезной и неразрезной конструкции. Разрезную конструкцию применяют в  регуляторах, рассчитанных на пропуск больших расходов (например, головных на магистральных каналах), когда грунты основания мало сжимаемы и не ожидается неравномерная осадка частей сооружения. Неразрезная конструкция (доковая) характерна для шлюзов-регуляторов монолитной конструкции, когда средняя часть сооружения представляет собой единый блок, и  для соору-

156

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них 3

Tип I 2

3

4

2

3

моста

Tип IV

2

3

5 4

3 3

1

2

1

Tип V

3 3

1

2

1

5 4

моста

2

Ось

1

1

Tип III

1

3

5

4

5

Ось

3

4

моста

1

Tип II

Ось

5

Ось моста

3

1

моста

1

Ось

3

УВ

Рис. 3.19. Типы контуров устоев и быков в водоподпорных сооружениях:

тип I  — с  низко расположенным служебным мостиком; тип II  — то же, но с проезжим мостом; тип III — с повышенным расположением служебного мостика; тип IV — то же, но с проезжим мостом; тип V — с двумя служебными мостиками, низко расположенными для маневрирования шандорами и высоко расположенными для маневрирования основными затворами, с проезжим мостом и без него; 1 — основные затворы; 2 — пазы для ремонтных затворов; 3 — служебный мостик; 4 — проезжий мост; 5 — ограждение

3.4. Водорегулирующие сооружения

157

жений, которые расположены на грунтах, подверженных значительной и неравномерной осадке. Устои (береговые стенки) служат ограждающими конструкциями, которые воспринимают силу давления грунта обратной засыпки и одновременно используются для размещения пазовых конструкций и опирания пролетного строения мостов — служебных и проезжих. Тип и толщина быков и устоев среднего участка шлю­ за-регулятора зависят от типа используемого затвора. Из-за необходимости расположения затворов в пазах при маневрировании часть быка со служебным мостиком выполняют более высокой, чем требуют условия расположения максимальных уровней воды. Верх устоев обычно выполняют горизонтальным. Быками (бычками) называют вертикальные стенки, которые разделяют водосливной фронт на пролеты. Бычки, как и устои, используют для размещения пазовых конструкций, они служат также в качестве опор для пролетного строения мостов. Однако необходимо заметить, что бычки не являются обязательным элементом всех регулирующих сооружений. Часто в небольших шлюзах-ре­гу­ ля­торах на каналах гидромелиоративных систем они отсутствуют, а  пазовые конструкции и  служебные мостики размещаются на устоях. Гидравлические расчеты и типовые расчетные схемы шлюзоврегуляторов. Открытые шлюзы-регуляторы обычно работают по схеме водосливов с  широким порогом, имеющих затворы. Исход­ ные данные для определения их размеров: расчетные значения расходов, глубины потока в отводящем канале за сооружением, допускаемые напоры перед шлюзом-регулятором, форма и  размеры поперечного сечения канала. Схему работы открытых шлюзов-ре­ гуляторов выбирают в зависимости от особенностей их конструкций. Регуляторы работают, как правило, со стеснением вытекающего потока: боковым, вертикальным или боковым и вертикальным. Конструктивная форма шлюзов-регуляторов при основных расчетах приводится к расчетной схеме. Правильно принятая схема и  соответствующие ей числовые коэффициенты в  формулах позволяют обеспечить работу построенных сооружений в  заданном режиме и  главное  — гарантировать пропуск расчетных расходов воды через сооружение.

158

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Размеры регулятора определяют из условия пропуска через него максимального расчетного расхода при полностью поднятых затворах. Шлюзы-регуляторы в  гидравлическом отношении рассматриваются как водосливы с  широким порогом с  подтопленным или неподтопленным истечением (рис. 3.20). Расчет шлюзов-регуляторов с подтопленным истечением. Для этого случая работы регулятора (рис. 3.20, а, б) расчетная формула имеет следующий вид: Q = δεϕBh 2 gz0 ,



(3.54)

где δ — коэффициент, учитывающий характер подвода воды к водосливу и зависящий от угла α между осями подходного потока и потока за водосливом (принимается по табл. 3.12); ε — коэффициент, учитывающий боковое сжатие потока (определяется по (3.56); ϕ — коэффициент скорости (принимается по табл. 3.14); В — ширина сооружения, м; h — глубина воды на пороге водослива, м; g — ускорение свободного падения,  м/с2; z0  — разность уровней воды в бьефах с учетом скорости подхода, м. Величина z0 определяется по формуле 2 z0 = z + αv , 2g



(3.55)

где v — скорость подхода воды, м/с. Значения коэффициента δ в формуле (3.54)

Таблица 3.12

Угол α, град.

0

30

45

60

75

90

δ

1

0,97

0,95

0,93

0,90

0,86

Коэффициент бокового сжатия потока береговыми устоями или быками может быть определен по формуле Френсиса — Кригера:

ε = 1 − 0,1ξnε

H0 , b

(3.56)

где ξ — коэффициент, учитывающий влияние формы устоев и быков (принимается: для прямоугольных устоев  — 1, полуциркульных или заостренных  — 0,7 и  криволинейных заостренных  — 0,4; рис. 5.46); nε — число боковых сжатий потока, равное удвоенному

159

3.4. Водорегулирующие сооружения а УВ H

v

б

УВ

z h

P2

P1

hб

УВ

H v

в

УВ

z

z1

v

H

hб

h

УВ

z2

h P2

s

s

г

УВ hп

hб

s д

b H

H1

z O



a 

H1

hб

е

hб

ж

H

H

hсж a

hб

v

a

hсж

hz

v

hб

Рис. 3.20. Расчетные гидравлические схемы открытых шлюзов‑регуляторов: а — водослив с приподнятым широким порогом; б — донный водослив с широким порогом с  подтопленным истечением; в  — водослив с  широким порогом с неподтопленным истечением; г — истечение через большие неподтопленные отверстия; д — истечение через большие затопленные отверстия; е — выпуск воды из-под затвора с неподтопленным истечением; ж — выпуск воды из-под затвора с подтопленным истечением

числу пролетов; Н0 — напор с учетом скорости подхода, м; b — ширина пролета сооружения, м. При значительной ширине регулятора ее разделяют быками на пролеты в соответствии с типовыми размерами отверстий, согласно табл. 3.13. Тогда полная ширина регулятора

B0 = nb + t(n − 1),

(3.57)

где n  — количество пролетов; t  — толщина быков,  м (ориентировочно t = (0,12...0,15)b).

160

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Таблица 3.13 Размеры водопропускных прямоугольных отверстий, перекрываемых затворами Ширина (пролет) 0,4 ; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,25; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; отверстий, м 6; 7; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 27; 30 Высота отверстий, м

0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20

Примечания: 1. За пролет отверстия принимается размер в свету между ограничивающими отверстие вертикальными гранями сооружений. 2. За высоту отверстия принимается размер от порога до нормального подпорного уровня воды (для поверхностных отверстий), размер от порога до верхней грани отверстия (для глубинных отверстий).

Расчет шлюзов-регуляторов с неподтопленным истечением. Такие регуляторы, как промывные, сбросные, концевые, обычно работают по схеме неподтопленного водослива с  широким порогом (см. рис. 3.20, в). В этом случае Q = δεmB 2 g H 03 2,



(3.58)

где m — коэффициент расхода. Постоянные величины в (3.58) можно объединить одним знаком:

M = m 2 g .

(3.59)

Q = δεMBH 03 2.

(3.60)

Тогда

Значения коэффициента расхода m и соответственно коэффициента водослива М приведены в табл. 3.14. Таблица 3.14 Значения коэффициентов ϕ, m, M для водосливов с широким порогом Условия истечения

ϕ

m

M

При отсутствии гидравлических сопротивлений При хорошо подобранной форме входа Закругленный входной порог При притупленном входном ребре При незакругленном входном ребре (острая кромка) При неблагоприятных гидравлических условиях входа (острое и неровное входное ребро)

1,00 0,95 0,92 0,88 0,85

0,385 0,365 0,350 0,320 0,320

1,70 1,62 1,55 1,42 1,42

0,80

0,300

1,33

161

3.4. Водорегулирующие сооружения

Характер истечения через водослив устанавливают по критерию подтопления, который, по П.Г. Киселеву, может быть принят:

hп ≥ 1,25hкр  или  hп < 1,25hкр,

(3.61)

где hп — глубина подтопления со стороны нижнего бьефа, м; hкр — критическая глубина на водосливе, определяемая по формуле

hкр =

3

αQ 2 , gB2

(3.62)

где α — коэффициент кинетической энергии потока (коэффициент Кориолиса, принимается равным 1,0...1,1). При hп > 1,25hкр водослив подтоплен, при hп < 1,25hкр — водослив не подтоплен. Порядок расчета регулятора при полностью открытых затворах. При заданном расходе и известной глубине воды перед порогом водослива неизвестными величинами в формуле (3.54) будут В, ε, h и z, а в формуле (3.58) — B и ε. Поэтому определение ширины регулятора рекомендуется вести в такой последовательности: 1. Предполагают характер истечения: подтопленный или неподтопленный. 2. Предварительно задаются значением ε в пределах 0,85...0,95 и  величиной z в  пределах 0,1...0,5  м в  зависимости от назначения регулятора (например, при орошении (обводнении) z нужно принимать меньшим, чтобы сохранить командование над орошаемой площадью). Тогда h = H − z. 3. Из формул (3.54) или (3.58), в зависимости от характера истечения, определяют ширину регулятора В. 4. В случае необходимости водосливной фронт найденной ширины разделяют быками на пролеты в соответствии с типовыми размерами отверстий (см. табл. 3.13). Количество пролетов желательно принимать нечетным, чтобы предотвратить сбойность потока в нижнем бьефе. 5. Определяют полную ширину регулятора В0 с  учетом принятых типовых размеров отверстий и  толщины быков по зависимости (3.57). 6. По формуле (3.56) уточняют значение коэффициента бокового сжатия.

162

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

7. При неподтопленном истечении по определенному ε из формулы (3.58) находят ширину регулятора и при необходимости изменяют ее. Для данного расчетного случая определение размеров регулятора на этом заканчивается. Для подтопленного истечения по известной полной ширине регулятора и уточненному значению коэффициента бокового сжатия из формулы (3.54) определяют величину z0. 8. Зная z0, из уравнения (3.55) находят z и  уточняют глубину воды на пороге h = H − z. 9. По формуле (3.62) определяют критическую глубину на водосливе и по критерию (3.61) проверяют правильность предположения о характере истечения. Расчеты шлюзов-регуляторов при частично перекрытых отверстиях. Размеры регуляторов определяют из условия пропуска через них расчетных максимальных расходов при полностью поднятых затворах. При проверочных расчетах, т.е. при пропуске части расчетного расхода воды, отверстия частично перекрывают затворами. Особенность расчетов в этом случае состоит в том, что их выполняют при известных размерах сооружения. При таких расчетах определяют расход воды, проходящий через суженное отверстие шлюзарегулятора, или находят размеры этого отверстия, если известен расход, который нужно пропустить через него. В этих случаях определяют возможность работы сооружения с неподтопленной струей и в случае необходимости проектируют различного типа гасители кинетической энергии потока (водобойные колодцы, водобойные стенки, шашки и др.). Расчеты по пропуску потока воды через пролеты шлюза-ре­гу­ лятора, частично перекрытые затворами, ведут по двум основным схемам: истечение из больших отверстий и  выпуск воды из-под затвора. К  большим относят отверстия, размер (высота) которых превышает 0,1Н. Истечение из больших отверстий. В схемах истечения потока воды из больших отверстий, размеры которых соизмеримы с глубиной воды перед сооружением, расчет для неподтопленного отверстия (см. рис. 3.20, г) при постоянном напоре ведется по формуле

Q = µω 2 gH 0 ,

(3.63)

163

3.4. Водорегулирующие сооружения

где µ  — коэффициент расхода (приближенно принимается по табл.  3.15); ω  — площадь отверстия в  свету, м2; Н0  — глубина над центром тяжести отверстия с учетом скорости подхода, м. Таблица 3.15 Значения коэффициента расхода µ для предварительных расчетов гидросооружений (по Н.Н. Павловскому) Тип отверстия

µ

Малые отверстия с полным сжатием

0,60

Отверстия средних размеров со сжатием струи со всех сторон

0,65

Отверстия больших размеров с несовершенным, но всесторонним сжатием

0,70

Донные отверстия (без сжатия по дну) со значительным влиянием бокового сжатия

0,65...0,70

Донные отверстия с плавными боковыми подходами

0,80...0,85

Для подтопленного отверстия (см. рис. 3.20, д) расчет ведется по формуле

Q = µω 2 gz0 ,

(3.64)

где z0 — разность уровней воды с учетом скорости подхода, м. Истечение воды из-под затвора. Здесь могут быть два случая работы шлюза-регулятора: 1) выпуск воды из-под затвора в  горизонтальный лоток с  неподтопленным истечением; 2) выпуск воды из-под затвора в горизонтальный лоток с подтопленным истечением. Для первого случая работы регулятора (см. рис. 3.20, е) расчетная зависимость имеет вид:

Q = ϕεαaB 2 g (H 0 − αa),

(3.65)

где а  — высота открытия затвора, м; e  — коэффициент бокового сжатия; a  — коэффициент вертикального сжатия, зависящий от отношения высоты отверстия к  глубине воды перед затвором (табл.  3.16). При предварительных расчетах коэффициент вертикального сжатия принимают равным 0,62.

164

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Таблица 3.16 К расчету τс, a и а при истечении из-под плоского вертикального затвора в горизонтальный лоток (по Н.Е. Жуковскому) Ф(τс)

τс

a

a/H

Ф(τс)

τс

a

a/H

0,264

0,062

0,615

0,10

1,060

0,284

0,638

0,45

0,388

0,092

0,618

0,15

1,182

0,323

0,645

0,50

0,514

0,124

0,620

0,20

1,265

0,356

0,650

0,55

0,633

0,156

0,622

0,25

1,364

0,395

0,660

0,60

0,750

0,188

0,625

0,30

1,457

0,440

0,675

0,65

0,865

0,220

0,628

0,35

1,538

0,482

0,690

0,70

0,967

0,252

0,630

0,40

1,611

0,529

0,705

0,75

Следует отметить, что высоту открытия затвора, а также сжатую глубину за плоским затвором в  русле без порога при известном расходе, напоре и коэффициенте скорости можно определять с помощью таблиц, рассчитанных по формулам Н.Е. Жуковского. Для этого находится функция относительной сжатой глубины τc = hc/E0 по формуле

Φ(τ c ) =

q , ϕE03 2

(3.66)

где q — удельный расход, м2/с; E0 = H0 — полный напор, м. Удельный расход определяется по зависимости

q=

Q . B

(3.67)

По значению Ф(τс) из табл.  3.16 находят τс, отношение a/H. Тогда высота открытия затвора a = (a/H)H, а глубина воды в сжатом сечении hc = τcH0. Для второго случая — выпуск воды из-под затвора в горизонтальный лоток с  подтопленным истечением (см. рис.  3.20,  ж)  — расчет выполняется по формуле

Q = µaB 2 g (H 0 − hz ),

(3.68)

где hz  — глубина воды в  сечении, в  котором при истечении через незатопленное отверстие наблюдается сжатая глубина, м.

165

3.4. Водорегулирующие сооружения

Глубину hz находят по зависимости hz =



hб2 − N  H 0 − N  + N ,  4 2

(3.69)

где величину N вычисляют по зависимости N = 4µ 2 a 2



hб − hс , hб hс

(3.70)

где hб — бытовая глубина воды в отводящем канале, м; µ — коэффициент расхода (µ  =  ϕa или по табл.  3.15); hс  — глубина воды в сжатом сечении, м (hc = aa). Коэффициенты ϕ и a имеют такие же значения, как и при истечении через незатопленное отверстие. Истечение будет подтопленным, если hб > hсс (hсс — глубина, сопряженная с hс). Глубина, сопряженная с  сжатой, определяется по формуле (3.63). Следует отметить, что при работе регулятора с неподтопленной струей, если это необходимо, проектируют гасители избыточной энергии. Пример 3.3. Определить ширину шлюза-регулятора. Исходные данные. Пропуск расхода Q = 38,0 м3/с, напор на пороге регулятора равен глубине воды в подводящем канале Н = 2,5 м. 1. Расчет ширины регулятора будем проводить по схеме водослива с широким порогом, предположив подтопленный характер истечения (см. рис. 3.20, б). 2. Принимаем, что переход от канала к сооружению выполнен по типу раструба-воронки, что обеспечивает плавный переход потока воды от канала к сооружению. В этом случае, при отсутствии на входе порога, ϕ = 0,95. Коэффициент бокового сжатия ε принимаем предварительно равным 0,85. Задаемся разностью уровней z = z0 = 0,20 м. Тогда h = H − z = 2,5 − 0,2 = 2,3 м. 3. Из (3.54) определяем ширину сооружения:

B=

Q 38 = = 10, 33 м. δεϕh 2 gz0 1 ⋅ 0, 85 ⋅ 0, 95 ⋅ 2, 3 2 ⋅ 9, 81 ⋅ 0, 2

4. Принимаем три пролета шириной b = 3,5 м (согласно табл. 3.13).

166

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

5. Определяем полную ширину регулятора с учетом принятых нормативных отверстий, предварительно приняв толщину быков t = 0,12b = 0,42 ≈ 0,4 м.



Полная ширина регулятора B0 = nb + t(n − 1) = 3 ⋅ 3,5 + 0,4(3 − 1) = 11,3 м.



6. Определяем напор с учетом скорости подхода H0 = H + (αv2)/(2g),



где v — скорость подхода потока. Получим v=



Q 38 = = 1, 36 м/с. B0 H 11, 3 ⋅ 2, 5

Тогда H 0 = 2, 5 +



1,1 ⋅ 1, 362 = 2, 5 м. 2 ⋅ 9, 81

7. Форму быков принимаем заостренной (ξ = 0,7). 8. По зависимости (3.56) уточняем значение коэффициента бокового сжатия: 2, 5 ε = 1 − 0,1ξnε H = 1 − 0,1 ⋅ 0, 7 ⋅ 6 ⋅ = 0, 90 . B 11, 3



9. Далее из (3.54) определяем величину z0:

z0 =

Q2 382 = = 0,15 м. 2 2 δ ε ϕ B h 2g (1 ⋅ 0, 90 ⋅ 0, 95 ⋅ 11, 3 ⋅ 2, 3)2 ⋅ 2 ⋅ 9, 81 2 2 2

Без учета скорости подхода разность уровней

2 1,1 ⋅ 1, 362 z = z0 − αv = 0,15 − ≈ 0, 05 м. 2g 2 ⋅ 9, 81

10. Уточняем глубину воды на пороге регулятора:

H = hп = H − z = 2,5 − 0,05 = 2,45 м.

11. Проверяем правильность предположения о характере истечения, для чего определяем критическую глубину на пороге водослива:

hкр =

3

αQ 2 = gB2

3

1,1 ⋅ 382 = 1, 21 м. 9, 81 ⋅ 10, 52

167

3.4. Водорегулирующие сооружения

Тогда 1,25hкр = 1,25 · 1,21 = 1,51 м. Так как hп = 2,4 м > 1,25hкр = 1,51 м, то водослив подтоплен, что указывает на правильность принятого предположения о характере истечения.

3.4.3. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы Конструктивные особенности. Это разновидность открытых шлюзов-регуляторов, в которых по линии основных затворов имеется стенка-диафрагма (забральная стенка), нижнее ребро которой расположено несколько выше расчетного уровня воды в отводящем канале. Образующееся отверстие между диафрагмой и  порогом шлюза-регулятора перекрывается затвором. Конструкция диафрагмового шлюза-регулятора приведена на рис. 3.21. Диафрагма представляет собой железобетонную плиту (стенку) прямолинейного или криволинейного очертания, заделанную в устои и быки. Нижнее ребро диафрагмы усиливают балкой жесткости, располагая ее со стороны нижнего бьефа. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы применяют при значительной разности уровней воды верхнего и  нижнего бьефов. Следует обратить внимание на ошибочность указаний, приводимых иногда в  учебниках, о применении диафрагмовых шлюзов-регуляторов только в местах глубоких выемок. Наличие диафрагмы позволяет сократить высоту затворов, что дает снижение стоимости строительства сооружения и экономию при его эксплуатации. Особенности расчета диафрагмового и промывного шлюзоврегуляторов. При проектировании диафрагмового регулятора обычно УВБ

3

4

5 УНБ

2 1

1:m

6 7

8

9

10

Рис. 3.21. Схема диафрагмового шлюза-регулятора:

1 — понур; 2  — бетонные плиты крепления; 3, 5  — пазы для ремонтных затворов; 4 — диафрагма; 6 — основной затвор; 7, 8, 9 — плиты соответственно порога, водобоя, рисбермы; 10 — обратные фильтры

168

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

назначают его ширину и задаются характером истечения. Затем по формуле (3.65) или (3.68) вычисляют высоту отверстия под диафрагмой и проверяют характер истечения. Таким путем определяют и ширину регулятора при заданном расстоянии между нижней кромкой диафрагмы и порогом флютбета. При расчете промывного шлюза-регулятора его водосливной фронт определяют из формулы водослива с широким порогом при неподтопленном истечении — (3.58). Особенность расчета состоит в том, что вначале задают величину размывающей скорости, при которой происходит смыв отложившихся наносов, затем определяют глубину воды в канале, которую и подставляют в формулу (3.58).

3.5. Трубчатые водорегулирующие сооружения 3.5.1. Общие сведения При пересечении каналами небольших водотоков, протекающих в  неглубоких и  широких долинах, строительство акведука оказывается неэкономичным. Поэтому каналы в  таких случаях устраивают в  насыпях, в  которых прокладывают трубы для пропуска ливневых и паводковых вод. На каналах мелиоративных систем при расходах до 15...17 м3/с (иногда и больших) и при необходимости проезда через канал применяют трубы, снабженные затвором, — так называемые трубы-ре­ гу­ля­торы (ТР), которые предназначены для регулирования горизонтов и расходов воды в каналах. Наибольшее распространение в мелиоративном и дорожном строительстве получили железобетонные сборные трубы. По числу уложенных труб их делят на одноочковые и многоочковые (чаще двух- и  трехочковые). По характеру работы при пропуске воды трубы разделяют на безнапорные, полупанорные и напорные. Труба-регулятор (рис.  3.22, а) включает входной оголовок  1, затворы  2, водопроводящую часть в  виде трубы 3, выходной оголовок, гаситель и переходные участки. Применяют затворы плоские, коробчатые, циркульные и  располагают их чаще на входе в  трубу, реже  — на выходе из нее. При расположении затвора на выходе труба всегда находится под напором, повышаются требова-

169

3.5. Трубчатые водорегулирующие сооружения а

3

1

УНБ

hтр(d)

УВБ

УНБ

H1

в

H2

H1

УВБ

h2к

2 б

г

H2

hтр(d) УВБ

hп

H1

hтр(d)

H2

УНБ

Рис. 3.22. Конструкция трубы-регулятора института «Белгипроводхоз» (a) и схемы к гидравлическому расчету труб для режимов: б — безнапорного; в — полунапорного (частично напорный); г — напорного; 1 — входной оголовок; 2 — коробчатый затвор; 3 — труба

ния к  ее фильтрационной защите и  создаются условия заиления трубы в нерабочем состоянии, но при этом имеются определенные удобства в управлении работой регулятора и водоучета.

3.5.2. Режимы работы трубчатых сооружений Характеристики режимов работы. При расчетах трубчатых сооружений рассматривают входной и  выходной участки. Расчет входного участка заключается в определении площади живого сечения и размеров трубы, выходного — в обеспечении сопряжения с нижним бьефом.

170

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Гидравлический расчет входного участка трубы выполняют в зависимости от условий его работы. Различают следующие режимы работы труб: ˆˆбезнапорный (рис. 3.22, б) — входное и выходное сечения не затоплены и  на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность: т.е. Н1   hтр (d). При выборе режима работы трубы следует учитывать, что наиболее безопасным является безнапорный режим с  обеспечением такого возвышения высшей точки внутренней поверхности трубы над поверхностью воды, при котором возможно проплывание через трубу некрупных предметов. Следует отметить, что безнапорный режим достаточно устойчив, не вызывает колебания уровней воды в бьефах, позволяет оборудовать сооружение автоматическими водомерными и  водорегулирующими устройствами, гарантирует надежную работу стыков между звеньями труб, но живое сечение трубы при этом используется не полностью. При затоплении входного сечения через трубу проходит больший расход, но при этом возникают дополнительные трудности в эксплуатации сооружений. Наиболее опасным является переход от полунапорного режима к напорному и неустойчивый напорный режим, при которых в  трубе возникает переменное давление как больше, так и  меньше атмосферного, т.е. возникают повышенные динамические нагрузки на стенки и стыки труб. В этом случае возможно просачивание воды через швы и  трещины, что приведет к  потере несущей способности насыпи. При работе трубы с  затопленным входом должна быть обеспечена водонепроницаемость стыков звеньев и  блоков, отсутствие сквозных трещин, а  также устойчивость насыпи против воздействия подпора воды и ее фильтрации через тело насыпи. В связи с  вышеизложенным полуна-

171

3.5. Трубчатые водорегулирующие сооружения

порный режим в  сооружениях мелиоративных систем применять не рекомендуется, тем более следует избегать его как переходного, когда из напорного режим периодически переходит в безнапорный. При затоплении обоих оголовков трубы возникает напорный режим работы. Его недостатки  — чрезвычайно тяжелые условия работы стыков между звеньями труб и  наличие вакуума в  трубе, что осложняет эксплуатацию автоматических регулирующих ус­ тройств. Однако пропускная способность трубы в напорном режиме относительно безнапорного может возрастать в  несколько раз, в зависимости от напора, что позволяет получить существенный экономический эффект за счет уменьшения площади поперечного сечения труб. В связи с вышеизложенным далее будем рассматривать только два режима работы труб: безнапорный и напорный. Расчет пропускной способности безнапорных круглых труб можно вести и по зависимости Q = εϕνd 2 2 gH 0 ,



(3.71)

где ε — коэффициент бокового сжатия (для портальных оголовков принимают ε  =  0,85, для раструбных оголовков  — 0,9); ν  — коэффициент, зависящий от отношения глубины наполнения трубы h к  ее диаметру d (определяют по табл.  3.17); H0  =  H10  −  H2  — разность уровней воды перед трубой и  за трубой с  учетом скорости  αv 2  подхода v0  H 0 = H + 0 . 2g   Таблица 3.17 Значения коэффициента ν в зависимости от отношения глубины наполнения трубы h к диаметру d h/d

ν

h/d

ν

h/d

ν

0,995 0,950 0,900 0,850 0,800

0,784 0,772 0,742 0,714 0,673

0,75 0,70 0,65 0,60 0,55

0,628 0,588 0,542 0,492 0,442

0,50 0,45 0,40 0,35 0,30

0,398 0,344 0,295 0,246 0,198

Для пропуска через безнапорную трубу плавающих тел отношение глубины воды в  верхнем бьефе к  диаметру трубы должно составлять Н1/d ≈ 0,7...0,8.

172

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

Напорный режим работы трубы. Для эффективного применения напорных труб должны иметь место следующие благоприятные условия: ˆˆглубина канала должна быть достаточной; ˆˆво избежание образования вакуума в трубе, кавитации, отгона прыжка за трубой уклон трубы должен быть не более гидравлического уклона; ˆˆнасыпь должна иметь достаточную высоту, соответствующую подпору при Qmax; ˆˆтруба должна быть защищена от образования в ней наледей; ˆˆгрунты русла должны быть достаточно устойчивы против размыва, чтобы не приходилось предусматривать значительные мероприятия по гашению высоких скоростей на выходе из трубы; ˆˆпаводочный поток не должен нести большого количества наносов; ˆˆводосборный бассейн должен иметь преимущественно ливневый сток, дающий более кратковременные паводки, чем снеговой. Рекомендуется не назначать напорных труб отверстием более 1,5  м, так как при больших отверстиях значительные массы воды на выходе из трубы будут иметь большую разрушительную силу и для гашения энергии придется предусматривать дорогостоящие мероприятия. Пропускную способность трубы, работающей в напорном режиме при истечении под уровень, рассчитывают по формуле (3.63). Коэффициент расхода сооружения (трубы) определяется по формуле

µ=

1 , ξ вх + ξ тр + ξ вых

(3.72)

где ξвх — коэффициент сопротивления на вход (при острой кромке принимают ξвх = 0,5, при плавном входе — 0,2); ξтр — коэффициент сопротивления по длине трубы (определяется в  общем случае по зависимости ξтр  =  (2gl)/(C2R), где l  — длина трубы; С  — коэффициент Шези; R  — гидравлический радиус); ξвых  — коэффициент сопротивления на выход (принимается равным 1,0 или вычисляется по формуле ξвых = (1 − ω/ωк)2, где ω — площадь поперечного сечения трубы; ωк — площадь живого сечения канала за трубой).

3.6. Сопрягающие сооружения

173

Если ось регулятора расположена под углом к оси подводящего канала, то скорость подхода потока учитывать не следует, а в формулах (3.71) и  (3.63) необходимо ввести коэффициент δ, учитывающий поворот потока (см. табл. 3.12). Необходимо заметить, что напорные трубы испытывают большее давление воды, чем безнапорные, а следовательно, и напорный режим требует более тщательного выполнения стыков. Однако при одинаковых расходах поперечное сечение напорных труб меньше, чем безнапорных.

3.6. Сопрягающие сооружения 3.6.1. Выбор типа сопрягающих сооружений Сопрягающие сооружения предназначены для сопряжения участков каналов, расположенных на различных отметках в местах падения рельефа местности, а также участков трассы открытых береговых водосбросов гидроузлов с глухими плотинами. По условиям движения потока эти сооружения делят на две основные группы: ˆˆбез отрыва от жестких границ сооружения  — быстротоки, трубчатые быстротоки и перепады; ˆˆс отрывом от жестких границ сооружения на отдельных его участках — ступенчатые и консольные перепады. В дальнейшем будет идти речь только о ступенчатых перепадах, быстротоках и  консольных перепадах (консолях) как о наиболее распространенных сопрягающих сооружениях. Тип сопрягающих сооружений выбирают на основании тех­ни­ ко-экономических расчетов, сравнений вариантов с учетом обстоятельств, связанных с производством работ и эксплуатацией. Главным критерием, оказывающим влияние на выбор типа, является характер рельефа местности, на которой предполагается устройство сопрягающего сооружения. На пологих склонах (при падении уклонов от 0,08 до 0,20, а по рекомендации некоторых авторов и  до 0,25) можно проектировать быстротоки  — при прочих равных условиях они будут более экономичны. На крутых склонах (при i  = 0,2...0,3) экономически целесообразнее устраивать пере-

174

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

пады, так как в  этом случае быстротоки могут оказаться дороже из-за недопустимых скоростей. Если же рельеф местности обрывистый и  уклоны равны единице и  круче, то рекомендуется применять консоли. Второй немаловажный критерий — уровень стояния грунтовых вод. При близком их залегании от дневной поверхности лучше выбирать быстротоки или консоли как менее массивные сооружения. Качество грунтов основания также влияет на выбор типа сопрягающих сооружений. Консоли наиболее требовательны к грунтам по двум причинам: во-первых, для опоры нужно твердое основание, а во-вторых, размеры воронки размыва при слабых грунтах иногда получаются неприемлемо большими. На втором месте после консолей по требовательности к  качеству грунтов основания стоят перепады, а потом уже идут быстротоки как наиболее легкие сооружения. Большое значение для выбора типа сопрягающего сооружения имеют и условия эксплуатации. Особенно они важны для консолей, так как необходимо постоянно наблюдать за состоянием опоры и глубиной воронки размыва. За быстротоками нужно особенно следить зимой, когда во время морозов на бортах лотков трапецеидального сечения намерзает вода, стесняя живое сечение и уменьшая пропускную способность быстротока. Следует отметить, что индивидуальные сопрягающие сооружения, в особенности быстротоки, обычно проектируют на удельный расход 4...12 м3/с. Повороты быстротоков вызывают набегание потока на один борт и  выплескивание воды, что также нельзя считать благоприятным во время эксплуатации. Из всех типов сопрягающих сооружений наиболее надежны в  эксплуатации перепады. Если они правильно запроектированы, то в задачу эксплуатационного персонала входит лишь обычный присмотр за состоянием сооружения и периодический ремонт. При нормальных условиях наиболее экономичным типом сопрягающего сооружения считается консоль, потом быстроток, а перепад относится к наиболее дорогим сооружениям. Однако при определенных условиях консольный сброс может оказаться дороже и  сложнее всех других типов сопрягающих сооружений, главным образом за счет технической сложности и большой стоимости опоры.

175

3.6. Сопрягающие сооружения

В  табл.  3.18 приведены рекомендации различных авторов по выбору типа сопрягающих сооружений в зависимости от конкретных условий. Таблица 3.18 Рекомендации по выбору типа сопрягающих сооружений Условия

Рельеф местности

Рекомендации

При i = 0,08...0,25 — быстротоки, i = 0,20...0,30 — перепады, i = 1,0 и круче — консоли

Уровень грунтовых вод При близком залегании — быстротоки и консоли Качество грунтов осно- Наиболее требовательны консоли, затем перепады вания и наименее требовательны — быстротоки Эксплуатационные. условия

Наиболее требовательны консоли, быстротоки; наименее требовательны — перепады

Экономическая оценка Наиболее экономичны консоли, затем быстротоки и перепады как массивные сооружения

Сопрягающие сооружения должны отвечать основным требованиям: ˆˆсоздавать безопасные гидравлические условия движения воды как в самом сооружении, так и на примыкающих к нему участках водотоков. Это значит, что при расчетном гидравлическом режиме в  верхнем (подводящем) канале не должно быть ни подпора, ни спада, а  в  нижнем (отводящем)  — размыва. В пределах сооружения скорости должны быть не выше допускаемых; ˆˆбыть прочными и устойчивыми; ˆˆиметь наиболее рациональные и по возможности простые формы; ˆˆобеспечивать пропуск в нижний бьеф плавающих тел и шуги. Следует отметить, что обычно индивидуальные (крупные) сооружения предварительно проектируют в нескольких вариантах, после чего выбирают один из них и окончательно дорабатывают и  уточняют все детали. Мелкие сооружения устраивают по типовым проектам.

176

Глава 3. Каналы и гидротехнические сооружения на них

3.6.2. Перепады Конструктивные особенности. Перепады имеют входную (понурную), транзитную (ступени) и  выходную части. Транзитная часть между входом и выходом у одноступенчатого и многоступенчатого (рис. 3.23) перепадов представляет собой соответственно ступень или ряд ступеней, каждая из которых образована вертикальной стенкой падения, боковыми стенками и водобойной плитой обычно по типу водобойного колодца. В водосливной стенке (над стенкой падения) устраивают отверстия размерами от 10 × 10 см до 20 × 20  см для опорожнения колодцев во время выключения перепада из работы. Для устранения вакуума у  стенки падения, плохо влияющего на работу перепада, в боковой стенке перепада устраивают воздушные трубки 10. Длину входной (понурной) части lп в  небольших перепадах с удельным расходом q ≤ 2 м3/с принимают не менее 2Н, где Н — глубина воды у входа в  перепад, в  более крупных перепадах

H1

7

5

d3

hc1 L1

hc2 L2

3

hк

2

z

12

d2

c hc3

4

11

p

1

H2

P

Lп

10

d1 c hc2

Lпп

9

8

p

H

6 c hc1

hc3 L3 13



Рис. 3.23. Многоступенчатый перепад:

Вк/2

9

В/2

Вк/2

14

1 — подводящий канал; 2  — входная часть; 3  — понур; 4  — стенка падения; 5 — водобойная плита; 6 — первая ступень; 7 — сливные отверстия; 8 — вторая ступень; 9  — боковая стенка; 10  — воздушные трубки; 11  — последняя ступень; 12 — рисберма; 13 — застенный дренаж; 14 — смотровой колодец

3.6. Сопрягающие сооружения

177

с q > 2 м3/с — не менее 3Н. Длина предпонурного крепления lпп = = (2...3)Н, толщина плит понура 0,1...0,2 м. Работа последней ступени и  выходного участка перепада наиболее ответственна для сооружения, так как размывы в нижнем бьефе из-за их неудовлетворительной работы могут создать угрожающее состояние для всего сооружения. Поэтому выходная часть должна обеспечивать безопасный выход потока в канал. Плавный и  спокойный выход потока в  канал за перепадом можно обеспечить, проектируя выходной участок в виде раструба с обратными стенками или косых плоскостей. Очень часто водобойный колодец последней ступени получается расширяющимся в плане, так как канал почти всегда шире перепада. Прилежащий к водобойной части перепада участок канала должен быть закреплен. Длину участка крепления принимают равной удвоенной длине водобойного колодца для небольших перепадов и (6...8)Н — для больших. Число ступеней, их длину и высоту стенок падения выбирают в результате технико-экономического сравнения нескольких вариантов. При этом стремятся к тому, чтобы сооружение вписывалось в  рельеф склона наиболее просто, без больших выемок. Высоту стенки падения p принимают до 3...5 м. Толщину днища водобойных колодцев бетонных и каменных перепадов рекомендуется принимать: 0,35...0,4 м при удельном расходе q < 2 м3/с и высоте стенки падения р  15 7,5 7 обочин 3,75 3,75 2,5 разделительной полосы между разными направлениями движения (наименьшая) 5 — — земляного полотна > 27,5 15 12

212

Глава 4. Грунтовые плотины

Глинистые грунты тела плотины в зоне гребня защищают слоем из несвязных грунтов толщиной не менее расчетной глубины промерзания. В поперечном направлении проезжей части придают уклон 1,5...4 %; уклон обочин на 1...3 % больше, по их краям устраивают сигнальные столбики или низкие стенки. Ограждения ставят на расстоянии не более 0,5 м от бровки гребня, а по длине плотины, если они выполнены в виде столбов, — через 4...6 м. На прямолинейных участках дороги проезжую часть выполняют с  двусторонним поперечным уклоном. На криволинейных участках гребня дорогу выполняют с  виражом, придавая проезжей части односторонний уклон. Одежда дороги состоит из покрытия и основания. В основании покрытия укладываются песчаные или гравийные грунты. Они необходимы для более равномерного распределения давлений от сосредоточенных грузов и для быстрого отвода воды за пределы проезжей части. Пример конструкции гребня плотины с устройством на нем дороги с покрытием из булыжной мостовой и гравия приведен на рис. 4.7. а

б b/2

1,0

4

1,5

0...0,25 1 2

5

6 i

Ось

3

плотины

b/2 7

5

1,0 Обо чина

8 9

i

0,5

Рис. 4.7. Устройство и типы креплений гребня плотины:

а — покрытие гравием 10...15 см; б — покрытие мостовой из рваного камня; 1 — одиночная мостовая верхового откоса; 2 — гравийно-песчаный фильтр; 3 — деревянные надолбы диаметром 15...18 см; 4 — гравийное покрытие; 5 — дренажная канава; 6  — тело плотины; 7  — мостовая из рваного камня; 8  — железобетонные надолбы; 9 — обратный фильтр-призма из местных материалов (щебня, гравия, хворостяных фашин)

213

4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин

Возвышение гребня плотины необходимо определять для двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе: ˆˆпри нормальном подпорном уровне (НПУ) или при более высоком уровне, соответствующем пропуску максимального паводка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий; ˆˆпри форсированном подпорном уровне (ФПУ), при пропуске максимального паводка, относимого к особым сочетаниям нагрузок и воздействий. Возвышение гребня плотины d над соответствующим расчетным уровнем (рис. 4.8, а) определяется по формуле d = ∆h + hн + a,



(4.3)

где ∆h  — ветровой нагон воды в  верхнем бьефе; hн  — высота наката ветровых волн обеспеченностью 1  %; а  — запас возвышения гребня плотины. При определении первых двух слагаемых в  формуле (4.3) обеспеченность скорости ветра для расчета элементов волн, наката и нагона при основном сочетании нагрузок и воздействий (при НПУ) следует принимать по ТКП, т.е. для сооружений I, II классов — 2 % (один раз в 50 лет), III, IV классов — 3 % (один раз в 33 года). При особом сочетании нагрузок и воздействий (при ФПУ) эти обеспеченности принимаются для I и II классов — 20 %, для III класса — 30, для IV класса — 50 %. При отсутствии данных наблюдений

4 5

6

б 3

d

a

а

7 5

12

1

2

h

hн

d

3

Рис. 4.8. Схемы к определению отметки гребня плотины:

а — без парапета; б — с парапетом; 1 — расчетный статический уровень; 2 — уровень воды при ветровом нагоне; 3 — средняя волновая линия; 4 — сквозные ограждения на гребне; 5 — отметка гребня; 6 — парапет; 7 — отметка верха парапета

214

Глава 4. Грунтовые плотины

за скоростью ветра ее значения могут быть приняты по справочным данным. Запас а принимают не менее 0,5 м. Из двух полученных результатов расчета выбирают более высокую отметку гребня. Если на гребне плотины предусматривают парапет, то отметку последнего определяют как отметку гребня плотины (рис.  4.8, б). При этом отметка гребня насыпи должна быть не менее чем на 0,3 м выше НПУ и  не ниже ФПУ. Высота парапета обычно составляет 1,2...1,5 м. При расчете элементов волн водоем по глубине подразделяется на зоны: ˆˆглубоководную — дно не влияет на основные характеристики волн; ˆˆмелководную  — дно оказывает влияние на развитие волн и их основные характеристики; ˆˆприбойную — начинается и завершается разрушение волн; ˆˆприурезовую  — в  ее пределах поток от разрушенных волн периодически накатывается на берег. При проектировании плотин из грунтовых материалов наиболее характерной является глубоководная зона с глубиной более половины средней длины волны, т.е. H1 > 0,5λ. Средние параметры волн в глубоководной зоне: высоту волны h  (м), длину волны λ  (м) и  период волн Т  (с) определяют в  следующем порядке. Вычисляют безразмерные параметры

ξ=

gL gt   и  τ = , 2 v vw w

где L — длина разгона волн, т.е. длина водохранилища по направлению ветра, определяемая по плану водохранилища с учетом розы ветров,  м (рис.  4.9); t  — продолжительность действия ветра (при отсутствии сведений о продолжительности действия ветра допускается для предварительных расчетов принимать t = 6 ч = 21 600 с); g — ускорение свободного падения, м/с2; vw — расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с. По параметру ξ и графику, представленному на рис. 4.10, определяют ε1 и η1, аналогично по значению τ находят ε2 и η2. По мень-

215

4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин а

б

С vw2

1

vw1

З

В

L

1

v w1 1  2

Ю

v w2

2

L2 УВБ

Рис. 4.9. Схема к расчету параметров волн:

3,0

0,7 0,5 0,4

 gh/vw2

 gT/vw

1,1 0,9

2,0 1,6 1,4 1,2

0,010 0,008

 gt/vw2

5,6 5,0 4,0

 gT/vw

а — роза ветров; б — план водохранилища (1 — створ плотины; 2 — ось водоема)

2

gd/v w 3

0,14 0,10 0,08 0,06 0,04 0,03 0,02 0,01

0,005 0,004 0,003 0,002

0,001

0,3 4 5 6 8

1

2 3 4 56 8

10

2 3 45

100

8

100

2 3 45

8

1000

2 3 45

2 3 4 5 8 1000 2 3 4 5

8

2 3

10 000  gL/vw2

8 10000

3456

 gt/vw

Рис. 4.10. График для определения элементов ветровых волн в глубоководной зоне

216

Глава 4. Грунтовые плотины

шим значениям ε и  η вычисляют период волн T  =  εvw/g и  высоту волны h = ηvw2 g . При известном значении Т определяют среднюю длину волны: gT 2 λ= . (4.4) 2π Высоту волны i%-ной обеспеченности следует рассчитывать по зависимости (4.5) hi = hКi, где Кi — коэффициент, определяемый по графику, представленному на рис.  4.11, в  зависимости от значения ξ и  расчетной обеспеченности высоты волн i. Расчетная обеспеченность высоты волны i % в системе волн при определении высоты наката на откос, устойчивости и прочности креплений бетонными плитами принимается равной 1 %, каменной наброской — 2 %. Приближенную расчетную высоту волны hм и ее среднюю длину λм в мелководной зоне можно определить по следующим зависимостям: (4.6) hм = hβ;  λм = λα, где α и β — коэффициенты, определяемые по графику на рис. 4.12. Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1  % по на­ кату  hн  (м) для фронтально подходящих волн (h1%) при глубине перед сооружением H1 ≥ 2h1% надлежит определять по следующей формуле:

hн = h1%КrКpКspКrunКβКi,run,

(4.7)

где h1% — высота бегущей волны обеспеченностью 1 %, м; Кr и Кp — коэффициенты, учитывающие тип крепления откоса (принимают по табл.  4.6); Кsp  — коэффициент, учитывающий скорость ветра и  заложение откоса (принимают по табл.  4.7); Кrun  — коэффициент, учитывающий пологость волны и  заложение откоса (принимают по графику на рис.  4.13); Кβ  — коэффициент, учитывающий угол фронта подхода волны к  сооружению (принимают по табл.  4.8); Кi,run  — коэффициент, учитывающий обеспеченность по накату волны (определяют по табл. 4.9).

217

4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин Кi  hi/hгл 2,2

i1%

2,1 2,0 1,9

i2% 0

200

400

600

800

2 1000 gL/vw

Рис. 4.11. График значений коэффициента Кi , 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9 H1/

Рис. 4.12. График зависимости коэффициентов α и β от функции H1/λ Таблица 4.6 Значения коэффициентов Кr и Кp Относительная шероховатость r/h1%

Кr

Кр

Бетонные (железобетонные) плиты

—

1

0,9

Гравийно-галечниковые, каменное или бетонными (железобетонными) блоками

0,002 0,005...0,01 0,02 0,05 0,1 0,2

1 0,95 0,9 0,8 0,75 0,70

0,9 0,85 0,8 0,7 0,6 0,5

Конструкция крепления . откоса

Примечание. Характерный размер шероховатости r (м) следует принимать равным среднему диаметру зерен d50 материала крепления откоса или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков.

218

Глава 4. Грунтовые плотины

Таблица 4.7 Значения коэффициента Ksp Коэффициент для скорости ветра, м/с ≤ 10 ≥ 20

ctg α

0,4 0,4...2 3...5 Более 5

1,1 1,1 1,1 1,2

1,3 1,4 1,5 1,6

Примечание. ϕ — угол наклона откоса к горизонту, град.

Таблица 4.8

Значения коэффициента Кβ β, град.

Кβ

0

10

20

30

40

50

60

1

0,98

0,96

0,92

0,87

0,82

0,76

Таблица 4.9

Значения коэффициента Кi, run Обеспеченность по накату i, % Коэффициент Кi, run

0,1

1

2

5

10

30

50

1,1

1,0

0,98

0,91

0,86

0,76

0,68

Кrun 2,5 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,1

0,2

0,3

0,4 0,5

1,0

2,0

0,8 0,6 0,5 0,4

/h1%

0,3 0,2

3

4

5 6 7 8 9 10

m1  ctg 1

20

Рис. 4.13. График значений коэффициента Кrun

30

50 (30) 40 (25) 30 (21) 25 (30) 20 (19) 15 (13) 10 (9,7) 7 (7,0)

219

4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин

При глубине перед сооружением H1 ≥ 2h1% коэффициент Кrun необходимо принимать для значений пологости волны, указанных на рис. 4.13 в скобках. Следует отметить, что при небольших значениях высоты волны и коэффициента заложения верхового откоса высоту наката ветровых волн можно определять по табл. 4.10. Таблица 4.10 Высота наката ветровых волн, м

Высота Коэффиволны циент Кrun h1%, м

Крепление. Крепление каменной Крепление. железобетонное наброской при относижелезобетонмонолитное тельной шероховатости ное сборное. и сборное из из шарнирно плит, омонолисоединенных 0,1 0,2 ченных в карты, плит асфальтобетонное Расчетная скорость ветра vw, м/с

0,5

1,0

1,2

1,5

2,0 3,0 3,5 2,0 3,0 3,5 2,0 3,0 3,5 2,0 3,0 3,5

≤ 10

≥ 20

≤ 10

≥ 20

≤ 10

≥ 20

≤ 10

≥ 20

1,05 0,75 0,60 2,10 1,45 1,20 2,60 1,77 1,45 3,15 2,15 1,85

1,35 1,00 0,85 2,70 2,00 1,65 3,25 2,35 2,00 4,00 3,00 2,50

0,95 0,65 0,55 1,90 1,30 1,10 2,35 1,60 1,30 2,90 1,95 1,70

1,20 0,90 0,75 2,45 1,80 1,50 2,95 2,10 1,80 3,65 2,60 2,25

0,50 0,35 0,30 0,95 0,65 0,55 1,15 0,80 0,65 1,45 1,00 0,85

0,60 0,45 0,40 1,25 0,90 0,75 1,45 1,00 0,90 1,85 1,35 1,15

0,40 0,25 0,25 0,75 0,60 0,50 0,90 0,60 0,55 1,10 0,75 0,65

0,50 0,35 0,30 0,95 0,70 0,45 1,15 0,85 0,70 1,45 1,05 0,90

Высота ветрового нагона ∆h принимается по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии ее допускается определять методом последовательных приближений по формуле

∆h = K w

vw2 L cosβ, g (H1 + ∆h)

(4.8)

где Kw — коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости ветра (при vw = 20; 30; 40; 50 м/с соответственно Kw ⋅ 106 = 2,1; 3;

220

Глава 4. Грунтовые плотины

3,9; 4,8; для промежуточных значений vw значение Kw можно определять линейной интерполяцией); H1 — глубина воды в верхнем бьефе, м; β — угол между осью водоема и господствующим направлением ветра, град. Расчетная скорость ветра на высоте 10  м над уровнем воды определяется по формуле vw = vwzКzКfi,



(4.9)

где vwz — скорость ветра, м/с, измеренная на высоте z, м; Кz — коэффициент приведения к высоте 10 м (Кz ≥ 0,9 при z = 20 м); Кfi — коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру (принимается по табл. 4.11). Таблица 4.11 Значения коэффициента Кfi vw, м/с

Кfi

20

25

30

35

40

45

50

1

0,95

0,92

0,89

0,88

0,86

0,85

Пример 4.1. Определить отметку гребня плотины в  глубоководной зоне. Исходные данные. При отметке НПУ, равной 44,50  м, расчетная глубина воды перед плотиной H1 = 16,90 м, расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды vw1 = 17,50 м/с, длина разгона ветровой волны по направлению ветра L1  = 1,5  км, непрерывная продолжительность действия ветра t1 = 9 ч, угол подхода фронта волны к сооружению β1 = 30°. При уровне воды на отметке ФПУ, равной 45,20  м, H2  =  17,60  м; vw2  = = 12,50 м/с; L2 = 1,7 км; t2 = 7 ч; β2 = 40. Коэффициент заложения верхового откоса m1 = ctgα1 = 3,0. Откос крепится бетонными плитами. Первый расчетный случай. 1. Вычисляем безразмерные параметры:

ξ=

gL1 gt 9, 81 ⋅ 1500 9, 81 ⋅ 9 ⋅ 60 ⋅ 60 = = 48, 05 ;  τ = = = 18162, 5. 17, 5 vw1 vw2 1 17, 52

По параметру ξ и графику (см. рис. 4.10) определяем ε1 = 1,30 и η1 = = 0,0135. По параметру τ аналогично находят ε2 = 2,90 и η2 = 0,045. 2. По меньшему значению ε1 = 1,30 вычисляем период волн:

T =

ε1vw1 1, 3 ⋅ 17, 5 = = 2, 32. 9, 81 g

4.3. Выбор и расчет основных размеров профиля плотин

221

По меньшему значению η1 = 0,0135 вычисляем высоту волны:

h = η1

vw2 0, 0135 ⋅ 17, 52 = = 0, 42 м. 9, 81 g

3. По (4.4) определяем среднюю длину волны:

λ=

gT 2 9, 81 ⋅ 2, 322 = = 8, 41. 2π 2 ⋅ 3,14

4. Обеспеченность высоты волны при определении высоты наката принимаем равной 1 %. Высота волны при этой обеспеченности определяется умножением средней высоты волны h на коэффициент К1%, который определяется по графику (см. рис. 4.11) в зависимости от gL1 vw2 1 = 48, 05 и К1 = 2,07. Тогда h1% = h ⋅ К1% = 0,42 ⋅ 2,07 = 0,87 м. 5. Высоту наката волн на откос определяем по формуле (4.7), предварительно определив значения коэффициентов, входящих в эту зависимость: yyКr и  Кp принимаем по табл. 4.6: для крепления откоса бетонными плитами Кr = 1,0, Кp = 0,9; yyпо табл. 4.7 при скорости ветра vw1  = 17,5  м/с и  заложении откоса равном 3, путем интерполяции Кsp = 1,40; yyпо графику 4.13 в зависимости от заложения откоса m1 = 3,0 и пологости волны λ/h1% = 8,41/0,87 = 9,67 Кrun = 1,39; yyпо табл. 4.8 в зависимости от угла фронта подхода волн к сооружению β1 = 30° Кβ = 0,92; yyпо табл. 4.9 в зависимости от обеспеченности по накату волны i = 1 % Кrun1% = 1,0. Определяем высоту наката на откос волн 1%-ной обеспеченности по формуле hи = h1%КrКpКspКrunКβКi,run = 0,87 ⋅ 1,0 ⋅ 0,9 ⋅ 1,40 ⋅ 1,39 ⋅ 0,92 ⋅ 1,0 = 1,40. 6. Высоту ветрового нагона определяют по формуле (4.8) при β1 = 30° и Кw = 2,1 ⋅ 10-6: vw2 1L1 ∆h = K w cosβ1. g (H1 + ∆h) В первом приближении принимаем ∆h = 0, тогда

∆h = 2,1 ⋅ 10−6

17, 502 ⋅ 1500 ⋅ cos 30 ≈ 0, 01 м. 9, 81(16, 90 + 0)

Так как величина ветрового нагона воды на откос очень малая, то второго приближения при определении ∆h не делают.

222

Глава 4. Грунтовые плотины

7. Запас высоты плотины α = 0,1h1% = 0,1 · 0,87 = 0,09 м. Ввиду того что α < α min = 0,5 м, принимают α = 0,5 м. Возвышение гребня плотины над НПУ рассчитаем по формуле (4.3): d = ∆h + hн + α = 0,01 + 1,40 + 0,5 = 1,91 м. Тогда отметка гребня плотины по первому расчетному случаю ∇ГП = ∇НПУ + d = 44,50 + 1,91 = 46,41 м. Второй расчетный случай. 8. По аналогии с  первым расчетным случаем при тех же параметрах верхового откоса определяем: yyвысота волны 1%-ной обеспеченности h1% = 0,60 м; yyвысота наката ветровой волны на откос плотины hrun1% = 0,76 м; yyвысота ветрового нагона воды ∆h ≈ 0; yyзапас в высоте плотины α = 0,5 м. 9. Возвышение гребня плотины над ФПУ d = 0,76 + 0 + 0,5 = 1,26 м. Тогда отметка гребня плотины по второму расчетному случаю

∇ГП = ∇ФПУ + d = 45,20 + 1,26 = 46,46 м.

10. В результате сравнения отметок гребня плотины, полученных по двум расчетным случаям, принимают наибольшую отметку гребня 46,46 м, соответствующую второму расчетному случаю.

4.4. Крепление откосов Общие сведения. Крепление откосов грунтовых плотин устраивают для защиты их от следующих воздействий: ˆˆразмыва течением или волнением воды в бьефе; ˆˆразрушения льдом; ˆˆразмыва фильтрационным потоком воды, вытекающей из тела плотины (из пор грунта), например, при снижении уровня воды в бьефе или откате волн; ˆˆразмыва дождевыми и  талыми водами, стекающими по откосу плотины (низовому), а также по откосу берега в нижнем бьефе; ˆˆразрушения под воздействием ветра; ˆˆпрорастания растений с сильно развитой корневой системой, при отмирании и  гниении корней которых в  теле плотины могут раскрыться сосредоточенные ходы фильтрации; ˆˆпроникновения землеройных животных;

4.4. Крепление откосов

223

ˆˆпучения глинистого грунта в зимний период или усадки его летом, когда грунт надводной части откоса может пересыхать и давать трещины. С учетом перечисленных факторов, а также интенсивности их воздействия и устанавливают тип покрытия откоса. В общем случае покрытие откоса состоит из следующих элемен­ тов (рис. 4.14): ˆˆкрепление  — защищает откос от размыва поверхности водой бьефа, разрушения льдом и т.п.; ˆˆподготовка — укладывается под крепление: •• дренаж — причем дренаж (вместе с обратным фильтром и защитным слоем) иногда может играть роль подготовки; •• обратные фильтры — предотвращают вынос мелкозернистых частиц грунта в дренаж или за пределы тела плотины; •• защитный слой — совместно с креплением, подготовкой, дренажем и обратным фильтром защищает глинистый грунт откоса от промерзания и  других указанных выше воздействий. В частных случаях покрытие откоса может состоять только из некоторых перечисленных выше элементов. Крепление верховых откосов плотин. Для защиты верхового откоса, как правило, применяют следующие виды креплений: ˆˆкаменные (насыпные); 1 ˆˆбетонные монолитные, железобе2 m тонные сборные и  монолитные с  обыч3 4 ной и предварительно напряженной арB матурой; ˆˆасфальтобетонные; ˆˆбиологические. При наличии данных, обоснованных A исследованиями или опытом строительства и эксплуатации плотин, допускаетРис. 4.14. Схема покрытия откоса АВ (в общем ся применять и другие виды креплений случае): верховых откосов, например гравийно1 — крепление; 2 — дренаж; галечниковые, грунтоцементные и  др. 3  — обратный фильтр; 4  — Крепление камнем в  виде одиночного защитный слой (2–4 — подили двойного мощения, требующее больготовка)

224

Глава 4. Грунтовые плотины

ших затрат ручного труда, в  настоящее время применяют сравнительно редко. Вид крепления устанавливают исходя из технико-эко­но­ми­че­ ской оценки вариантов с  учетом максимального использования средств механизации и местных материалов, характера грунта тела плотины и основания, агрессивности воды, долговечности крепления в условиях эксплуатации, архитектурных требований. Крепление верхового откоса плотины делят на основное, расположенное в зоне максимальных волновых и ледовых воздействий, возникающих в  эксплуатационный период, и  облегченное  — ниже или выше основного крепления. Верхней границей основного крепления (ВГК) чаще считают отметку гребня плотины. В случае значительного возвышения гребня плотины над расчетным уровнем воды основное крепление следует заканчивать ниже гребня на отметке высоты наката hн, далее до гребня доводят облегченное крепление. Нижнюю границу основного крепления (НГК) назначают, считая от минимального уровня сработки водохранилища (УМО), на глубине h = 2h1 (h1 — высота волны 1%‑ной обеспеченности при УМО). При этом нижняя граница основного крепления должна быть ниже минимального уровня сработки водохранилища не менее чем на 1,5t, где t — расчетная толщина ледяного покрова. Для защиты верховых откосов чаще применяют сборные и монолитные железобетонные покрытия или каменную наброску, несколько реже — бетонные, асфальтобетонные и биологические крепления. Расчетную толщину бетонных и железобетонных плит покрытия определяют по формуле

t s1 = 0, 07ηh1%

γw γb − γw

m 2 + 1 ⋅ 3 λ , m bs1

(4.10)

где η — коэффициент запаса (для монолитных плит η = 1,0, сборных — η = 1,1); γw и γb — соответственно плотность воды и бетона, т/м3. Если расчетное значение ts1  2,4...2,9  т/м3, пределом прочности в  водонасыщенном состоянии Rc ≥ 40...50 МПа и маркой по морозостойкости F ≥ 50...150. Каменно-набросные покрытия обладают рядом достоинств. Их выполняют независимо от температуры воздуха. Разрушенные участки покрытия легко и  быстро восстанавливаются, крепление обладает гибкостью и  приспосабливается к  деформациям откоса. Практически все трудоемкие строительные процессы могут быть механизированы и  выполнены в  любое время года, а  также под водой. Толщину каменной наброски следует принимать с  учетом возможности частичного выноса из нее мелких частиц при волновом воздействии, подвижки крупных камней, уплотнения материала крепления, а также опыта эксплуатации аналогичных креплений. Крепление откосов плотин в  виде каменной наброски выполняется преимущественно из несортированного камня, что связано с техническими трудностями сортировки, особенно при значительных размерах камня. Наброска располагается на однослойной или

226

Глава 4. Грунтовые плотины

многослойной подготовке при общей ее толщине, иногда достигающей 60 см. Для крепления из несортированного камня наименьший расчетный диаметр камня Dм (м), приведенного к  шару, определяют по его устойчивости в  условиях волновых воздействий при откосах с заложениями в пределах m = 2...5 по формуле

Dм = 0,12С

h1% γа 2, 8m − 0, 8 ⋅ (mh2 + 10) , 1, 8m + 1 γ к − γ а mh

(4.13)

где С  — гидравлический коэффициент сопротивления (при диаметре камня более 15 см и высоте волны более 0,5 м С = 0,2); mh — пологость волны обеспеченностью 1 % (mh = λ/h; для водохранилищ mh = 7); h1 — высота волны обеспеченностью 1 %; m — заложение откоса; γк  — плотность камня, т/м3; γа  — плотность аэрированной воды в  струе от разрушающейся волны на откосе наброски, принимается с учетом коэффициента запаса 1 т/м3. Размер Dм относится к наименьшим фракциям камня, которые при наброске не перемещаются в  нижнюю часть ее поперечного сечения, а задерживаются на поверхности покрытия. Вышеприведенная формула получена для случая действия на откос наброски прибойной волны и  такого расположения расчетного камня, при котором он на половину диаметра выступает за пределы габарита поперечного профиля покрытия. Расчетный размер камня Dб (м), приведенного к шару, необходимого для образования опорной пространственной решетки и обеспечения общей устойчивости наброски из несортированного материала в условиях волновых воздействий при откосах с заложением в пределах m = 2...5, определяют по зависимости

 3 mh  m + 1, 8 γа Dб = 1, 5Сh1%  + 0, 5  . ⋅ , γ m 1 8 m 1 −   к − γа

(4.14)

Несортированный материал для наброски должен содержать не менее 50 % по объему камня наибольшего расчетного размера Dб, не менее 25 % по объему камня размерами в пределах от наибольшего до наименьшего расчетных диаметров и не более 25 % по объему камня размерами, выходящими за пределы расчетных диаметров, т.е. Dм и Dб.

227

4.4. Крепление откосов

При составлении проекта производства работ по наброске камня следует предусматривать такие технологические методы, которые обеспечивают равномерное распределение фракций несортированного каменного материала как по поперечному сечению, так и по площади укрепляемого откоса. Толщину покрытия из несортированного камня определяют для условий волнового воздействия по зависимости t = (2,0...2,1)Dб.



(4.15)

На нижней границе каменно-набросного покрытия следует пре­ дусматривать каменный упор в виде банкета, железобетонный упор в  виде массива либо надежный упор иной конструкции, сопрягаемый в необходимых случаях с облегченным покрытием дна или нижней части откоса для защиты их от размыва и нарушения устойчивости основания самого покрытия. Толщину каменной наброски из сортированного камня для предварительных расчетов можно определять по формуле t ≥ (2, 53)3



Qк , 0, 524 γ к

(4.16)

где Qк  — расчетная масса отдельного камня в  наброске, т; γк  — плотность камня, т/м3. Qк определяют по формуле П.А. Шанкина: γк 3 Qк = К1К 2 h1% , (4.17) γк − 1 где К1 — коэффициент, зависящий от длины и высоты волны, при λ/h1%  < 15 К1  = 7,2, при λ /h1% > 15 К1  =  8,2; К2  — коэффициент, принимаемый в зависимости от заложения откосов m по табл. 4.12. Таблица 4.12 Значения коэффициента К2 m

1,5

2,0

2,5

3

3,5

4,0

5,0

К2

0,039

0,022

0,014

0,0093

0,0069

0,0049

0,0034

Следует отметить, что опыт строительства и эксплуатации защитных сооружений из каменной наброски подтверждает целесообразность применения этого типа крепления для откосов с заложением m = 3.

228

Глава 4. Грунтовые плотины

При накате волн на откос и их спаде, а также снижении уровня воды в бьефе в крупных порах наброски возникают значительные скорости воды, при которых может произойти размыв и  вынос частиц грунта откоса через поры наброски. Для защиты грунта от­ коса от размыва под креплением устраивают фильтровую подго­ товку слоями толщиной tф = 0,15 м. Число слоев фильтра зависит от вида грунта откоса и подбирается, как для обратных фильтров дренажей. Толщина однослойной фильтровой подготовки под каменной наброской из несортированного камня принимается в следующих пределах:

20 см ≤ tф ≥ 7D50.

(4.18)

На рис. 4.15 приведен пример возможной конструкции крепле­ ния откоса каменной наброской. Покрытие в виде одиночной или двойной мостовой выполняют из камней продолговатой формы с соотношением размеров при­ близительно 1:2. Камни укладывают длинной стороной нормально к  откосу на однослойном или двухслойном фильтре из крупно­ обломочных грунтов. Для повышения устойчивости одиночный мостовой камень иногда укладывают в  клетки из сборных бетон­ ных элементов.

tф

Рис. 4.15. Пример крепления откоса каменной наброской:

1 — основное покрытие; 2 — обратный фильтр; 3 — облегченное крепление (гравий или щебень t = 0,3 м)

229

4.4. Крепление откосов

Следует отметить, что при устройстве мостовой расход камня гораздо меньше, чем при каменной наброске. Однако при этом требуется подбор штучных камней, ограничена возможность механизации работ, т.е. требуются большие затраты ручного труда. Это крепление менее гибко, чаще разрушается, так как при деформациях откосов плотины нарушается цельность крепления. Его применяют при малой высоте волны, наличии дешевого камня и ручного труда. Упоры креплений применяют для повышения устойчивости покрытия. Их размещают в  месте сопряжения с  неукрепленным грунтом откоса или на бермах. Упоры препятствуют сползанию откосного покрытия и предохраняют его концевую нижнюю часть от подмыва (рис. 4.16). Следует отметить, что упоры при расчете устойчивости покрытия откоса в расчет не принимаются. Размеры упоров определяются при статическом расчете на устойчивость. Чем круче откос, тем более массивным должен быть упор. Заглубление же подошвы упора зависит от степени размываемости грунта. Высотное размещение упоров определяется нижней границей крепления, а при наличии промежуточных берм — их расположением. Упоры креплений могут находиться непосредственно на откосе и  на бермах с  внутренней стороны (рис. 4.17). Пологие (пляжные) откосы применяют при отсутствии нужных строительных материалов, а также при технико-экономическом сравнении различных вариантов плотин. а

б 2

1

1

4 3

3

Рис. 4.16. Назначение упоров крепления откосов:

а — крепление без упора; б — крепление с упором; 1 — плита в проектном положении; 2 — плита после подмыва откоса; 3 — зона подмыва; 4 — упор

230

Глава 4. Грунтовые плотины а

б

3 2 2

1

3 1

1

в

2

2 1

Рис. 4.17. Размещение упоров на откосе:

а — на бермах; б — на откосе и на бермах; в — на откосе; 1 — крепление откосов; 2 — упоры кремления; 3 — берма

Как показывает опыт, возведение грунтовых плотин с неукрепленными пляжными верховыми откосами может оказаться экономически целесообразным при их высоте до 10 м. Пологие откосы обладают волнозащитными свойствами, их устраивают без крепления. Биологическое крепление верхового откоса применяют на плотинах с напором 5...7 м при высоте волн в водохранилище не более 0,7  м, т.е. для небольших плотин сельскохозяйственного назначения на местном стоке, где длина водохранилища невелика и  волновые воздействия незначительны. Принцип, положенный в  основу биологического крепления, заключается в  том, что молодая поросль ивовых пород, зарытая в землю, дает побеги. Образующаяся затем густая растительность и мощная корневая система скрепляют грунт, повышают устойчивость откоса против разрушающего волнового воздействия, а также предупреждают выдувание мелких частиц грунта из откоса. Следует учесть одно существенное обстоятельство, которое может отразиться на устойчивости откосов. Откосы с  биологическим креплением вступают в работу не раньше второго-третьего года, когда молодая поросль и корневая система достаточно хорошо разовьются, а  до этого откосы должны быть предохранены от разрушения временным защитным покрытием. Таким временным креплением, не препятствующим развитию основного биологического крепления, могут служить хворостяная выстилка и  солома, срок службы которых вполне достаточен до вступления в действие биологического крепления.

231

4.4. Крепление откосов

Особенность биологического крепления состоит в том, что с течением времени оно приобретает все большую прочность и, кроме обычного ухода за растениями, не требует каких-либо затрат на ремонт и восстановление. Биологическое крепление производится ивовыми черенками или хлыстами. При первом способе черенки ивняка (по 5–6  шт.) сажают в гнезда глубиной 0,5...0,7 м, заполненные растительным грунтом. Гнезда с диаметром по дну около 30 см располагают в шахматном порядке с  расстоянием между рядами и  гнездами в  ряду 1...1,5 м. Ряды гнезд располагают в линию под углом 45° к бровке гребня плотины (рис.  4.18). Черенки ивняка сажают глазками вверх с таким расчетом, чтобы над поверхностью спланированного откоса оставались головки высотой 10...20  см. Затем гнезда засыпают растительным грунтом с легким трамбованием. Хлысты заготавливают из свежесрубленных двух-трехлетних хворостин диаметром в  комле 2,5...5,0  см и  в  вершине не менее 1,5  см. Посадка хлыстов осуществляется плашмя, для чего по откосу нормально к урезу воды через 1,5 м делают борозды глубиной 0,1...0,15  м. В эти борозды укладывают ивовые хлысты, очищенные от сучьев и ветвей, а затем засыпают растительным грунтом

2 4

.15

10..

1

3

10 ..1 0.

50

..1

50

45

. 00

1

Рис. 4.18. Биологическое крепление откоса путем посадки ивовых черенков (размеры в см): 1 — солома; 2 — временное хворостяное покрытие; 3 — колья диаметром 5...6 см; 4 — лунки, засыпанные грунтом

232

Глава 4. Грунтовые плотины

заподлицо с откосом (рис. 4.19). При этом верхнюю часть хлыстов изгибают и  выводят на поверхность откоса. Хлысты укладывают на откосе комлями к урезу воды. Такая посадка способствует развитию мощной корневой системы, которая быстро распространяется по всей высоте откоса. Наземная поросль крепления развивается на верхнем участке хлыста от вершины до уреза некоторого уровня воды  — уровня растительности (УР). Корневая система развивается выше и ниже этого уровня и распространяется вдоль всего уложенного хлыста. Посадки хорошо приживаются при употреблении свежесруб­ ленного материала. Если производственные условия заставляют заготовлять посадочный материал заранее, то лучше всего срезать его поздней осенью, когда опадают листья, или зимой. Хранить в  прохладных, сырых и  затененных местах. Заготовлять ивовые черенки и  хлысты в  период, когда растение покрыто листвой, недопустимо, так как они очень плохо приживаются. 1

2

ФПУ НПУ

0,6

УР

0,5

1,5

УМО

УМО

УР

НПУ ФПУ

Рис. 4.19. Крепление откоса ивовыми хлыстами (размеры в м; временное покрытие не показано): УР —уровень растительности; 1 — поросль от ивовых хлыстов; 2 — гребень плотины

233

4.4. Крепление откосов

Неприжившиеся посадки выкапывают и  на их место сажают новые. В первые годы развития побеги нужно подрезать, так как это способствует развитию большого количества новых побегов. Посадки не должны затапливаться водой более чем на 5...6 суток. Верхний ряд растительных насаждений располагают на отметке ФПУ  +  h, где h  — высота волны, а  нижний  — на такой отметке, чтобы продолжительность непрерывного затопления взрослых посадок не превышала 2,0...2,5 месяца. При этом вершины посадок должны возвышаться над водой не менее чем на 0,5 м.

10

...1 2

Крепление низовых откосов плотин. Крепление низовых откосов выполняют с  целью их защиты от атмосферных осадков и  ветра. Наиболее распространенные виды крепления низовых откосов  — это залужение, дерновое и  гравийно-галечниковое покрытия. Самым простым и дешевым способом крепления откосов является сплошное залужение — искусственно созданный дерновый покров за счет посева многолетних трав. В тех случаях, когда грунт откоса мало пригоден для произрастания трав (например, при глинистых или песчаных грунтовых плотинах), по плоскости откоса предварительно насыпают слой растительной земли толщиной 0,1...0,15 м, а по нему высевают семена многолетних трав. На крутых откосах, особенно когда они сложены из глинистых грунтов, слой растительной земли может сползать. Во избежание этого устраивают углубления — борозды, нарезаемые параллельно бровке откоса (рис. 4.20).

1

2

10 ...

.50

100

40..

.50

10

100

2

10

40..

...1

...1

2

15

1

Рис. 4.20. Залужение низового откоса (размеры в см):

1 — слой растительного грунта; 2 — посев трав на откосе плотины

234

Глава 4. Грунтовые плотины

Несмотря на простоту и доступность способа крепления низовых откосов сплошным залужением, последнее находит ограниченное применение и  может быть рекомендовано только для плотин небольшой высоты, так как для получения прочного дернового покрова, способного противостоять разрушающему действию атмосферных факторов, требуется продолжительное время. До появления в  рыхлом защитном растительном слое прочной корневой системы, которая в основном и придает прочность покрытию, обильные дожди и ливни, а следовательно, и ручейки, стекающие по откосу, могут не только смыть слой растительной земли, но и деформировать грунт откоса. Поэтому чаще применяют дерновое покрытие. Дерновое покрытие может быть сплошное и в клетку. При сплош­ ной одерновке для лучшего прорастания дерна по откосу сначала укладывается слой растительного грунта толщиной 0,1...0,15 м, а затем — дерн. При одерновке в клетку (рис. 4.21) клетки, образованные пересечением дерновых лент, заполняют растительным грунтом, в ко-

5... 0,2

.0,1 0,1 ..

bб iб  0,1

5

I–I

2

0,3

1

2

3

1

3

25

4 I

2

1

50

i

25

1

I

ib

Рис. 4.21. Крепление низового откоса залужением в дерновых клетках (размеры в см):

1 — дерновые ленты, прикрепленные к откосу деревянными спицами; 2 — растительный грунт (толщина слоя 10  см, с  засевом трав; 3  — сборный железобетонный лоток; 4 — дерновые ленты по бровке откоса

4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин

235

торый высеваются семена трав. К  откосу дерн прикрепляется деревянными колышками-спицами. Залужение откосов и дерновое крепление применяют при благоприятных условиях произрастания трав. В районах c жарким климатом и сильными ветрами откосы защищают слоем гравийно-галечниковых грунтов толщиной 0,1...0,2 м. Участки низовых откосов, омываемых водой, крепят так же, как и верховые откосы, верхнюю границу крепления определяют из условия наката волны. Нижней границей крепления будет подошва откоса.

4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин Общие сведения. В грунтовых насыпных плотинах могут быть устроены два типа дренажа: 1) дренаж низового клина плотины; 2) дренаж основания плотины. Дренирование тела и основания плотины предусматривают: ˆˆдля приема и организованного отвода в нижний бьеф фильтрующейся воды, чтобы исключить фильтрационные деформации грунтов тела и основания плотины; ˆˆуменьшения зоны действия фильтрационного потока, что позволяет повысить устойчивость низового откоса; ˆˆнедопущения выхода фильтрационного потока на низовой откос — заглубления депрессионной кривой ниже зоны промерзания; ˆˆускорения консолидации глинистых и илистых грунтов и уменьшения порового давления в отдельных зонах плотины или основания. Дренаж рекомендуется устраивать во всех типах плотин и при различной их высоте. При надлежащем обосновании допускается не устраивать дренаж в следующих случаях: ˆˆв плотинах на водопроницаемом основании при низком стоянии уровня грунтовых вод, когда депрессионная поверхность и без устройства дренажа оказывается достаточно удаленной от поверхности низового откоса и не попадает в зону промерзания; ˆˆв плотинах, низовая часть которых выполнена из каменной наброски или другого крупнообломочного материала (гравийного, галечникового и т.п.).

236

Глава 4. Грунтовые плотины

Дренаж состоит из двух основных частей: 1) приемной  — в  виде обратных фильтров из пористого песка, гравия или щебня, а также из пористого бетона или синтетических волокнистых материалов; 2) отводящей (коллектора) — для отвода воды в нижний бьеф, выполняется из перфорированных труб или в  виде лент из крупного щебня и камня. Задача обратных фильтров  — предотвращение фильтрационных деформаций грунта в  зоне выхода фильтрационного потока в дренаж. По конструкции и  расположению в  теле плотины различают следующие типы дренажа (рис. 4.22): дренажный банкет, наслонный, трубчатый, горизонтальный, комбинированный. Дренажный банкет (рис.  4.22,  а) образуют наброской камня, диаметр которого при наличии волнения воды в  нижнем бьефе определяют аналогично расчету покрытия каменной наброской верхового откоса. Банкет применяют на русловых участках поймы, а  также при достаточном наличии камня в районе строительства. Гребень банкета должен возвышаться над самым высоким уровнем воды в  нижнем бьефе на величину d0, определяемую с  учетом нагона воды ветром и наката волн, но не менее 0,5 м. Ширину дренажного банкета b0 по верху назначают по условиям производства работ, но не менее 1,0  м. По внутреннему откосу банкета укладывают обратный фильтр. Заложение внутреннего откоса m′ банкета следует принимать равным углу естественного откоса материала, образующего обратный фильтр. При наличии в основании плотины несвязного мелкозернистого грунта и больших выходных скоростей фильтрации под дренажным банкетом устраивают обратный фильтр (горизонтальный). Гребень банкета иногда покрывают слоем крупнообломочного грунта с целью защиты порового пространства банкета от заиления его частицами грунта, смываемого с поверхности низового откоса дождевыми и талыми водами. Банкет должен быть запроектирован так, чтобы кривая депрессии была заглублена под поверхностью низового откоса на величину а, определяемую из условия

a ≥ hпр,

(4.19)

где hпр — наибольшая глубина промерзания в районе строительства.

237

4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин

Следует отметить, что дренажная призма (банкет) — довольно распространенный тип дренажа, оправдавший себя на практике и имеющий много положительных сторон: ˆˆдопустимость выполнения простыми средствами; ˆˆповышение устойчивости низового откоса (упор для плотины); ˆˆзащита низового откоса от волновых воздействий; ˆˆдренирование не только плотины, но и ее основания; ˆˆдренирование тела плотины при подъеме уровня воды в нижнем бьефе. а а

mн

b0 2

m

1

d0 max УНБ

д 4

а 1

3 mн

б

3 4

а

d0

3

е

max УНБ

2

mн

5

а

1 1 в

mн

а

ж

m

1

m

3

2 max УНБ

3 6

mн

a

mн 1

5

b

г

2

3

а

mс

max УНБ

3

1 mс

6

mс

7

Рис. 4.22. Основные типы дренажа низового клина плотины: а  — дренажный банкет; б  — наслонный дренаж; в  — трубчатый дренаж; г  — горизонтальный дренаж; д, е, ж — комбинированный тип дренажа; 1 — кривая депрессии; 2 — дренажный банкет; 3 — обратный фильтр; 4 — наслонный дренаж; 5  — труба; 6  — горизонтальная продольная дренажная лента; 7  — отводящая труба

238

Глава 4. Грунтовые плотины

Недостаток дренажной призмы состоит в том, что ее поперечное сечение во много раз превышает размеры, необходимые для приема и отвода профильтровавшейся воды, в результате чего требуется очень большой объем камня и  материалов для обратного фильтра. Устройство призмы трудоемко и требует применения ручного труда. Ориентировочно считают, что высота дренажной призмы составляет 0,15...0,20 высоты плотины. Наслонный дренаж (рис. 4.22, б) применяют на участках плотины, перекрывающих затапливаемую пойму, при отсутствии на месте строительства достаточного количества камня, а также при значительных колебаниях уровней воды в нижнем бъефе. Толщину наслонного дренажа назначают по условиям производства работ, но не менее t  +  tобр. ф, где t  — толщина каменной наброски (определяется по формуле (4.17), или, в соответствии с ТКП 4503.04-150–2009, t ≥ 5d85, где d85 — диаметр частиц, масса которых вместе с массой более мелких фракций составляет 85 % массы грунта всего дренажного слоя; tобр.ф  — толщина обратного фильтра. Размеры а  и  d0 принимают такие же, как и  для дренажного банкета. Наслонный дренаж не понижает депрессионную кривую, но, являясь пригрузкой, увеличивает устойчивость низового откоса против возможной суффозии, оплывания и размыва. Трубчатый дренаж (рис.  4.22,  в) применяют на тех участках плотины, где в период ее эксплуатации вода в нижнем бъефе отсутствует или присутствует кратковременно. Выполняют из гончарных, перфорированных бетонных или асбестоцементных труб, уложенных с уклоном параллельно подошве откоса и обсыпанных обратным фильтром. Трубчатый дренаж располагают обычно на расстоянии не более 1/4 ширины плотины по основанию от подошвы низового откоса  — Lдр с  таким расчетом, чтобы выполнялось условие (4.19) (рис. 4.23). Фильтрационный поток в  продольные дрены поступает через отверстия или прорезы (щели) в  трубе, а  при коротких звеньях труб  — через торцовые зазоры. Выход воды из продольных дрен происходит через поперечные дрены-выпуски, располагаемые примерно через 20...50 м. При большой длине плотины и  напоре, превосходящем 10  м, на дренажной линии иногда устраивают линейные смотровые ко-

239

4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин bгр a

3

m

2

m1 Lдр

б 3

2 

m1

m2

L

L

d

1

h

H1

2

Рис. 4.23. Внутренний трубчатый дренаж:

а — размещение смотровых колодцев; б — расчетная схема безнапорной трубы; 1 — продольные дрены; 2 — поперечные дрены; 3 — смотровые колодцы

лодцы (по типу водопроводно-канализационных с  внутренним диаметром 100  см и  в  этом случае поперечные дрены-выпуски приурочивают к ним. Смотровые колодцы ставят в местах изменения диаметра или уклона продольных дрен, иногда они могут выполнять и  роль перепадов. При прямолинейном расположении трубчатого дренажа смотровые колодцы располагают на расстоянии 50...100 м друг от друга. Диаметр труб определяют гидравлическим расчетом (после выполнения фильтрационного расчета плотины) и округляют до ближайшего большего сортаментного значения. Минимальный допускаемый диаметр трубы 0,20 м. Расчет трубчатого безнапорного дренажа ведут в  следующей последовательности. Вычисляют полный расход Q = qL, где q — удельный фильтрационный расход; L  — расстояние между поперечными дренамивыпусками. Задаваясь уклоном (i  = 0,005...0,01) и  диаметром трубы (d ≥ 20,0 см, определяют скорость воды в трубе по формуле Шези:

v = C Ri ,

(4.20)

240

Глава 4. Грунтовые плотины

где С — коэффициент Шези; Ri — гидравлический радиус, определяемый по формуле

Ri =

0, 25(ϕ ′ − sin ϕ ′) d , ϕ′

(4.21)

где ϕ′ — центральный угол наполнения трубы (в радианах). Максимальная пропускная способность присуща трубе при ϕ′ = 308° и h/d = 0,95, где h — глубина воды в трубе (рис. 4.23, б). Определяют площадь живого сечения потока в трубе, как в самотечных безнапорных трубопроводах, по формуле

ω = 0,125(ϕ′ − sin ϕ′)d 2.

(4.22)

Произведение vω должно быть ≥ Q. Желательно, чтобы скорость движения воды в трубе была в пределах 0,25...0,75 м/с. Размер а определяют по формуле (4.19). Дренажную трубу защищают обсыпкой в виде обратного фильтра. Коэффициент откоса m′ обратного фильтра принимают в соответствии с углом естественного откоса грунта, образующего фильтр. Ширина дренажа b′ (см. рис. 4.22, в) вместе с обратным фильтром должна удовлетворять следующей зависимости: q , (4.23) K где К — коэффициент фильтрации грунта тела плотины; q — удельный фильтрационный расход через тело плотины.

b ′ ≥ 0, 5

Горизонтальный дренаж (рис.  4.22, г) в  виде сплошного дренажного слоя или отдельных поперечных или продольных дренажных лент выполняют из крупнозернистого материала и защищают обратным фильтром только сверху или и сверху, и снизу. Комбинированный тип дренажа (рис. 4.22, д, е, ж) представляет собой одну из возможных комбинаций дренажей, рассмотренных выше. Выбор типа дренажа плотины. Выбор типа дренажа плотины осуществляют на основании технико-экономического сопоставления вариантов. При этом учитывают, что могут иметь место три участка грунтовой плотины, преграждающей реку (рис. 4.24, а): ˆˆрусловой  — в  пределах основного русла водотока, вмещающего меженные расходы;

241

4.5. Дренажи грунтовых насыпных плотин

ˆˆпойменные  — перекрывающие участки поймы, затопляемые в паводок; ˆˆбереговые (склоновые) — расположенные выше максимальных уровней нижнего бьефа. Русла горных рек, малых и временных водотоков обычно пойм не имеют. В таком случае плотина состоит только из руслового и береговых участков (рис. 4.24, б). На этих участках характер фильтрационного потока будет различным, поэтому проектирование дренажных, а  также противофильтрационных устройств в  теле и  основании плотины требует индивидуального решения на каждом из них. Дренаж в виде банкета применяют в пределах русловой и пой­ менной частей плотины. Если высота дренажного банкета получается большой, а также при отсутствии на месте строительства достаточного количества крупнообломочных грунтов, пригодных для устройства банкета, применяют комбинированный (см. рис. 4.22, д) или наслонный дренаж (см. рис. 4.22, б). Перечисленные типы дренажа в  случае, когда стоимость материала, используемого для их строительства, невелика, могут устраиваться и в пределах пойменной части реки. Наслонный дренаж целесообразно применять на участках плотин, перекрывающих затапливаемую пойму. Необходимо отметить, что наслонный дренаж имеет ряд положительных сторон: ˆˆтребует сравнительно небольшого количества материала; ˆˆдоступен для наблюдения, осмотра и ремонта в процессе эксплуатации; а

б

4

4 max УНБ

max УНБ 3

УНБ 2

l3

3 2

l2

1

l1

l2

l3

3

3 l3

1 l 1

l2

Рис. 4.24. Характерные участки грунтовой плотины по ее длине:

а — в створе с пойменными участками речной долины; б — без них; 1 — русловой участок; 2 — пойменные участки; 3 — береговые участки плотины; 4 — гребень плотины

242

Глава 4. Грунтовые плотины

ˆˆчрезвычайно прост по исполнению; ˆˆдопускает производство работ по очередям и устройство в про-

цессе эксплуатации. Трубчатый дренаж устраивают в пределах береговых частей реки, когда в нижнем бьефе непосредственно за этим дренажем воды нет. В тех случаях, когда необходимо значительно заглубить депрессионную кривую или ускорить консолидацию малопроницаемых грунтов основания под действием нагрузки от веса плотины, применяют горизонтальные продольные дренажные ленты (см. рис. 4.22, г), а иногда, при наличии воды в нижнем бьефе, и в комбинации с дренажными призмами (см. рис.  4.22,  ж). Такие дренажные устройства обычно заглубляют в тело плотины из глинистых грунтов не более чем на 30...50 % ее ширины по основанию, из песчаных — на 25...30 %. Отводящие устройства внутренних дренажей, выполняемые в виде труб или лент, должны иметь уклон в сторону нижнего бьефа в пределах 0,04...0,05. В последнее время получили распространение конструкции ярусных дренажей в виде горизонтальных, наклонных или вертикальных лент, заглубленных в  тело плотины. Такие дренажи выполняют: ˆˆдля обеспечения устойчивости верхового откоса плотины из маловодопроницаемых грунтов при быстрой сработке водохранилища; ˆˆуменьшения порового давления и  ускорения процесса консолидации в глинистых грунтах. Местоположение дренажей. Одна из задач дренажа состоит в  понижении кривой депрессии и  таком ее расположении, чтобы она во всех точках находилась от плоскости низового откоса на расстоянии, удовлетворяющем условию (4.19). Таким образом, работа дренажа в зимний период определяется его заглублением. Для районов, где условия зимнего периода не являются решающими, положение дренажа задают исходя из конструкции дренажа и строительных условий, принимая во внимание удобства эксплуатации. Положение дренажа можно определить расчетом или найти методом приближения. Удаление дренажа в сторону верхового откоса приводит к повышению градиентов при входе в дренаж, увеличению фильтрационных расходов и  затруднениям при ремонте дренажа, особенно приемной его части, в случае заиления.

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

243

Дренаж основания грунтовых насыпных плотин. При возведении грунтовой плотины на глинистом основании, насыщенном водой, вес строящейся плотины будет сжимать основание и выжимать из него воду. Скорейший отвод этой воды необходим с точки зрения увеличения устойчивости откосов плотины. В этом случае иногда все основание низового клина плотины (или часть его) покрывают сетью горизонтальных дрен или сплошным дренажным слоем. Дополнительно в основании устраивают вертикальные песчаные дрены в виде буровых скважин, заполненных песком. Если основание плотины покрыто сверху сравнительно тонким слоем глины, подстилаемой песком, то в глинистом слое возникает давление фильтрационного потока. Это может привести к фильтрационному выпору глинистого слоя в нижнем бьефе. В этом случае для снятия противодавления в  нижнем бьефе устраивают вертикальные дренажные колодцы на глубину глинистого слоя. По этим колодцам будет происходить выход фильтрационных вод из песчаного слоя в нижний бьеф, что приведет к снятию противодавления. Обратные фильтры дренажей. В зоне подхода грунтового (фильтрационного) потока к дренажу градиенты напора возрастают, тем самым создаются условия для фильтрационных деформаций грунта основания и  тела плотины. Для предупреждения деформаций приемную часть дренажа защищают обратными фильтрами. Последние представляют собой ряд последовательно уложенных слоев из песчано-гравелистых и  щебенистых грунтов с  увеличивающейся крупностью частиц при переходе от одного слоя к  другому в  направлении фильтрационного потока. Фракционный состав фильтров подбирают таким образом, чтобы через них свободно протекала вода, но не выносились частицы защищаемого грунта и обеспечивалась непроходимость материала фильтра из одного слоя в другой.

4.6. Фильтрационные расчеты плотин 4.6.1. Общие сведения и задачи фильтрационных расчетов Под действием напора, создаваемого плотиной, фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний происходит как через тело плотины, так и  через основание, если оно проницаемо. В результате этого

244

Глава 4. Грунтовые плотины

часть тела плотины насыщается фильтрующейся водой, верхнюю свободную поверхность которой называют депрессионной поверхностью. Линию пересечения этой поверхности с  вертикальной плоскостью называют депрессионной кривой или кривой депрессии (рис.  4.25). Ниже депрессионной поверхности фильтрационный поток движется в порах грунта с некоторой скоростью, а грунт, насыщенный водой, находится во взвешенном состоянии, что снижает устойчивость откосов плотины. Выше депрессионной поверхности находится зона капиллярного поднятия воды, высота которой hк составляет 0,1...0,4  м для песков и  0,5...3,0  м и  более для глинистых грунтов. Выше капиллярной зоны грунт обладает естественной влажностью. Если высота капиллярного поднятия значительна, то кривую депрессии необходимо понизить, чтобы не допустить переувлажнения грунтов в  зоне промерзания на низовом откосе плотины и повысить устойчивость последнего. Понизить кривую депрессии можно с помощью дренажных и противофильтрационных устройств. В плотинах, возводимых в широких створах (на равнинных участках рек) и имеющих относительно малую высоту и значительную длину, фильтрационный поток на русловом и пойменном участках (см. рис. 4.24, а) будет плоским, т.е. движущимся нормально к створу плотины. Решение задач плоской фильтрации обычно выполняют аналитическими методами, рассматривая 1 м плотины по ее длине. 1

4

hк

УВБ

5

3

УНБ

H1 6

2

H2

Рис. 4.25. Схема фильтрации воды через тело плотины на водонепроницаемом основании:

1  — кривая депрессии; 2  — зона полного насыщения грунта водой; 3  — зона частичного насыщения грунта водой за счет капиллярного поднятия; 4 — зона воздушно-сухого грунта; 5 — линии токов; 6 — водонепроницаемое основаниеводоупор; hк — высота капиллярного поднятия

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

245

В высоких плотинах, устраиваемых на предгорных и  горных участках рек, обычно в узких створах (см. рис. 4.24, б), фильтрационный поток близок к плоскому только в русловой части плотины, а на береговых ее участках имеет пространственный характер. Пространственная фильтрация в грунтовых плотинах представляет собой сложную задачу, точное решение которой может быть получено лишь на базе экспериментальных исследований на объемных или трехмерных моделях с использованием метода ЭГДА. В результате фильтрационных расчетов определяют: ˆˆположение депрессионной кривой в теле плотины и при необходимости — в береговых примыканиях; ˆˆградиенты фильтрационного потока в теле и основании плотины, а также в других наиболее опасных местах; ˆˆфильтрационный расход через тело плотины, основание (если оно проницаемо) и при необходимости в обход через берега. Параметры кривой депрессии в плотине и береговых примыканиях используют в расчетах устойчивости откосов и берегов: градиенты — для оценки фильтрационной прочности грунтов, расходы — для определения фильтрационных потерь воды из водохранилища при водохозяйственных расчетах. Параметры фильтрационного потока позволяют установить рациональные формы и размеры поперечного профиля плотины и ее противофильтрационных и дренажных устройств, а также уточнить общую схему дренирования тела и основания плотины.

4.6.2. Допущения при расчетах и расчетные схемы При фильтрационных расчетах грунтовых плотин ввиду сложности учета всех факторов, оказывающих влияние на движение грунтового потока, рассматривается упрощенная модель, в которой приняты следующие допущения: 1) фильтрацию рассматривают в одной плоскости, составляющие скорости, перпендикулярные этой плоскости, принимают равными нулю; 2) грунт тела плотины считают однородно-изотропным, т.е. значение коэффициента фильтрации во всех направлениях и в любых точках области фильтрации принимают постоянным;

246

Глава 4. Грунтовые плотины

3) при наличии водоупора последний считают теоретически водонепроницаемым; 4) положение депрессионной кривой в  однородных плотинах не зависит от качества грунта, а определяется только геометрическими размерами профиля плотины. Проектный поперечный профиль плотины приводят к расчетной схеме, исключая отдельные мелкие детали, и  вычерчивают в масштабе искажения. Для плотин с грунтовым экраном или понуром не учитывают потери напора в  песчаной пригрузке этих устройств. Экранирующими свойствами крепления откоса обычно пренебрегают. При составлении расчетной схемы фильтрации необходимо учитывать также свойства грунтов основания. В зависимости от их водопроницаемости могут быть две основные схемы — плотины на водопроницаемом основании и плотины на водонепроницаемом основании, называемом водоупором. Водоупором обычно считают грунты основания, коэффициент фильтрации которых меньше коэффициента фильтрации грунта тела плотины в  10 и  более раз. Водопроницаемость основания учитывают только для плотин высокого класса. Основные фильтрационные расчеты плотин выполняют при максимальном расчетном напоре. Он возникает при НПУ в верхнем бьефе и  минимальном уровне нижнего бьефа, эти уровни и являются расчетными. Для плотин, построенных на балках или пересыхающих водотоках, за расчетный уровень нижнего бьефа принимают отметку дна отводящего русла, грунты которого всегда насыщены фильтрующейся водой.

Тяжелые суглинки

УВБ l4 УНБ

l5

1 2

H5

l3

H4

H2

l2

H3

l1

H1

1 2

Пески Глины

Рис. 4.26. Расчетная схема для определения суммарного фильтрационного расхода: 1 — гребень плотины; 2 — расчетный уровень верхнего бьефа

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

247

При определении общего фильтрационного расхода через плотину ее разбивают по длине на ряд характерных участков l1, l2, l3, ..., ln (рис. 4.26). Это вызвано тем, что по длине плотины напор изменяется и на одних участках плотина может быть расположена на водоупоре, а  на других  — на проницаемом основании, на одних участках в нижнем бьефе есть вода, а на других ее нет. Затем для каждого участка в зависимости от расчетной схемы плотины вычисляют удельные расходы q1, q2, q3, ..., qn, принимая напор средним по участку. Общий фильтрационный расход через плотину определяют по формуле

Q = q1l1 + q2l2 + q3l3 + ... + qnln.

(4.24)

4.6.3. Расчет положения депрессионной кривой и фильтрационного расхода Методы фильтрационных расчетов. Существуют экспериментальные и  аналитические методы фильтрационных расчетов. Последние подразделяют на гидромеханические и гидравлические. Из экспериментальных наиболее распространен метод электро­ гидродинамических аналогий (ЭГДА), применяемый для решения задач пространственной фильтрации в зоне береговых примыканий плотины, а  также для решения задач плоской фильтрации в  плотинах I и II классов. Гидромеханические методы, основанные на решении уравнений Лапласа для заданных граничных условий, позволяют определить точные параметры фильтрационного потока в  любой точке области фильтрации. Эти решения сложны и имеют ограниченное применение в практике. Фильтрация в грунтовых плотинах в большинстве случаев является плавно изменяющейся, что позволяет использовать в фильтрационных расчетах гидравлический метод, основанный на законе Дарси и формулах Дюпюи. Основоположником расчетов гидравлическим методом является Н.Н. Павловский. Фильтрация через однородную грунтовую плотину на непроницаемом основании по теории Н.Н. Павловского. При гидравлическом рассмотрении фильтрации в однородной грунтовой плотине на непроницаемом основании Н.Н. Павлов-

248

Глава 4. Грунтовые плотины

а

Y 1 d

b m

A

1

В а g

Hп

H

m

t c

I

h



O 1

б

c

tg



1

II

2

C

h1

a0 h0

III

X

1

2

S в

2

2

C q1

q h1

a0 q2 h 0

2

D

I зона II зона

II

C a0

III

2

В

Рис. 4.27. Расчетные схемы фильтрации через однородную плотину:

а  — общая схема фильтрации; б  — зона выхода фильтрационного потока в  нижний бьеф при наличии воды в  нем; в  — то же, при отсутствии воды в нижнем бьефы

ский разбивает фильтрационный поток на три характерные части: верховой клин, среднюю часть и низовой клин (рис. 4.27, а). Верховой клин ограничен верховым откосом плотины и  раздельным сечением  1–1, которое проходит через верховую бровку гребня плотины; низовой клин ограничен низовым откосом и  раздельным сечением 2–2, проходящим через точку С выхода кривой депрессии на низовом откосе плотины; средняя часть находится между раздельными сечениями 1–1 и 2–2. При этом все три части составляют одно гидравлическое целое, так как каждая пропускает один и тот же удельный фильтрационный расход q. В расчетной схеме (рис. 4.27, а) приняты следующие обозначения: b — ширина гребня плотины; d — превышение гребня плотины над уровнем верхнего бьефа; Нп  — высота земляной плотины; Н  — расчетная глубина воды в  верхнем бьефе; α и  α1  — углы наклона верхового и  низового откосов плотины; m  = ctg α и  m1  = = ctg α1 — коэффициенты верхового и низового откосов плотины; а — потеря напора в пределах верхового клина; h — глубина филь-

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

249

трационного потока в начале средней части; h1 — глубина фильтрационного потока в конце средней части; S — длина средней части профиля плотины; а0  — превышение точки  С, в  которой кривая депрессии выклинивается на низовом откосе, над уровнем нижнего бьефа; h0 — глубина воды в нижнем бьефе; А, В, С — основные точки депрессионной кривой; K — коэффициент фильтрации грунта тела плотины; v  — средняя скорость фильтрации в  некотором сечении. При движении фильтрационного потока в пределах верхового клина возникают гидравлические сопротивления, на преодоление которых тратится некоторая часть напора. Поэтому кривая депрессии в пределах верхового клина понижается от начальной точки А с  напором  Н до точки  В, лежащей в  раздельном сечении 1–1, где глубина фильтрационного потока составляет h. Обозначая потерю напора в верховом клине через a, получим

a = H - h.

(4.25)

В средней части (от раздельного сечения 1–1 до сечения 2–2) при горизонтальном водоупоре возникает неравномерное медленно изменяющееся движение фильтрационного потока, и депрессионная кривая в  средней части плотины представляет кривую спада. При этом глубина фильтрационного потока постепенно уменьшается от величины h в начале средней части до h1 в раздельном сечении 2–2. В  низовом клине при наличии воды в  нижнем бьефе (h0  >  0) фильтрационный поток имеет две зоны (рис. 4.27, б): ˆˆверхняя  — от точки  С до уровня воды в  нижнем бьефе, где фильтрация происходит в атмосферу с расходом q1; ˆˆнижняя  — от уровня нижнего бьефа до подошвы плотины, где фильтрация происходит под уровень с расходом q2. При этом удельный фильтрационный расход через тело плотины составляет

q = q1 + q2,

(4.26)

При движении фильтрационный поток преодолевает гидравлические сопротивления, для чего он должен обладать некоторым избытком энергии по сравнению с  энергией в  выходном сечении. Поэтому предполагается, что выходная точка  С депрессионной

250

Глава 4. Грунтовые плотины

кривой расположена выше уровня воды в нижнем бьефе на некоторую величину а0. Тогда

h1 = а0 + h0.

(4.27)

В том случае, когда воды в нижнем бьефе нет (h0 = 0), все указания относительно верхового клина и  средней части плотины остаются без изменений, но в  низовом клине положение точки  С определяется лишь величиной  а0, необходимой для преодоления гидравлических сопротивлений при фильтрации в пределах низового клина (рис. 4.27, в), при этом уравнение (4.27) преобразуется в следующее:

h1 = а0.

Выводы основных фильтрационных уравнений для случая h0 > 0 (вода в нижнем бьефе). 1. Уравнение для в е р х о в о г о к л и н а . Линия верхового откоса является линией равных напоров, так как в любой точке, лежащей на этой линии, напоры будут равны  Н. Например, в  точке  М (рис.  4.28,  а), ордината которой над горизонтальной плоскостью сравнения равна Y и давление в которой равно Р, будем иметь

Y + P = H = const. γ

(4.28)

Поэтому в   силу известных свойств гидродинамических сеток фильтрационные струйки при входе в  пределы верхового клина должны быть нормальны к верховому откосу. При составлении фильтрационного уравнения для верхового клина Н.Н. Павловский заменяет криволинейные струйки типа abc (рис.  4.28,  б) прямолинейными и  горизонтальными типа dbc, т.е. удлиняет струйки и  тем самым как бы уменьшает пропускную способность верхового клина. Это возможно, потому что более глубокие струйки (например, струйка ef) близко подходят к непроницаемому основанию и  в  определенной части верхового откоса (заштрихованная зона D) происходит весьма медленная фильтрация и тем самым уменьшается пропускная способность верхового клина. Кроме того, криволинейные фильтрационные струйки встречают большее сопротивление на единицу длины, пересекая уплотненные горизонтальные слои тела земляной плотины. Расчетная

251

4.6. Фильтрационные расчеты плотин Y

а

d

Hп H

A

1

B

P/

M

0



1

z

dz y

б

а

e d D

h X

a

1 в

f 1

Y 1

b A dX

B Hп

b c

m dY

1

2

y

h

C h1  a0  h0

0

x

1

S

2

X

A

Рис. 4.28. Расчетные схемы фильтрации через верховой откос и среднюю часть: а — верховой клин; б — криволинейные струйки верхового клина; в — к расчету фильтрации в средней части плотины

схема фильтрации для верхового клина примет вид, показанный на рис. 4.28, а. Длина расчетной струйки

l = (d + z)ctg α = (d + z)т.

(4.29)

Так как в пределах верхового клина потеря напора составляет величину а, то гидравлический градиент рассматриваемой струйки J =



a m(d + z )

(4.30)

и скорость фильтрации

v = KJ =

Ka . m(d + z )

(4.31)

Имея в  виду, что поперечное сечение элементарной струйки dω = dz, можем определить элементарный расход dq этой струйки:

dq = vdz =

Ka dz . m(d + z )

(4.32)

252

Глава 4. Грунтовые плотины

Интегрируя это уравнение в пределах от z = a до z = a + h, получим полный фильтрационный расход  q через тело плотины на единицу ее длины:

q=

a+h

∫ a



Ka dz = Ka m(d + z ) m

= Ka [ ln(d + z )] m

a+h a

a+h

∫ a

1 dz = d+z

= Ka ln d + a + h . m d +a

(4.33)

Из рис. 4.27, а видно, что

d + a + h = Hп,



d + a = Hп - h. Подставляя эти значения в уравнение (4.33), получим



Hп q = Ka ln . m Hп − h

(4.34)

Подставив в уравнение (4.34) значение a = Hп - d - h, получим окончательное фильтрационное уравнение для верхового клина:

H −d −h Hп q = п ln . K m Hп − h

(4.35)

2. Уравнение для с р е д н е й ч а с т и. В средней части плотины возникает неравномерное, медленно изменяющееся движение грунтового потока при горизонтальном водоупоре. В каждом произвольно взятом сечении средняя скорость v = const, но в разных dy сечениях она разная, так как уклон переменный (рис. 4.28, в). dx В  каком-либо сечении А–А скорость фильтрации для нерав­ номерного, медленно изменяющегося движения определяется по формуле Дюпюи:

v = −K

dy . dx

(4.36)

Если рассматривать движение установившимся, из условия постоянства расхода в любом сечении удельный расход

q = vw = vy ⋅ l.

(4.37)

253

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

Подставляя значение v из уравнения (4.36), получим q = vy = − Ky



dy . dx

Приведем это уравнение к виду, удобному для интегрирования: dy q dx = − Ky , K dx

и проинтегрируем его:

q x = − 1 y 2 + C . K 2



(4.38)

Произвольная постоянная  С определится из условия, что при х = 0 y = h, так что из уравнения (4.38) имеем 0 = − 1 h2 + C   или  С = 1 h2. 2 2



При этом значении С уравнение (4.38) примет вид 2



q x = h 2 − y 2 K

(4.39)

q x . K

(4.40)

или y 2 = h2 − 2



Это и  есть уравнение кривой депрессии для средней части. С его помощью можно построить кривую депрессии, для чего, задаваясь различными значениями х, лежащими в пределах от x = 0 до x = S, определяют соответствующие значения y. При х = S, когда y = h1 = a0 + h0, уравнение (4.39) примет вид

2

q x = h2 − (a0 + h0 )2, K

(4.41)

и окончательное фильтрационное уравнение для средней части:

h2 − (a0 + h0 )2 q x = . 2S K

(4.42)

3. Уравнение для н и з о в о г о к л и н а . Здесь может быть два случая: 1) h0 = 0 (воды в нижнем бьефе нет); 2) h0 > 0.

254

Глава 4. Грунтовые плотины

С л у ч а й h0 = 0. Возьмем, как и для верхового клина, элементарную горизонтальную расчетную струйку толщиной dz. Длина этой струйки l  =  z ctg α1  =  zm1, где z  — заглубление струйки под точкой  С выхода кривой депрессии на низовой откос плотины (рис. 4.29, а). Потеря напора в данной струйке hв = z. Гидравлический уклон для той же струйки J = z = z = 1 . l zm1 m1



Соответствующая скорость фильтрации v = KJ = K . m1



Элементарный удельный расход для струйки dq = vdw = vdz = K dz, m1



откуда полный фильтрационный расход q=



a0

∫ 0

a

0 K dz = K dz = Ka0 ,  т.е.  q = Ka0 . ∫ m1 m1 0 m1 m1

а

m

1

1 C Кривая депрессии

z

dz

h1  a0

1 б

m

1

1 1 C z

h1 1

a0 h0

1

Рис. 4.29. Расчетные схемы фильтрации через низовой клин

(4.43)

255

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

С л у ч а й h0  >  0. Для этого случая фильтрационный поток имеет две зоны. Расход q0 через верхнюю зону выразится тем же уравнением, что и для случая h0 = 0: Ka0 q1 = . m1 Рассмотрим фильтрацию в нижней зоне (рис. 4.29, б): расчетной элементарной струйки

ˆˆдлина

l = z ctg α1 = zm1;

ˆˆпотеря

напора hв = а0 = const;

ˆˆгидравлический

уклон J =

ˆˆскорость

h0 a = 0 ; l zm1

фильтрации v = KJ =

ˆˆэлементарный

удельный расход для струйки нижней зоны dq2 = vdz =

ˆˆрасход



Ka0 ; zm1 Ka0 dz ; zm1

через нижнюю зону q2 =

a0 + h0

∫

a0

Ka0 Ka0 dz = zm1 m1

a0 + h0

∫

a0

1 dz , z

или

q2 =

Ka0 | ln z m1

a0 + h0

|

a0

=

Ka0 a0 + h0 ln . m1 a0

(4.44)

Полный фильтрационный расход через низовой клин получим, суммируя удельные расходы через верхнюю и нижнюю зоны:

q = q1 + q2 =

Ka0 Ka0 a0 + h0 + ln , m1 m1 a0

256

Глава 4. Грунтовые плотины

или

q=

Ka0 m1

a0 + h0   1 + ln a  .   0

(4.45)

Это и есть фильтрационное уравнение для низового клина, которое можно записать в следующем виде: a  a + h0  q = 0 1 + ln 0 . (4.46) K m1  a0  В трех фильтрационных уравнениях (4.35), (4.42) и (4.46), полученных для трех частей плотины, есть четыре неизвестные величины: a0, h, S и q. Следовательно, для решения недостает одного уравнения. Четвертое уравнение для S получается из геометрических условий (см. рис. 4.27, а):



S = b + m1 [ H п − (a0 + h0 )].

(4.47)

Итак, имеем следующую систему фильтрационных уравнений для однородной грунтовой плотины на горизонтальном водонепроницаемом основании: при h0 > 0 Hп − d − h Hп q 2, 31lg (I); K = m Hп − h  q h2 − (a0 + h0 )2 (II);  = 2S (4.48а) K q a0  a0 + h0   K = m 1 + 2, 31lg a  (III); 1  0  S = b + m1 [ H п − (a0 + h0 )] (IV);  при h0 = 0



Hп − d − h Hп q 2, 31lg (I); K = m Hп − h   q = h2 − d − h (II);  2S K q a0  K = m (III); 1  S = b + m1 (H п − a0 ) (IV).

(4.48б)

257

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

Е.А.  Замарин углубил учение Н.Н.  Павловского и  предложил упрощенный способ фильтрационного расчета грунтовых плотин. В дальнейшем воспользуемся методикой расчета фильтрации, предложенной Е.А. Замариным. Плотины на водонепроницаемом основании. Однородные плотины без дренажа. Расчетное сечение плотины определяется в соответствии с параграфом 4.2 и по известным размерам вычерчивается поперечный профиль плотины, который служит исходным материалом к фильтрационному расчету. Известны также глубины воды в  верхнем и  нижнем бьефах (соответственно H1 и  Н2) и коэффициент фильтрации грунта тела плотины Кп. Расчет ведется в следующей последовательности. 1. Определяется положение осей координат X и Y. Ось X располагается по линии подошвы плотины в сторону нижнего бьефа, ось Y  — на расстоянии λH1 от точки уреза воды в  верхнем бьефе (рис. 4.30), где λ — величина, зависящая от коэффициента верхового откоса m1 и определяемая по формуле Г.М. Михайлова: λ=



m1 . 1 + 2m1

(4.49)

2. Определяется высота выхода депрессионной кривой на низовом откосе по следующей зависимости: 2

h = L −  L  − (H1 − H 2 )2 + H 2, m2  m2 



(4.50)

где L — расстояние от оси Y до конца низового откоса. Y

УВБ

b

H1 M

m

2

H1

УНБ

m1 h

O N

L1 L

H2 hm2

Рис. 4.30. Схема к фильтрационному расчету однородной плотины без дренажа

X

258

Глава 4. Грунтовые плотины

При больших значениях Н2 определяемая по формуле (4.50) h получается отрицательной, в таком случае можно принять h = H2. 3. Ординаты депрессионной кривой подсчитываются по следующему уравнению: H 2 − h2 Y 2 = H12 − 1 X , (4.51) L1 где L1  — расстояние от оси Y до выхода кривой депрессии на низовой откос. Выбирая значения X от нуля до L1, по формуле (4.51) строят кривую депрессии, начиная от оси Y, а  участок ее примыкания к верховому откосу исправляют так, чтобы он был перпендикулярен откосу и дальше плавно переходил в депрессионную кривую. 4. Удельный фильтрационный расход через тело плотины определяется по формуле

q=

H12 − h2 K п . 2L1

(4.52)

При отсутствии воды в  нижнем бьефе (Н2 = 0) зависимости (4.50), (4.51) и (4.52) имеют следующий вид: 2



  р = L −  L  − H12 , m2  m2 



Y 2 = H12 −



q=

H12 X , L1

H12 K . 2L1 п

(4.53) (4.54) (4.55)

Однородные плотины с дренажем. Исходные данные аналогичны исходным данным предыдущего расчета. Расчет ведется в  соответствии с  расчетной схемой (рис.  4.31) в следующей последовательности. 1. Определяется положение раздельного сечения MN, находящегося на расстоянии λH1 от точки уреза воды в  верхнем бьефе. Величина λ определяется по формуле (4.49). 2. Вычисляется величина захода кривой депрессии в  дренаж е ≈ (0,05...0,06)Н1.

259

4.6. Фильтрационные расчеты плотин а

б

Y УВБ M

H1

Y

m

b

2

m

2

H1

h

X N

УНБ

X

m1 L

O

O е L

H2

e

Рис. 4.31. Схема к фильтрационному расчету однородной плотины с дренажем: а — без подтопления; б — с подтоплением

3. Устанавливается начало координат кривой депрессии, точка O: ось X направлена по уровню воды в нижнем бьефе в сторону верхнего бьефа, ось Y проходит через начало координат О на расстоянии е от точки пересечения внутреннего откоса дренажа с осью X. Таким образом находится расчетное расстояние L от начала координат кривой депрессии до раздельного сечения MN. 4. Ординаты депрессионной кривой подсчитываются, задаваясь значениями X, по уравнению (H1 − H 2 )2 X . (4.56) L 5. Удельный фильтрационный расход в  сечении определяется по формуле H 2 − H 22 K п. q= 1 (4.57) 2L



Y2 =

При отсутствии воды в нижнем бьефе (рис. 4.31, а) расчетные формулы (4.56) и (4.57) упрощаются:

Y2 =



q=

H12 X , L

(4.58)

H12 K . 2L п

(4.59)

Если же запроектирован трубчатый дренаж, расположенный в теле плотины, то начало координат находится в  центре трубы дренажа и расчет выполняется по формулам (4.58) и (4.59).

260

Глава 4. Грунтовые плотины

Плотины с  экраном из грунтов. Фильтрационные расчеты таких плотин можно выполнить несколькими методами. Один из них  — метод виртуальных длин  — основан на замене экрана со t +t средней толщиной tср = 1 2 (рис. 4.32) и коэффициентом филь2 трации Кэ на эквивалентную в  фильтрационном отношении призму с коэффициентом фильтрации Кп и длиной по горизонтали: Lэ = tcр



Kп , K э sin θ

(4.60)

где Lэ — длина эквивалентной призмы; θ — угол наклона средней линии экрана в основании плотины (ctg θ = m1′ ). К полученной таким образом схеме применяют решение для однородной грунтовой плотины с дренажем или без него, при наличии или отсутствии воды в нижнем бьефе, в зависимости от заданной конструкции плотины. Потерями напора в  пределах пригрузочного слоя экрана пренебрегают. Следует отметить, что при устройстве экрана из торфа имеются определенные трудности в определении коэффициента фильтрации а

б

bгр УВБ

bгр УВБ

m Кп

m

2

m H1

Кэ

m1

1

Кэ

2

t ср

m

t1

H1

1

Кп



t2

в

Y

bгр – tср

Lэ

УВБ Эквивалентный экран H1

 m1 O

m 1

m Кп

2

Кп

X

hэ

H1 L

e

Рис. 4.32. Схемы к фильтрационному расчету плотины с экраном: а — заданная; б — приведенная; в — расчетная

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

261

торфа нарушенной структуры. Лабораторией гидротехнических сооружений БелНИИМиЛ была предложена зависимость коэффициента фильтрации торфа нарушенной структуры Кw, соответствующего влажности W (до насыщения водой), от коэффициента пористости ε, которая представлена в следующем виде:

K w = K0 w e − b(ε0 − ε),

(4.61)

где K0w  — значение коэффициента фильтрации (см/с), соответствующее состоянию торфа при коэффициенте пористости ε0 и начальной влажности W; е  — основание натурального логарифма; ε0 — начальный коэффициент пористости торфа; ε — коэффициент пористости торфа после уплотнения заданной нагрузкой, т.е. после укладки в  экран; b  — постоянная, характеризующая относительное изменение логарифма водопроницаемости при изменении коэффициента пористости на единицу и  соответствующая влажности W; определяется по формуле 4, 5 , W 0,7 где W — начальная влажность торфа, г/г.

b=

(4.62)

Обычно значение начального коэффициента фильтрации K0w определяют опытным путем в каждом конкретном случае, так как на водопроницаемость торфа влияют такие факторы, как ботанический состав, степень разложения, переработка и т.д. Зависимость (4.61) позволяет определять коэффициент фильтрации торфа нарушенной структуры при изменении его плотности без проведения трудоемких опытов. По данным БелНИИМиЛ, допустимые градиенты фильтрационного потока для торфа нарушенной структуры при наличии пригрузки, согласно рекомендациям П.А. Дрозда и Ю.Ф. Буртыса, принимают равным Iд ≤ 4...5. Плотины с  экраном из полиэтилена. Степень проницаемости пленочного экрана рекомендуется определять по величине отверстий, которые могут образоваться в пленке в процессе строительства и эксплуатации плотины. Из большого разнообразия возможных нарушений сплошности пленочного экрана наиболее вероятными представляются две формы: в  виде непрерывных щелей по линии соединения отдельных

262

Глава 4. Грунтовые плотины I–I

а

б 3

4

4

4

2 1

5

l 4

5

5

b

l

4

4

I

I l

l

Рис. 4.33. Однослойные пленочные экраны с нарушением их сплошности:

а — непрерывные щели по линии соединения лент; б — отдельные отверстия (проколы); 1 — слой песчаной подготовки; 2 — полимерная пленка; 3 — защитный слой грунта; 4 — щель в пленке; 5 — отверстия в пленке

лент пленки и в виде отдельных отверстий (проколов) небольшого диаметра (рис. 4.33). Таким образом, проницаемый пленочный экран можно заменить эквивалентным по проницаемости экраном из однородного грунта, для которого определяется фиктивный коэффициент фильтрации Кф = ηКг ,



(4.63)

где η — коэффициент эффективности пленочного экрана; Кг — действительный коэффициент фильтрации грунта, уложенного над пленкой. Он зависит в основном от характера и размеров отверстий в пленке и вычисляется по формуле

η=

2δπ , 2ch  2π δ   l larch 1 − sin π 1 − 2m  2 l 

(4.64)

где δ  — толщина слоя грунта над пленкой; l  — расстояние между щелями; m — ширина щели. Коэффициенты эффективности пленочного экрана, вычисленные по вышеприведенной формуле при толщине защитного слоя δ = 0,5 м, даны в табл. 4.13.

263

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

Таблица 4.13 Значения коэффициента эффективности l, м

0,4 1 2 5 10 20 30 50

m, мм 1

2

4

10

20

50

100

0,4080 0,0247 0,1085 0,0434 0,0217 0,0108 0,0072 0,0043

0,4320 0,2144 0,1137 0,0455 0,0288 0,0114 0,0076 0,0046

0,4650 0,2389 0,1196 0,0478 0,0239 0,0120 0,0080 0,0048

0,5220 0,2758 0,1405 0,0562 0,0281 0,0141 0,0094 0,0056

0,5770 0,3130 0,1598 0,0639 0,0320 0,0160 0,0107 0,0064

0,7070 0,8320 0,1943 0,0777 0,0388 0,0194 0,0129 0,0078

0,8300 0,4588 0,2347 0,0940 0,0470 0,2350 0,0157 0,0094

При наличии в  пленке экрана круглых отверстий (проколов), расположенных в  центре квадрата, коэффициент эффективности пленочного экрана определяется по следующим эмпирическим формулам, полученным методом ЭГДА:

при d ≤ 3 см η = 0,008dω,



при d > 3 см η = 1 [0, 0107(d − 3) + 0, 024], ω

(4.65)

где d  — диаметр отверстий в  пленке,  см; ω  — площадь экрана, в центре которого образовалось отверстие, м2. Если пленка расположена между двумя слоями грунта, имеющими различные коэффициенты фильтрации, фиктивный коэффициент фильтрации всего экрана определяется по формуле

Kф =

η1K1 (δ1 + δ2 ) , ηK δ1 + δ2 1 1 η2K 2

(4.66)

где δ1 и  δ2  — соответственно толщины верхнего и  нижнего слоев экрана; К1 и  К2  — коэффициенты фильтрации соответственно верхнего и нижнего слоев экрана; η1 и η2 — коэффициент эффективности соответственно верхней и  нижней частей пленочного экрана, рассматриваемых как независимые при наличии в  пленке отверстия.

264

Глава 4. Грунтовые плотины

Если δ1 = δ2, эта формула будет иметь более простой вид: Kф =



2ηK1 , 1 + (K1 K 2 )

(4.67)

где К1 — коэффициент фильтрации слоя из менее проницаемого грунта. Как показали подсчеты по вышеприведенным формулам, защитный слой из глинистых грунтов значительно повышает эффективность пленочного экрана по сравнению с песчаными грунтами (более чем в 100 раз). При фильтрационных расчетах толщина пленочного экрана, эквивалентного по проницаемости экрану из однородного грунта, принимается равной толщине защитного слоя. Плотины с ядром. При фильтрационных расчетах таких плотин (рис.  4.34) используют метод виртуальных длин. Для этого ядро со средней толщиной tcр =



а

б

bгр

УВБ

m1

Кп

bгр

УВБ t1

H1

t1 + t2 2

m

tср

2

H1

Кя

m1

m

2

Кя

Кп

t2

в

Y

bгр – tср

Lя

УВБ Эквивалентное ядро

m1

O

2

Кп hb

X

H1 L

hн

H1

m

Кп

e

Рис. 4.34. К фильтрационному расчету плотины с ядром: а — действительная схема; б — расчетная; в — виртуальная

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

265

и коэффициентом фильтрации Кя приводят к призме с коэффициентом фильтрации Кп. Виртуальная длина ядра определится по зависимости K Lя = tcр п . (4.68) Kя После такой замены расчет ведут как для однородной плотины без дренажа или с дренажем в зависимости от принятой конструкции плотины. Кривую депрессии строят только на участках плотины до и после ядра. Плотины на водопроницаемом основании. Однородные плотины. Расчет ведут, используя предложение Н.Н. Павловского, дважды рассматривая систему «плотина — основание»: 1) проницаемая плотина — непроницаемое основание; 2) непроницаемая плотина — проницаемое основание. В первом случае расчет аналогичен расчету плотины на непроницаемом основании, в результате чего определится положение депрессионной кривой и удельный расход через тело плотины qп. Во втором случае рассматривается движение фильтрационного потока под плоским флютбетом, т.е. в фиктивной трубе диаметром Т (рис. 4.35), в которую вода входит через дно верхнего бьефа и выходит в дренаж по кривым струйкам. Таким образом, средний градиент потока составит (H1 − H2)/(nL1), а расход через основание T (H1 − H 2 ) qo = K o , (4.69) nL1 где Ко — коэффициент фильтрации основания, м/сут.; Т — толщина проницаемого основания, м; L1 — ширина плотины по подошве до оси Y; n — поправочный коэффициент к длине пути фильтрации (принимают по табл. 4.14 в зависимости от отношения L1/T). УВБ

M

b Кп

Y

X

L N L Водоупор 1

H2

m2

H1 m 1

H1

e

O

Кo

T

УНБ

Рис. 4.35. Схема к фильтрационному расчету однородной плотины на водопроницаемом основании

266

Глава 4. Грунтовые плотины

Таблица 4.14 Значения поправочного коэффициента L1/T

20

5

4

3

2

1

n

1,15

1,18

1,23

1,30

1,44

1,87

Тогда удельный расход фильтрации через рассматриваемое сечение плотины q = qп + qo.



(4.70)

Следует отметить, что при наличии в основании плотины разнородных грунтов рекомендуется пользоваться осредненным коэффициентом фильтрации Кср, характеризующим общую водопроницаемость пласта толщиной Т. Вид формулы, а соответственно, и значение среднего коэффициента фильтрации Кср зависят от направления движения потока по отношению к залеганию водоносного пласта: T = T1 + T2 + T3 + ... + Tn,



(4.71)

где Т1, Т2, Т3, ..., Тn  — соответственно мощности 1‑го, 2‑го, 3‑го, ..., n‑го пластов. Максимальное значение Кmax будет при фильтрации воды параллельно напластованию пород. Максимальное и минимальное значения коэффициента фильтрации определяются по зависимостям

K1T1 + K 2T2 + K 3T3 +  + K nTn ; T1 + T2 + T3 +  + Tn

(4.72)

T1 + T2 + T3 +  + Tn , T1 /K1 + T2 /K 2 + T3 /K 3 +  + Tn /K n

(4.73)

K max = K min =

где К1, К2, К3, ..., Кn — соответственно коэффициенты фильтрации пластов мощностью Т1, Т2, Т3, ..., Тn. При определении фильтрационного расхода qо в основании плотины из разнородных грунтов вместо Ко вводится значение среднего коэффициента фильтрации Кср, вычисляемого по формуле

K ср =

K max K min .

(4.74)

267

4.6. Фильтрационные расчеты плотин а

УВБ Кп

H1

m1

Lп

m1hэ

hэ

Водоупор

m

б

Y УНБ H 2

2

q Кo

F1(hэ)

O e

X L Кo

hэ

F2(hэ)

T

0

hэ

Рис. 4.36. Схема к фильтрационному расчету плотины с экраном и понуром: a — расчетная схема; б — график для определения глубины воды за экраном

Плотины с экраном и понуром. Расчетная схема приведена на рис.  4.36,  а. Вначале определяют глубину воды за экраном hэ, для чего используют следующую систему уравнений:



T (H1 − hэ )  q  K = n(L + m h ) = F1 (hэ );  o п 1 э   q = hэ − H 2 T + K п ⋅ hэ + H 2  = F (h ), 2 э   L Ko 2  K o

(4.75)

где hэ — высота выхода кривой депрессии за экраном (определяется подбором по вышеприведенной системе уравнений расхода фильтрации до hэ с  расстоянием Lп + m1hэ и  за hэ на расстоянии L до оси Y); T — толщина проницаемого основания до водоупора, м; Lп — длина понура, м; n — поправочный коэффициент (принимается по табл. 4.14 с заменой отношения L/T на (Lп + m1hэ)/T). Решение уравнений системы (4.75) проще вести подбором или графоаналитическим способом. При графоаналитическом решении задаются рядом произвольных значений hэ, и для каждого из них определяют F1(hэ) и  F2(hэ). После этого строятся кривые первого и второго уравнений. Точка пересечения этих кривых дает действительное значение hэ (рис. 3.36, б). Кривая депрессии строится по уравнению

Y2 =

(hэ − H 2 )2 X . L

(4.76)

Расход фильтрации определяется по одному из уравнений системы (4.75). Если вода в нижнем бьефе отсутствует, т.е. Н2 = 0, то формулы (4.75) и (4.76) соответственно упрощаются, а ось Х располагается

268

Глава 4. Грунтовые плотины

по линии подошвы плотины. При трубчатом дренаже начало координат располагается в центре трубы. Фильтрация в берегах в обход плотины. При эксплуатации водохранилища в  берегах в  обход плотины возникает движение фильтрационного потока, который, направляясь к нижнему бьефу, может выклиниваться на склонах, вызывать суффозию и оползни склонов долины, создавать опасные положения для низового откоса плотины или сооружения при ней. В данном случае фильтрационный поток является пространственным (трехмерным). Задачи обходной фильтрации решают методом ЭГДА на пространственных или плановых моделях или аналитическими способами на ЭВМ. Приближенный расчет фильтрации в обход плотины при однородном грунтовом слое под плотиной и в берегах Е.А. Замарин предлагает выполнять по гидродинамической сетке, построенной методом ЭГДА, или графическим способом («вручную») (рис. 4.37). в 3 2

H

УВБ

1

а

0,75H

4

0,5H 5

7 6

H2

УНБ

lm H0

0,25H bm

H1

H

УВБ

УНБ

б

Рис. 4.37. Схема обходной фильтрации в основании берегового участка грунтовой плотины: а — план водохранилища гидроузла; б — профиль по створу; в — гидродинамическая сетка потока грунтовых вод, обтекающего плотину; 1 — водохранилище; 2  — плотина; 3 и  5  — урез воды соответственно в  верхнем и  нижнем бьефах; 4 — ось плотины; 6 — линии токов; 7 — гидроизогипсы

4.6. Фильтрационные расчеты плотин

269

По сетке можно определить удельный расход фильтрации и положение депрессионной поверхности в любом сечении зоны обходной фильтрации. Удельный расход одной ленты (полосы между двумя линиями токов) составит (4.77) q = kImA;  I m = H ;  A = bm ⋅ 1 м, nl m где А — площадь живого сечения ленты. Для определения общего расхода выбирают полосу между двумя гидроизогипсами (линиями равных напоров) с  малой кривизной (на рис. 4.37 заштрихована), в пределах которой по формуле (4.77) вычисляют q для каждой ленты, а затем — общий расход Q = ∑ q. Величины А и Im находят для каждой ленты отдельно. Положение кривой депрессии на склоновом участке строят, нанося отметки гидроизогипс на поперечные сечения склона. Если грунтовой поток выклинивается на склоне, необходимо предусматривать береговой дренаж, обеспечивающий требуемое понижение кривой депрессии. В противном случае выклинивающийся на склонах поток может вызывать суффозию грунтов, а также оползание склонов.

4.6.4. Расчет фильтрационной прочности плотин и их оснований Фильтрационная прочность плотины и ее основания обеспечивается, если выполняется условие

I к ≤ 1 I кр, Kн

(4.78)

где Iк — средний градиент напора фильтрационного потока в расчетной области фильтрации, контролирующий фильтрационную прочность грунта; Iкр  — критический средний градиент напора; Кн — коэффициент надежности. Расчетные значения коэффициента надежности Кн приведены в табл. 4.15. В предварительных расчетах значения критического среднего градиента напора Iкр для тела плотины и  ее элементов в  соответствии с существующими аналогами рекомендуется определять по табл. 4.2, а для оснований сооружений — по табл. 4.16.

270

Глава 4. Грунтовые плотины

Таблица 4.15 Значения коэффициента надежности по ответственности сооружения Класс сооружений

Kн

I II III IV

1,25 1,20 1,15 1,10

Таблица 4.16 Значения критического среднего градиента напора для основания плотины (ТКП 45-3.04-8–2005) Грунт

Iкр

Песок: мелкий средней крупности крупный Супесь Суглинок Глина

0,32 0,42 0,48 0,60 0,80 1,35

Контролирующий градиент напора Iк может быть определен по предложению Р.Р. Чугаева, согласно которому вся область фильтрации условно разделяется на две части: тело плотины (основание считается водонепроницаемым) и основание (плотина считается водонепроницаемой). Для тела однородной плотины при наличии дренажа в  виде дренажного банкета или трубчатого дренажа (рис.  4.38,  а, б) контролирующий градиент определяется по формуле

I к = tgα = H , Lп

(4.79)

где α — угол наклона прямой депрессии МK к горизонту; Н — напор на плотине (Н = Н1 − Н2); Lп  — горизонтальное расстояние между раздельными сечениями MN и  M′N′. Сечение MN проводится на расстоянии λH1 от уреза воды в  верхнем бьефе, сечение M′N′ — через левую крайнюю точку дренажа.

271

4.6. Фильтрационные расчеты плотин а УВБ

M

H1

б УВБ M

M

H

H1



O N

Lо

K

Lп

O

H1

H2

N в

УНБ

УВБ M

O L1

H

Lп Lо

N

0,4 H2 M

N

M



N

H1

H1

H1

H

УНБ

 L Lо

N H2

Рис. 4.38. Схемы к определению контролирующего градиента напора тела плотины: а — с дренажным банкетом; б — с трубчатым дренажем; в — с наслонным дренажем

При наличии наслонного дренажа (рис. 4.38, в) или при отсутствии дренажа величина Iк определяется по формуле Iк = tg α = H/L,



(4.80)

где L  — расстояние между сечениями MN и  M′N′. Сечение M′N′ проводится на расстоянии 0,4Н2 от уреза воды в нижнем бьефе. При отсутствии дренажа в (4.80) вместо L подставляется L1. Для ядра или экрана плотины Iк определяется по формуле Iк = H′/tср,



(4.81)

где Н′  — напор на ядре или экране, определяемый в  результате фильтрационного расчета; tср — средняя толщина экрана или ядра (рис. 4.39). а

УВБ H1

H tср

УНБ H2

б

УВБ H1

H tср

УНБ

Рис. 4.39. Схемы к определению контролирующего градиента напора для плотины: a — с экраном; б — с ядром

H2

272

Глава 4. Грунтовые плотины

Для основания плотин без зуба и  понура Iк определяется по формуле (4.82) Iк = H/(Lo + 0,88Tрас), где Lо — расчетная ширина подошвы (см. рис. 4.38); Трас — заглуб­ ление расчетного водоупора, при T = ∞  Tрас = 0,5Lo. При наличии в  основании плотины понура или зуба Iк также вычисляют по формуле (4.82), при этом увеличивая Lо на величину, равную соответственно длине понура или удвоенной глубине зуба.

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин 4.7.1. Общие сведения Грунтовая плотина имеет настолько значительный вес, что нет необходимости делать проверку устойчивости на сдвиг ее самой. Неустойчивыми могут оказаться только ее откосы. Необходимо отметить, что крутизна откосов оказывает существенное влияние на объем и, следовательно, стоимость плотины, поэтому оправдано стремление устраивать откосы с возможно меньшим заложением. Однако слишком крутые откосы могут оказаться неустойчивыми и обрушиться. В результате под угрозой окажется все сооружение. Поэтому откос должен иметь крутизну, удовлетворяющую требованиям как устойчивости, так и экономичности плотины. На грунтовой массив низового клина плотины действует ряд сил. Основная сдвигающая сила  — составляющая собственного веса грунта. Кроме того, уменьшают устойчивость сила взвешивания и  динамическое воздействие фильтрационного потока, а  также дополнительные силы, например снеговая нагрузка, силы инерции при землетрясении и др. Сопротивление сдвигу грунтового массива зависит от сил внутреннего трения и  сил сцепления грунта. Обрушение грунтового массива откоса может произойти при неблагоприятном сочетании сил, когда сумма сдвигающих сил больше суммы удерживающих. Обрушение (оползание) откосов происходит по некоторой криволинейной поверхности в  пределах откоса или с  захватом грун-

273

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин

тового основания (рис. 4.40). Форма границы обрушения откоса (поверхности сдвига) обычно близка к цилиндрической. Расчет устойчивости откосов ведут при заданных физикомеханических характеристиках грунта тела плотины и основания, известных геометрических размерах поперечного профиля плотины и  построенной кривой депрессии. Проверка устойчивости откоса сводится к определению коэффициента устойчивости Кy, который в общем случае (если не учитывать силы бокового давления) равен отношению момента удерживающих сил (трения и сцепления) к моменту сдвигающих сил: Kу =



∑ M уд . ∑ M сдв

(4.83)

Расчет выполняется в условиях плоской задачи, т.е. рассматривается отрезок плотины, длина которого равна единице. Грунт плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность, а ниже ее находится в насыщенном водой состоянии. Устойчивость откосов обеспечивается, если удовлетворяется условие K K у ≥ н n, (4.84) m где Кн  — коэффициент надежности; n  — коэффициент сочетания нагрузок; m — коэффициент условий работы. а

b УВБ

б

1

m

b УВБ

m

2

2

1

2

2

m1

m1 в

b УВБ

m

2

1 2

m1

Рис. 4.40. Виды обрушения откосов:

а — в пределах части откоса; б — в пределах всей высоты откоса; в — с захватом части основания; 1 — поверхность скольжения; 2 — массив обрушения

274

Глава 4. Грунтовые плотины

Значения коэффициента n зависят от сочетания нагрузок: при основном сочетании n  = 1, при особом  — 0,9, для строительного периода — 0,95. Значения коэффициента m зависят от метода расчета: при методе расчета, удовлетворяющем условиям равновесия, m = 1, при упрощенном методе m = 0,95. Расчеты устойчивости носят вероятностный характер, так как заранее неизвестно положение наиболее опасной поверхности обрушения. Задача расчетов  — поиск этой поверхности и  определение наименьшего коэффициента устойчивости Ку. Наименьшее значение коэффициента устойчивости откоса Ку при соответствующем сочетании нагрузок не должно превышать величины Kнn/m более чем на 10 %, если это не обусловлено особенностями сооружения. В  том случае, если указанные условия не удовлетворяются, необходимо внести соответствующие изменения в конструкцию или размеры сооружения. Следует отметить, что для низконапорных грунтовых плотин IV класса высотой менее 5 м расчет устойчивости откосов обычно не производят, так как принятые по табл.  4.4 коэффициенты откосов обеспечивают устойчивость плотины. При расчетах устойчивости откосов плотин, согласно ТКП 45-3.04-150–2009, рассматривают следующие расчетные случаи. Для низового откоса: 1. Первый расчетный случай (основной)  — в  верхнем бьефе нормальный подпорный уровень (НПУ), в  теле плотины  — установившаяся фильтрация. При наличии воды в  нижнем бьефе ее глубину принимают максимально возможной при НПУ, но не более 0,2h, где h — высота откоса. 2. Второй расчетный случай (основной) при открытых водосбросах (без затворов)  — подпорный уровень и  уровень нижнего бьефа определяются максимальным расходом, относимым к основным сочетаниям нагрузок и воздействий. 3. Третий расчетный случай (особый) — в верхнем бьефе форсированный подпорный уровень воды (ФПУ), в нижнем — глубину воды принимают максимальной, соответствующей ФПУ. Для верхового откоса: 1. Первый расчетный случай (основной)  — максимально возможное снижение уровня воды в  водохранилище с  наибольшей

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин

275

возможной скоростью от НПУ или от подпорного уровня, который соответствует пропуску максимального расхода, относимого к основным сочетаниям воздействий. При этом учитывают фильтрационные силы неустановившейся фильтрации. 2. Второй расчетный случай (строительного периода) — уровень воды в верхнем бьефе находится на самой низкой отметке, но не ниже 0,2h, где h — высота откоса. Уровень грунтовой воды в теле плотины принимают соответствующим установившемуся. 3. Третий расчетный случай (особый) — максимально возможное снижение уровня воды в  водохранилище от ФПУ с  наибольшей возможной скоростью. При этом учитывают фильтрационные силы неустановившейся фильтрации.

4.7.2. Расчет устойчивости откосов по круглоцилиндрической поверхности скольжения Существует несколько методов расчета устойчивости откосов. В гидромелиоративной практике широко используют метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения грунтового массива с разбивкой его на отсеки. При расчете устойчивости откоса необходимо провести несколько кривых скольжения из разных центров и, соответственно, определить коэффициенты устойчивости Ку. Более точно эта задача может быть решена при помощи ЭВМ, позволяющей выполнить расчеты для десятков и даже сотен поверхностей скольжения. При проведении расчетов без ЭВМ наиболее опасную поверхность скольжения определяют с помощью различных приемов, позволяющих путем просчета нескольких поверхностей скольжения (обычно 6–10) найти значение Ку, которое принимается за минимальное. Это значение является минимальным лишь среди ограниченного числа просчитанных поверхностей скольжения, но обычно достаточно близко к действительному минимуму. Для нахождения центров кривых скольжения существует ряд приемов. Один из них предложен В.В. Аристовским. По его данным, центр наиболее опасной поверхности скольжения располагается в  пределах многоугольника Oedba (рис.  4.41), который строится следующим образом. Из середины откоса (точка С) проводят вертикаль CD и линию СЕ под углом 85° к откосу. Затем из точек А и В,

276

Глава 4. Грунтовые плотины D a

A

R

O1 e O2 O5

E

d

O3

R0

r

b

O

O4

R Hп

85° C B

Рис. 4.41. Схема для определения центра наиболее опасной поверхности скольжения

как из центров, проводят две дуги окружности с  радиусом R до пересечения в точке О. Значение R находят по формуле

R=

Rн + Rв , 2

(4.85)

где Rн и  Rв  — нижний и  верхний пределы радиуса поверхности скольжения R0 (определяются в  долях от высоты плотины Нп по табл. 4.17). Проводя из точки С дугу радиусом r = OC до пересечения с ли2 ниями CD и СЕ, получим искомый многоугольник Oedba. Чаще всего центры наиболее опасных поверхностей скольжения располагаются по линии bО, на которой в  первую очередь и выбирают несколько центров — О, О1, О2 и т.д. Вычислив коэффициенты запаса устойчивости для выбранных поверхностей скольжения, для уточнения расчета через точку с минимальным значением Ку можно провести линию, перпендикулярную bО, на которой также наметить ряд центров и  подсчитать для соответствующих им поверхностей скольжения значения Ку. За расчетное принять минимальное значение Ку min, которое должно находиться в  допустимых пределах.

277

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин

Таблица 4.17 Значения Rн/Hп и Rв/Hп Заложение откоса m

Rн/Hп

Rв/Hп

1

1,1

2,2

2

1,4

2,5

3

1,9

3,2

4

2,5

4,7

5

3,3

5,8

6

4,3

6,7

Следует иметь в  виду, что при расчете откосов из несвязных грунтов центр наиболее опасной поверхности скольжения располагается обычно вблизи точки О, а при расчетах откосов из связных грунтов удаляется от нее. Наиболее опасная кривая скольжения при расчетах откосов из песчаного грунта на песчаном основании проходит через подошву откоса (точка В на рис. 4.41), а если в основании залегает глинистый грунт, то может захватывать часть основания на глубину, обычно не превышающую Нпл, считая от поверхности грунта. В случае необходимости минимальное значение Ку можно уточнить, задаваясь еще двумя-тремя значениями радиусов кривых скольжения в следующих пределах:

R + Rв Rн + Rв . < R0 < Rв;  Rн < R0 < н 2 2

(4.86)

Для определения всех сил, действующих на массив обрушения длиной 1 м, область, ограниченную кривой сдвига и внешним очертанием плотины, разбивают вертикальными прямыми на отсеки шириной b (рис. 4.42). При расчете «вручную» величину b удобно принимать равной 0,1R0. Тогда sin α  =  0,1N, где N  — порядковый номер отсека с  учетом его знака; α  — угол наклона подошвы отсека к горизонту (cos α = 1 − sin 2 α ). Затем производят нумерацию отсеков. Центр нулевого отсека размещают под центром кривой сдвига, а остальные отсеки нумеруют влево и вправо от нулевого, при этом для левых отсеков значения sin α положительные, а для правых — отрицательные. Для крайних отсеков sin α принимается от доли полосы по отношению к полной ее ширине.

278

Глава 4. Грунтовые плотины

r1

S

m

7

a 6 5

I1 4

3

l

c B

d 2 1 К 0 1 l3 (С3, 3)

22C2

d

33C3 T

N

r2 M

c

G

I2

b

11C1



2

8 C

l2 ) , 2 (C 2

h

l1 ) , 1 (С 1

9

Hп

3

a

h

2

h1



h2

1

R0

h3

Отсек 1

N 2

3

P 4

Рис. 4.42. Схема к расчету устойчивости низового откоса грунтовой плотины

Далее по оси отсека на чертеже измеряют среднюю его высоту. Но так как отсеки по высоте имеют различные грунты, то для удобства расчетов вычисляют приведенную высоту отсека по формуле

hпр = h1

γ γ1 γ γ + h2 2 + h3 3 +  + hn n , γ пр γ пр γ пр γ пр

(4.87)

где h1, h2, h3, ..., hn — отдельные средние составляющие высот отсека (берут по масштабу с чертежа), имеющие соответственно плотность γ1, γ2, γ3, ..., γn; γпр — плотность грунта (принимают для грунта выше кривой депрессии). Плотность грунта, взвешенного в воде, определяют по формуле γs − γw , (4.88) 1+ e где γs, γw — соответственно плотность твердых частиц грунта и воды; е — коэффициент пористости грунта.



γ взв =

Затем определяют силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам:

F = bγ пр ∑ hпр cos α tg ϕ,

где ϕ — угол трения грунта.

(4.89)

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин

279

Подобным же образом вычисляют касательную составляющую веса массива обрушения:

T = bγ пр ∑ hпр sin α.

(4.90)

Силу сцепления, возникающую на подошве массива обрушения, определяют по формуле

S = c1l1 + c2l2 + c3l3,

(4.91)

где с1, с2, с3 — удельные сцепления грунта тела плотины и основания, соответствующие длинам дуг l1, l2, l3 (см. рис. 4.42). Длина дуги определяется по формуле 2πR0β l = , 360 где β — центральный угол дуги, измеряемый по чертежу.

(4.92)

Далее определяют фильтрационную силу, которая для дренированных плотин состоит из двух составляющих:

Ф = Ф1 + Ф2 = Ω1I1γw + Ω2I2γw,

(4.93)

где Ω1 и Ω2 — соответственно площади фигур СВКС и BKPNMB; I1  — средний градиент фильтрационного потока (I1  =  ∆h/∆l; ∆h  — падение депрессионной кривой в  пределах массива обрушения; ∆l  — расстояние, на котором произошло падение депрессионной кривой на ∆h); I2 — средний градиент в основании плотины, приближенно вычисляется по формуле I2 =



H , B − bд

H — напор на плотине; В — ширина плотины по низу; bд — ширина дренажа. При отсутствии дренажа Ф2 = 0. Подсчет действующих сил удобнее вести в табличной форме (табл.  4.18). Заполнив таблицу, в  результате суммирования соответствующих граф получают данные, которые используют при определении Ку. Затем вычисляют коэффициент устойчивости откоса:

Kу =

F +S . T + Φ1r1 R0 + Φ2 r2 R0

(4.94)

sin α

0,82 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0 -0,10 -0,20 -0,30 -0,40 —

Номер отсека

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 S

0,57 0,60 0,71 0,80 0,87 0,91 0,95 0,98 0,99 1,00 0,99 0,98 0,95 0,91 —

1,5 6,5 6,5 6 4,5 4,0 3,0 2,5 2,5 4,0 3,0 3,0 — — —

— 0,5 2,5 4,5 6,0 6,0 5,0 4,0 2,5 0,5 — — — — —

— — — — — 1,0 2,0 2,5 3,0 3,0 3,5 3,0 2,0 1,5 —

1,5 6,79 7,97 8,65 8,03 8,19 7,26 6,51 5,95 6,27 5,31 4,98 1,32 0,99 —

cos α h1, м h2, м h3, м hпр, м

1,23 5,43 5,58 5,19 4,02 3,28 2,18 1,30 0,60 0 -0,53 -0,99 -0,40 -0,40 26,49

hпр sin α, м

0,86 4,07 5,66 6,92 6,99 7,45 6,90 6,38 5,89 6,27 5,26 4,86 1,25 0,90 —

hпр cos α, м

16 16 13 13 13 37 37 37 37 37 37 37 37 37 —

ϕ, град.

Определение действующих сил

0,29 0,29 0,23 0,23 0,23 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 —

tg ϕ

0,25 1,18 1,30 1,59 1,61 5,59 5,18 4,78 4,42 4,70 3,94 3,66 0,94 0,67 39,81

1,2 1,2 1,0 1,0 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 —

hпр × × cos a × c, т/м2 × tg j, м

7,26 — 11,54 — — 25,6 — — — — — — — — —

l, м

8,71 — 11,5 — — — — — — — — — — — 20,21

сl, т/м

Таблица 4.18

280 Глава 4. Грунтовые плотины

4.7. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин

281

Пример 4.2. Для выбранной кривой скольжения вычислить значение коэффициента устойчивости низового откоса грунтовой плотины. Исходные данные. Высота грунтовой плотины 15 м, напор H = 13,0 м, заложение верхового откоса m1 = 3,0 м, низового — m2 = 2,0 м, ширина по гребню b = 8,0 м. Плотина относится к IV классу. Грунт тела плотины — супесь твердая с  плотностью γ = 1,46 т/м3, плотностью твердых частиц γs = 2,78 т/м3, коэффициентом пористости е = 1,065, удельным сцеплением с = 12,0 кПа и углом внутреннего трения ϕ = 16°, в насыщенном водой состоянии соответственно сw = 10,0 кПа, ϕw = 13°. В основании залегают пески крупные с  галькой мощностью Т = 14,0 м. Они имеют следующие характеристики: γ = 1,83 т/м3; γs = 2,64 т/м3; е = 0,70; с = 0; ϕ = 38°; сw = 0 и ϕw = 37°. Высота дренажной призмы hдр = 1,20, ширина дренажного банкета b0 = 1,0 м, заложение откосов дренажа: внутреннего m1′ = 1, 5, наружного m2′ = 1, 0 (см. рис. 4.42, М 1:500). 1. Построение области нахождения центров кривых скольжения, по В.В. Аристовскому, ввиду несложности вопроса в данном примере не приводится. В дальнейшем из области Оеdba, как из центра, с  учетом приведенных выше рекомендаций проводится кривая скольжения радиусом R0 = 24,5 м. 2. Массив обрушения делится вертикальными линиями на отсеки шириной b = 0,1 ⋅ 24,5 = 2,45 м. Середина нулевого отсека располагается под центром кривой скольжения (точка О на рис. 4.42). 3. Определение величин, входящих в  формулы (4.87), (4.89)–(4.92), проводят в табличной форме (см. табл. 4.18). При этом высоты составленных частей отсеков измеряют в середине каждого отсека. Плотность грунта тела плотины и основания, взвешенного в воде, вычисляется по формуле (4.88) и составляет

γ взв = п

2, 78 − 1 = 0, 86 т/м3; 1 + 1, 065



γ взв = о

2, 64 − 1 = 0, 96 т/м3. 1 + 0, 70

4. Силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения, определяют по формуле (4.89):

F = 2,45 ⋅ 1,46 ⋅ 39,81 = 142,4 т ≈ 1424 кН.

5. По формуле (4.90) вычисляют касательную составляющую веса массива обрушения:

Т = 2,45 ⋅ 1,46 ⋅ 26,49 = 94,75 т ≈ 947,5 кН.

282

Глава 4. Грунтовые плотины

6. При вычислении по формуле (4.95) фильтрационной силы сначала устанавливают площади фигур СВKС Ω1 = 129,5 м и ВKPNMB Ω2 = 40,0 м2 и значения средних градиентов: yyв теле плотины I1 = 8 = 0, 40 ; 20

yyв основании плотины

I2 =



13 = 0,17. 83 − 4, 0

Предварительно определяют ширину плотины по низу:

В = (m1 + m2)Hп + b = (3 + 2)15 + 8 = 83,0 м

и ширину дренажа:

bдр = (m1′ + m2′ )hдр + b0 = (1,5 + 1)1,2 + 1 = 4 м.

Тогда Ф = 129,5 ⋅ 0,4 ⋅ 1 + 40 ⋅ 0,17 ⋅ 1 = 58,6 т ≈ 586 кН. 7. Плечи фильтрационных сил r1 и r2 определяют по расчетному чертежу (см. рис. 4.42). Они равны r1 = 22,0 м, r2 = 4,0 м. 8. По формуле (4.94) для выбранной кривой скольжения вычисляют коэффициент устойчивости откоса:

Ку =

142, 4 + 20, 21 = 1,10. 51, 8 ⋅ 22 40 ⋅ 4 + 94, 75 + 24, 5 24, 5

Для сооружений IV класса принимают коэффициент надежности Кн = 1,10, а также коэффициент сочетания нагрузок для основного сочетания n = 1,0 и коэффициент условий работы при методе расчета, удовлетворяющем условия равновесия m = 1. 9. По условию (4.84) определяют нормативное значение коэффициента устойчивости откоса и сравнивают с расчетным Ку:

Кн 1,10 n= ⋅ 1 = 1,10, m 1

т.е. Ку = (Кн/m)n. Следовательно, устойчивость откоса обеспечивается. Если устойчивость откоса не обеспечивается, т.е. Ку   0,25Нп для низких плотин — (0,01...0,02)Нп; ˆˆпри менее плотных несвязных грунтах — (0,02...0,03)Нп в зависимости от плотности грунтов.

Глава

5 Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов 5.1. Назначение и классификация водопропускных сооружений Гидротехнические сооружения любого назначения, пропускающие через себя воду, принято называть водопропускными. Эти сооружения различны по своему назначению, местоположению в плане, по высоте и имеют конструктивные особенности (рис. 5.1). В состав гидроузла может входить одно или несколько водопропускных сооружений, которые классифицируют по ряду признаков. По водохозяйственному назначению водопропускные сооружения делят на водосбросы, водоспуски, водозаборы, сооружения комплексного назначения (водосбросы-водоспуски, водосбросы-во­до­ за­боры и т.п.), водосливные плотины, водовыпуски. По гидравлическому режиму работы водопропускные сооружения могут быть напорными, безнапорными и  напорно-без­на­пор­ ны­ми (полунапорными). По режиму эксплуатации водопропускные сооружения бывают автоматического действия и управляемые (с затворами). В отдельных случаях применяют водосбросы полуавтоматического действия, которые обеспечивают пропуск части сбросного расхода в автоматическом режиме, а  часть расхода пропускают через отверстия, перекрываемые затворами. По конструктивному признаку различают водопропускные сооружения закрытые (трубчатые), открытые (лотковые), сборные, монолитные и комбинированные.

289

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) а

б 1

5

Гребень плотины ФПУ НПУ

3

в

6

7

2 4

3

УМО

7

8

5 9

10

в

ток

Водо

11

Рис. 5.1. Сооружения при плотине из местных материалов:

а — план плотины; б — продольный разрез по оси плотины; в — план водосбросного тракта; 1 — плотина; 2 — водосбросной тракт; 3 — водозаборное сооружение (водозабор); 4 — магистральный канал; 5 — водоспуск; 6 — подводящий канал; 7  — шлюз-регулятор; 8 — сбросной канал; 9  — сопрягающее сооружение; 10 — отводящий канал; 11 — русло водотока

По месту расположения в  составе гидроузла водопропускные сооружения делят на береговые, русловые и пойменные. По расположению водоприемного отверстия относительно уров­ ня верхнего бьефа водопропускные сооружения классифицируют на поверхностные, глубинные и донные.

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) 5.2.1. Общие сведения Понятие о водосбросных сооружениях. В водохранилищных гидроузлах объем водохранилища в большинстве случаев не вмещает поверхностный сток, поступающий  с водосборной площади. После наполнения водохранилища до отметки НПУ излишек воды пропускается или, как говорят, сбрасывается в нижний бьеф плотины, а возможно, и в гидрографическую сеть, если для этого есть благоприятные условия. Сброс воды чаще осуществляется при форсированном уровне воды в  водохранилище, но в  некоторых случаях он может происходить и при НПУ.

290

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Под водосбросами при плотинах из местных материалов понимают комплекс сооружений, задача которых — обеспечить беспрепятственный пропуск расчетных максимальных расходов воды из верхнего бьефа в нижний. Путь, по которому происходит сброс излишков воды из водохранилища в нижний бьеф плотины, называют водосбросным трактом. Взаимное расположение сооружений на водосбросном тракте может быть самое различное, но при этом ставится условие — не допускать подмыва водой плотины и других сооружений гидроузла. В зависимости от высотного расположения сооружений на водосбросном тракте и их водных устройств относительно НПУ различают водосбросы поверхностные и глубинные. К поверхностным относятся водосбросы, уровень воды во входной части которых соприкасается c атмосферой, а отводящая часть может быть как открытой, так и  заглубленной в  грунт (ниже поверхности земли). В глубинных водосбросах входная часть расположена под уровнем воды, а отводящая — в толще грунта. Кроме того, водосбросы подразделяются на управляемые, когда расходы и уровни воды регулируются затворами, и неуправляемые, в которых сброс воды происходит всякий раз, как только уровень воды в  водохранилище поднимается выше НПУ. Каждой группе водосбросных сооружений дают название в зависимости от конструкции головной (водосливной) части сооружения. Так, например, водосбросы автоматического действия подразделяют на ковшовые (головная часть выполнена в виде ковша), шахтные (головная часть — шахта) и траншейные (сливная часть выполнена в виде траншеи). В управляемых водосбросах головными сооружениями чаще всего являются шлюзы-регуляторы и, редко, водосливные плотины, водосливные отверстия которых перекрываются затворами. Считается рациональным совмещать водосбросы  с другими сооружениями гидроузла. Это дает экономию в  затратах и  облегчает их эксплуатацию. Так, целесообразно совмещать водосбросы с  водовыпускными сооружениями, а  также  с сооружениями для пропуска строительных расходов. Примеры такого совмещения приведены на рис. 5.31 и 5.36. В водосбросном сооружении можно выделить четыре основные составные части: подводящую, водоприемную (водосливную), сопря-

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

291

гающую и устройство нижнего бьефа. Каждая часть существенно отличается своим назначением, гидравлическим режимом и  конструктивным решением. Подводящая часть обеспечивает плавный подход воды к сливной (головной) части водосброса, создает благоприятные условия для нормальной эксплуатации всего сооружения. Водосливная часть осуществляет прием паводковых вод из водоема и отвод их в сопрягающую часть сооружения. Водосливная часть является головной частью водосброса. На управляемых водосбросах через головную часть прокладывают служебный и проезжий мост, на ней устанавливают затворы, другое механическое оборудование и т.д. Сопрягающая часть соединяет водослив с устройством нижнего бьефа. По ней вода скатывается из верхнего бьефа в нижний. Особенности работы сооружений на водосбросном тракте. В расчетном режиме, т.е. с пропуском максимальных расходов принятой обеспеченности, сооружения водосбросного тракта работают редко. Они редко включаются в работу и в течение года. Сброс воды из водохранилища во время весеннего половодья длится несколько дней, а при дождевых паводках ливневого характера — несколько часов. Водосбросные тракты должны включаться в работу и обеспечивать пропуск любых расходов, не превышающих максимальные расчетные, в любое время года, когда запасы воды в водохранилище полезно не используются, а  уровень воды превышает расчетный. Для водохранилищ на местном стоке возможны случаи, когда объем поверхностного стока будет недостаточным для наполнения водохранилища до расчетного уровня, и тогда водосброс работать не будет. Это возможно в маловодные годы, когда к началу половодья водохранилище полностью сработано. Сооружения для пропуска строительных расходов. В период возведения плотины расходы водотока пропускают через специальные временные сооружения, выполняемые в виде труб или тоннелей. Располагают их на низких отметках, близких  к отметкам дна водотока, и  прокладывают в  основании плотины или в  обход нее. В тех случаях, когда это возможно, эксплуатационные водопропускные сооружения следует использовать для пропуска строительных расходов.

292

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

При благоприятных топографических условиях строительные расходы пропускают по обводному каналу. Низкое расположение сооружений для пропуска строительных расходов позволяет иметь перемычки небольшой высоты, ограждающие котлован плотины от затопления. Такие перемычки возводят в некотором удалении от подошвы плотины со стороны верхнего и нижнего бьефов или включают в состав тела плотины. Расходы воды водосбросов. Расходы воды, подлежащие пропуску через водосбросные сооружения при плотинах из местных материалов в процессе эксплуатации, определяются исходя из расчетного максимального расхода воды водотока (реки) в естественном незарегулированном состоянии с учетом трансформации стока, вызванной хозяйственной деятельностью в  бассейне водотока (реки). Обеспеченность максимальных расходов принимают в зависимости от класса сооружений (табл. 5.1). Таблица 5.1 Ежегодная вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды Расчетный случай

Основной Поверочный

Класс сооружения I

II

III

IV

0,1 0,01

1 0,1

3 0,5

5 1

Пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне верхнего бьефа (НПУ): ˆˆчерез эксплуатационные водосбросбросные устройства при полом их открытии; ˆˆвсе гидротурбины ГЭС; ˆˆвсе другие водопропускные сооружения при нормальной их эксплуатации. Пропуск расчетного расхода воды для поверочного расчетного случая должен обеспечиваться при максимальном допустимом (форсированном) подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные водосбросы, гидротурбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

293

сооружения и  резервные водосбросы. В этом случае допускаются деформации русла и даже частичное разрушение отдельных частей вспомогательных сооружений без потери их общей устойчивости. Для небольших водохранилищ при ограниченной водосборной площади расчет водосбросов обычно ведут на расход от дождевых паводков. Для водохранилищ  с большими водосборными площадями расчетные расходы будут от половодья.

5.2.2. Открытые регулируемые береговые поверхностные водосбросы Состав водосбросного тракта. Открытые береговые поверхностные водосбросные тракты располагают на берегах и  склонах долины в обход плеча плотины. В связи с этим они получили название береговых водосбросов. Вода из водосбросных трактов поступает в  нижний бьеф гидроузла, а  при благоприятных топографических условиях может быть выпущена в соседний водоток или в  пониженные участки местности. Особенность поверхностных водосбросов состоит в  том, что их входные участки расположены на высоких отметках. В состав водосбросных трактов в общем случае входят следующие сооружения: ˆˆподводящий канал; ˆˆледоудерживающие устройства; ˆˆрегулирующее сооружение; ˆˆсбросной (соединительный) канал; ˆˆсопрягающее сооружение; ˆˆотводящий канал. Однако так бывает не всегда. Нередко отсутствует один из каналов (например, подводящий или сбросной), но возможно отсутствие и двух каналов. Через сооружения водосбросного тракта обычно не предусматривается сброс льда из водохранилища в нижний бьеф плотины. Ледяной покров не имеет подвижек и тает на месте. Но по длине подводящего канала возможно движение льда. Отдельные льдины также могут подойти к водосбросным сооружениям в результате ветрового нагона. Для недопущения льда на водосбросной тракт

294

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

в начале подводящего канала или перед шлюзом-регулятором ставят ледоудерживающие устройства, через которые свободно проходит вода, а лед и другие плавающие тела задерживаются. Трасса водосбросного тракта. Под трассой понимают осевую линию сооружений, проложенную на местности с разбивкой на ней пикетажа. Она может быть как прямолинейной (рис. 5.2, а), так и  с  углами поворота (рис.  5.2,  б) и  проходить в  некотором удалении от плеча плотины или частично врезаться в него. Для обеспечения плавного движения потока воды на водосбросном тракте, когда трасса имеет углы поворота, в них вписывают кривые с радиусом не менее пятикратной ширины канала по урезу воды, т.е. R ≥ 5B. При разбивке кривых, когда задан угол поворота β, вычисляют тангенс по формуле β T = R tg . 2



(5.1)

Следует иметь в виду, что здесь тангенс Т не является тригонометрической функцией, а определяется как длина отрезка прямой от угла поворота до начала или конца кривой. Длину кривой определяют по формуле lкр =



πRβ . 180

(5.2)

Зная тангенс и  длину кривой, определяют пикеты начала и конца кривой. Пример разбивки кривой на водосбросном тракте приведен на рис. 5.2, в.

УВ

0

Т

ПК

Водохранилище

УВ

ПК

П К2 1П

2

ПК

НК

УГ

Т 

НК

/2 /2

3 ПК 4

К3

УВ

ПК 0

1 ПК

ПК Водохранилище

в

УВ

б

R

а

ПК

ПК 5

0

4

Рис. 5.2. Трасса поверхностного водосбросного тракта:

а — прямолинейная; б — с углами поворота; в — разбивка кривой на трассе

295

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

На криволинейных участках трассы рекомендуется размещать каналы, а другие сооружения водосбросного тракта относить на прямолинейные участки. Размещение сооружений на криволинейных участках трассы приведет к выполнению криволинейных конструкций в плане. Продольные профили принято вычерчивать в разных масштабах  — большем по вертикальной оси и  меньшем по горизонтальной. На профиле наряду с отметками поверхности земли (черными отметками), расстояниями между фиксированными точками (соседние точки с фиксированными отметками поверхности земли на продольном профиле соединяют прямыми линиями) и  пикетами наносят также проектные отметки сооружений (красные отметки), уклоны, план трассы с указанием местоположения начала и конца кривых. На продольном профиле приводят также грунты и  их физико-механические характеристики. Пример продольного профиля по водосбросному тракту приведен на рис. 5.3. ФПУ 40

Выемка

Насыпь

НПУ

36 Суглинок

32

Пески средней крупности

Ось плотины

Отметки дна

L

i

i0 i0 L L

Отметки бровки дамбы

i0 L

L

33,0

33,8 i

i0 i0 L L

Заполняется при проектировании каналов и заданных отметок порогов сооружений

Глубина выемки Высота насыпи План оси трассы

 R T 

5 10

Расстояния Пикеты

i

L

33,0

Глина

36,4

38,0 39,5

Отметки поверх ности земли

40,6

20

38,5

24

40,6 38,8

28

1

23

24 2

26

13 3

9

20 4

Рис. 5.3. Продольный профиль по поверхностному водосбросному тракту

296

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Продольный профиль строят по оси трассы водосбросного тракта по материалам геодезических съемок. При предварительном проектировании его можно выполнить камерально, используя для этого план с горизонталями. Высотное размещение всех сооружений на водосбросном тракте определяется таким образом, чтобы выемки были минимальными, причем допускается на отдельных участках частично выполнять насыпь. Исходя из этого условия и  выбирается трасса. Каналы с минимальными выемками или частично в насыпи легче очищать от снега перед пропуском сбросных расходов. Это следует учитывать, так как такую очистку часто выполняют вручную. Грунты из выемок водосбросных трактов рекомендуется укладывать в тело плотины, если по физико-химическому составу они пригодны для насыпи. Перемещение грунта из выемок в тело плотины позволяет сократить затраты по гидроузлу, но при этом следует учитывать, что глубокие выемки осложняют эксплуатацию сооружения, особенно при пропуске расходов половодья. Необходимо отметить, что при выборе трассы водосбросного тракта исходят из следующих соображений. Выемки на верхнем участке трассы используются для насыпи плотины. Выемки нижнего участка трассы значительно удалены от плотины, что вызывает перевозку грунта на длинные расстояния, к тому же вверх по склону. Да и  низинные грунты по строительным качествам большей частью хуже, чем верховые. Поэтому правильно стремиться к большим выемкам наверху и минимальным — внизу. Для лучшего использования выемки сбросного тракта как карьера для плотины канал устраивают с большим наполнением. Для этого отметка дна сбросного канала понижается против отметки дна порога шлюза на 2...4 м, паводковый уровень в канале назначают примерно на высоте hкр (или несколько ниже), устанавливающейся на пороге шлюза. В таких случаях шлюз пропускает воду в условиях свободного истечения, т.е. имеет наибольшую пропускную способность и, следовательно, наименьшие размеры. Однако в этом случае возможно появление прыжка в сбросном канале и возникает необходимость проектирования водобойных устройств за шлюзом. Если на водосбросном тракте трудно разместить сооружения в  одном месте, допускается их рассредоточить, например вместо одного сопрягающего сооружения выполнить два и больше (рис. 5.4).

297

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) 3

2

2

4

4 1

1

7

7 2

2 4

5

1

4

1

7

3 6

3

Рис. 5.4. Примеры размещения сооружений на поверхностном водосбросном тракте: 1 — подводящий канал; 2 — шлюз-регулятор; 3 — сбросной канал; 4 — быстроток; 5 — перепад; 6 — консольный сброс; 7 — отводящий канал

Перед водосливом и за ним подводящий и соединительный каналы должны иметь прямолинейные участки длиной не менее 1,5В, где В — ширина канала по урезу воды. Входную часть подводящего канала во избежание вдольбереговых течений следует удалять от плотины не менее чем на 20...40 м. Выходная часть отводящего канала должна быть удалена от плотины не менее чем на 50...100  м, чтобы при пропуске паводка не возникала опасность подмыва низового откоса грунтовой плотины. Особенности гидравлического расчета. Гидравлический расчет открытых береговых регулируемых поверхностных водосбросов в общем случае заключается в расчете: ˆˆподводящего канала; ˆˆголовного сооружения (обычно шлюза-регулятора); ˆˆсоединительного канала (иногда нескольких); ˆˆсопрягающего сооружения; ˆˆотводящего канала. В зависимости от высоты плотины, топографических и геологических условий, величины расчетного расхода и  др. состав сооружений водосбросного тракта может различаться, тогда будут различаться и составные элементы гидравлического расчета.

298

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Поперечные сечения каналов назначаются  с таким расчетом, чтобы при пропуске максимальных расходов воды скорость в них не превышала допустимую, а  в  подводящем канале имел место плавный вход. С этой целью подводящий канал делают расширяющимся в плане вверх по течению и с обратным уклоном дна. При этом скорости течения оказываются настолько малыми, что потерями напора пренебрегают и считают, что свободная поверхность в  нем горизонтальная и  соответствует расчетному уровню воды в верхнем бьефе. Глубина воды в подводящем канале равна напору воды на водосливе Н, если его гребень устраивается на уровне дна подводящего канала, и  сумме напора на водосливе и  высоты его порога Р, если он возвышается над дном подводящего канала. Ширина соединительного и  отводящего каналов постоянная, а уклон дна положительный. Размеры их поперечных сечений определяются в соответствии с правилами проектирования водопроводящих каналов при равномерном движении воды. В нескальных грунтах поперечное сечение каналов обычно трапецеидальное. Заложение их откосов может быть принято таким же, как и для обычных водопроводящих каналов. Уровень воды в  соединительном канале чаще назначают так, чтобы обеспечить неподтопленный режим работы водослива и создать благоприятные условия для сопряжения бьефов за ним. Исходя из этого рекомендуется назначать следующие перепады z на пороге водослива: для водослива с широким порогом z = 0,4Н, для водослива практического профиля z = Н, где Н — известный напор на пороге водослива. Глубина воды на пороге головного сооружения (шлюза) обычно задается в пределах Н = 2...4 м, в зависимости от величины расхода. При больших расходах воды в  соединительном канале может образоваться кривая спада, увеличивающая скорость течения, что может вызвать размыв канала. Для ликвидации кривой спада в конце соединительного канала в некоторых случаях устраивают порог, высота которого определяется по формуле

P = hн − H′,

(5.3)

где hн — глубина, соответствующая равномерному режиму потока (нормальная глубина), м; Н′  — напор на пороге, работающем как неподтопленный водослив практического профиля, м.

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

299

Нормальная глубина канала hн определяется при гидравлическом расчете канала. Напор на пороге в  случае трапецеидального сечения канала вычисляется из формулы пропускной способности трапецеидального водослива практического профиля:

Q = m(b0 + 0, 8mк H ′) 2 g H 03 2,

(5.4)

где m — коэффициент расхода для предварительных расчетов (m = = 0,43); b0 — ширина порога по нормали к оси канала, м; mк — заложение откосов канала; Н0 — глубина воды на пороге с учетом скорости подхода:

H 0 = H ′ + vк2 (2 g ),

(5.5)

vк — известная скорость течения в соединительном канале. В формуле (5.4) два неизвестных члена — Н′ и b0. Поэтому Н′ определяется подбором в такой последовательности: 1) задаются высотой Р; 2) определяют Н′ = hн − Р; 3) определяют b0 = bк  +  mкР, где bк — ширина канала по дну, м; 4) находят Q. Высота порога варьируется до тех пор, пока найденный расход не будет равен расчетному максимальному расходу. При прямоугольном сечении канала высота порога определяется без подпора по соответствующей формуле прямоугольного водослива. Однако такое сечение канала возможно либо в  скальных грунтах, либо при устройстве канала в виде бетонного лотка, когда опасность размыва канала в результате образования кривой спада невелика и от устройства порога можно отказаться. Гидравлический расчет головного сооружения (шлюза-ре­гу­ля­ то­ра) и сопрягающих сооружений приведен в параграфах 5.3 и 5.5. Конструкция водосливов с входным порогом на уровне дна подводящего канала аналогична конструкции открытых водоспусков, которые иногда выполняют и  роль береговых водосбросов. Соответственно и методы их проектирования одинаковы (см. п. 5.2.5). Как показывает опыт проектирования и  водохозяйственной эксплуатации прудов и малых водохранилищ, управляемые водосбросы низконапорных гидроузлов целесообразно эксплуатиро-

300

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

вать в бытовой период в автоматическом режиме путем перелива воды через верх затворов, тем самым проектируя небольшую  — до 0,3...0,5 м — форсировку уровня воды в верхнем бьефе. Типовые технические решения открытых регулируемых водосбросов при грунтовых плотинах. Белгипроводхоз разработал технические решения открытых регулируемых водосбросов на расходы воды от 50 до 700 м3/с с напором 4...12 м для прудов и малых водохранилищ. При напорах до 6 м рекомендуются водосбросы со сдвоенными колесными затворами (рис.  5.5). В зависимости от сбросного расхода может быть предусмотрено устройство от одного до четырех пролетов. При больших напорах Белгипроводхоз рекомендует двухъярусные водосбросы (рис. 5.6), при возведении которых используют от 8 до 15 типоразмеров блоков. При напорах до 4 м применяют плоский флютбет без поднятия водосливного оголовка. При напорах более 6 м предусмотрено дополнительное гашение избыточной кинетической энергии потока на решетчатой сливной плотине водосброса, укладываемой на водосливе (рис. 5.7).

НПУ

1

2 3

4

I–I УНБ

5

I

I

Рис. 5.5. Открытый регулируемый водосброс конструкции Белгипроводхоза на напор до 6 м: 1 — входная часть; 2 — водобой; 3 — затвор; 4 — переезд; 5 — отводящий канал

301

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) I–I НПУ 1 2

3

4

5

6 7 УНБ

I

8

I

Рис. 5.6. Типовое решение открытого регулируемого двухъярусного водосброса:

1 — входная часть; 2 — головная часть; 3 — донное отверстие; 4 — поверхностное отверстие; 5 — переезд; 6 — водобой; 7 — дренажные отверстия; 8 — крепленая часть отводящего канала

Укргипроводхоз разработал технические решения регулируемых водосбросов, рассчитанных на пропуск расходов от 100 до 400 м3/с с напором 3,5...5,5 м (рис. 5.8). На небольших прудах глубиной до 5 м и перепадом отметок на пороге головного сооружения и  дна отводящего канала до 3  м можно рекомендовать простые конструкции открытых регулируемых водосбросов, разработанных Гидрорыбпроектом (рис. 5.9). Варианты открытых регулируемых водосбросов конструкции Ленгипроводхоза на расчетные расходы от 20 до 50 м3/с при перепадах 5...15 м приведены на рис. 5.10 и 5.11. Сооружения состоят из входного оголовка, лотка быстротока, уложенного на свайное (рис. 5.10) или грунтовое (рис. 5.11) основание, и концевой площадки. Гашение энергии сбросного потока происходит в воронке размыва. Если нет условий для устройства консольного перепада, применяют гасители в виде водобойных колодцев. При выборе варианта гасителей учитывают, что они экономически обоснованы при расходах более 50 м3/с при прочих равных условиях. Сбросные расходы на таких сооружениях регулируют

150 280

150

Шпунтовый ряд 15 m30

2, m

75

Крепление монолитного ж.б. t15 см

150

0

,5 m2

0

2,5 m

5

Монолит ж.б. t 40 см Бетонная подготовка t10 см Защитн. слой из песка t30 см Понур из суглинка t50 см

,00 m3 5 ,7 m2

50

2 ,

1460

0,00

5,50

Ось грунтовой плотины 120

3,50

4,50

Ж.б. плиты ПЛ 20204 Обратный фильтр

0,00

m2,50

1080 400

400

1200

Ж.б. плиты ПЛ 20206 Ж.б. плиты ПЛ 20202 Монолит ж.б. t140 см Обратный фильтр Обратный фильтр Обратный фильтр Местный грунт

Сборн. ж.б. балка 3030 см с шагом 30 см 1,20

Воздухопроводƒ ная труба МВП (Р1%)

7,00

Рис. 5.7. Водосливная плотина с решетчатым водосливом

Ось водосброса

m

1,80

0,20

3,00

8,00

2,2

m

m2 ,25

3,00

Отсыпка из камня

m2,5

Мостовой проезд (ГT+21,0)

400

10,00

10 000

m2,5

302 Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

303

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) I–I

НПУ ФПУ

2

1

3 4

5

I

I

Рис. 5.8. Открытый регулируемый водосброс конструкции Укргипроводхоза на базе плоского затвора: 1 — входная часть; 2 — головная часть; 3 — лоток быстротока; 4 — водобой; 5 — крепленая часть рисбермы НПУ

ФПУ

1

I–I

2

3

4

5

I

I

Рис. 5.9. Открытый регулируемый водосброс конструкции Гидрорыбпроекта на базе сегментного затвора: 1 — входной оголовок; 2 — головная часть; 3 — водобой; 4 — рисберма; 5 — отводящий канал

304

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

плоскими металлическими затворами, оборудованными подъемниками с ручным или электрическим приводом. На рис.  5.12 и  5.13 представлены различные компоновочные схемы гидроузлов с открытыми береговыми управляемыми (регулируемыми) водосбросами.

Рис. 5.10. Открытый регулируемый водосброс на свайном основании: 1 — входная часть; 2 — затвор; 3 — переезд; 4 — быстроток; 5 — сваи

НПУ

ФПУ

2

3

I–I УНБ

6 1

4

5 7

7

I

I

Рис. 5.11. Открытый регулируемый водосброс на грунтовом основании конструкции Ленгипроводхоза: 1 — входная часть; 2 — затвор; 3 — трубчатый переезд; 4 — головная часть водосброса; 5 — быстроток; 6 — концевая часть; 7 — дренажный колодец

305

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

I

Струенаправляющие дамбы

Водосброс

I

Водоспуск

I–I

Рис. 5.12. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым управляемым водосбросом и водоспуском на одном берегу

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

24 22

1

20

24 22

28

26 28

26

306

4

18 16

20

16

НПУ

18

2

16

16

16

3

16 18

18

20

20

Рис. 5.13. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым управляемым водосбросом и водоспуском на разных берегах: 1 — водосброс; 2 — плотина; 3 — водоспуск; 4 — запань

5.2.3. Открытые нерегулируемые (автоматические) береговые водосбросы Водосбросы  с фиксирующим порогом. На открытом нерегулируемом поверхностном тракте отсутствует шлюз-регулятор. Такие водосбросы включаются в  работу автоматически, как только уровень воды в водохранилище поднимается выше НПУ. Автоматичность работы водосброса обеспечивается фиксирующим порогом,

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

307

расположенным в подводящем канале на отметке НПУ. Конструктивно он выполняется как водослив  с подтопленным или неподтопленным истечением. В последнем случае длина порога будет меньше, и дно канала за порогом располагается на более низких отметках. Необходимо отметить, что автоматические водосбросы имеют некоторые преимущества перед управляемыми: при эксплуатации они не требуют наблюдения за изменениями уровня воды в верхнем бьефе и  регулирования величины сбрасываемого расхода. За счет того, что водосливной порог сбросного сооружения расположен на отметке нормального подпорного уровня верхнего бьефа, перелив воды происходит автоматически при превышении уровня воды в водохранилище уровня порога. Пропуск паводка сопровождается повышением уровня верхнего бьефа обычно в пределах величины форсировки, равной 0,60...1,20 м. Величина форсировки принимается на основании технико-эко­но­ ми­ческих расчетов (возможной дополнительной площади затопления в верхнем бьефе, длины сливного фронта, увеличения высоты грунтовой плотины, интенсивности паводка и др.). Однако автоматические водосбросы имеют и недостатки — это временное дополнительное затопление прибрежной полосы водохранилища, а также некоторое увеличение высоты грунтовой плотины. Автоматические водосбросы экономичны, просты в устройстве и  эксплуатации, но требуют форсировки уровней в  водохранилище, что ведет к затоплению (на период пропуска паводка) дополнительных площадей. Для устранения указанного недостатка прибегают к созданию развитой водоприемной части, что в некоторых случаях трудно осуществимо или требует значительных затрат. Имеющиеся конструктивные решения таких водосбросов в ос­ новном различаются по конструкции водоприемной части или входного оголовка. Выделяют сооружения с боковым и фронтальным забором воды,  с криволинейными, полигональными, ковшовыми и траншейными входными оголовками. Наиболее эффективно применение таких водосбросов в водохранилищах малой ширины. Ковшовые (полигональные) открытые водосбросы. Ковшовые водосливные оголовки, у которых водосливной фронт выполнен в виде ломаной или криволинейной линий, иногда называют соответственно полигональными или криволинейными водосливами

308

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

(рис. 5.14). Криволинейные, или полигональные, водосливы используют для уменьшения высоты слоя форсировки в  верхнем бьефе. Их применение перспективно и экономически оправдано в широких водохранилищах с мелководной поймой. На рис. 5.15 представлен открытый береговой водосброс с полигональным водосливом конструкции Белгипроводхоза. При трассировании водосброса по слабому основанию или через тело плотины используют вариант сооружения на свайных опорах (рис. 5.16), разработанный Ленгипроводхозом. Разработан и вариант данной конструкции с водобойным колодцем (рис. 5.17). На рис. 5.18 показана одна из конструкций Укргипроводхоза — открытый автоматический водосброс с ковшовым криволинейным оголовком. а

ФПУ 1 НПУ

I–I

2

3

б

1

2

I–I

3

ФПУ НПУ

4

4

I

I I

I

Рис. 5.14. Конструкции входной части открытых нерегулируемых водосбросов: а — оголовок с полигональным водосливом; б — оголовок с криволинейным водосливом; 1 — входной оголовок; 2 — водосливной порог; 3 — переезд; 4 — ограждающие стенки водоприемника

309

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы) НПУ ФПУ 1

2 3

I–I 4

УНБ при Qmax 5

План

I

I

Рис. 5.15. Открытый береговой водосброс с полигональным водосливным оголовком конструкции Белгипроводхоза:

1 — водоприемный ковш; 2 — переходный участок; 3 — переезд; 4 — быстроточная часть сооружения; 5 — концевая часть НПУ ФПУ1

I

2

3

I–I

4

5

I

Рис. 5.16. Открытый автоматический водосброс конструкции Ленгипроводхоза с ковшовым водоприемным оголовком на свайном основании быстроточной части:

1 — водоприемный ковш; 2 — переходный участок; 3 — переезд; 4 — быстроточная часть сооружения; 5 — концевая часть

310

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов НПУ ФПУ

I–I

1

2

3

5

4

I

I

Рис. 5.17. Автоматический водосброс конструкции Ленгипроводхоза с расширяющимся водобоем: 1  — водоприемный ковш; 2  — переезд; 3  — лоток быстротока; 4  — водобой; 5 — крепленая часть отводящего канала

НПУ

ФПУ 1

3

2

I–I 4

I

7

5

6

I

Рис. 5.18. Открытый нерегулируемый водосброс с ковшовым оголовком конструкции Укргипроводхоза (одно из решений): 1 — входной оголовок; 2 — водоприемный ковш; 3 — переезд; 4 — лоток быстротока; 5 — водобой; 6 — крепленая часть отводящего канала; 7 — пролеты водосброса

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

311

Ковшовые оголовки с полигональными и криволинейными водосливами могут быть расположены в любой части плотины, но лучший эффект достигается на водосбросах с оголовками, выдвинутыми в  водохранилище. На рис.  5.19 представлена одна из возможных компоновочных схем гидроузла с ковшовым водосбросом. Методика гидравлического расчета ковшового водослива будет приведена ниже. Траншейный водосброс. Траншейный водоброс (рис. 5.20) — разновидность открытого автоматического сбросного тракта, в состав которого входят: ˆˆбоковой водослив (с широким порогом, практического профиля) с отметкой порога на НПУ; ˆˆсборная траншея, к бровке которой примыкает водослив; ˆˆсбросной канал;

Рис. 5.19. Гидроузел с грунтовой плотиной, открытым нерегулируемым (ковшовым) водосбросом и водоспуском: 1 — водосброс; 2 — водоспуск; 3 — плотина; 4 — запань

312

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов 3

1

2

II I

ФПУ

I

4 II 5 НПУ

6

7

II–II

ФПУ

4

H

I–I

НПУ

5

Рис. 5.20. Траншейный водосброс:

1 — отводящий канал; 2 — сопрягающее сооружение; 3 — плотина; 4 — траншея; 5 — водосливной порог; 6 — сбросной канал; 7 — мост ˆˆсопрягающее сооружение; ˆˆотводящий канал.

В плотинах  с незначительной разностью уровней воды в  бьефах дно траншеи можно расположить на отметке русла водотока, тогда сопрягающее сооружение исключается. При коротких водосбросных трактах сопрягающее сооружение примыкает  к концу траншеи, и тогда отсутствует сбросной канал. Траншею размещают в верхнем бьефе гидроузла и располагают вдоль уреза воды нормально (или близко  к этому)  к продольной оси плотины на расстоянии 20...40 м от плотины. Траншейные водосбросы выгодно применять при небольших напорах на водосливе, крутых склонах долины и  больших сбросных расходах. Они более экономичны в скальных породах, использовать их в нескальных грунтах возможно, но при этом стоимость сооружений возрастает из-за крепления водослива и траншеи (при крутых откосах в ней приходится устраивать подпорные стенки). Следует отметить, что ввиду малых удельных расходов на водосливе длина сливного фронта траншейного водосброса имеет значительную протяженность. Гидравлический расчет траншейного водосброса сводится к определению длины водосливного порога L и построению кривой свобод-

313

5.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)

ной поверхности воды по приближенному методу, предложенному проф. Е.А.  Замариным. Расчет следует выполнять при пропуске расходов Q, 0,5Q и 0,25Q. Длину водосливного порога определяют по формуле неподтопленного или подтопленного водослива в зависимости от характера сопряжения потока в нижнем бьефе. Если hп  ≥  nH0, то водослив подтопленный, если hп    αhз, то истечение из-под затвора в  конце первого периода становится затопленным и  при следующем поднятии затвора на высоту 0,2H пропускаемый расход воды определяется по формуле (5.28). Далее, как и при предыдущей величине поднятия затвора, определяются сопряженные глубины и  делается вывод о  режиме сопряжения бьефов при этом поднятии затвора. Аналогично расчет выполняется и при всех других величинах поднятия затвора. При этом расчет удобно вести в  табличной форме (табл. 5.5). Таблица 5.5 Определение режима сопряжения бьефов hз

hз/H

α

0,1

0,615

0,2

0,620

0,3

0,625

0,4

0,630

αhз = h1

Q

q = Q/b

h2

hб

h2 − hб

Режим . сопряжения

Глубина водобойного колодца d определяется для случая, когда разность h2 - hб наибольшая:

d = σh2 − (hб + ∆z),

где σ — коэффициент запаса (σ = 1,05...1,1).

(5.32)

364

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Перепад ∆z определяется, как за затопленным водосливом с широким порогом, по формуле

∆z =

αq 2 q2 − , 2 2 g ϕ 2 hб2 2 ghкол

(5.33)

где hкол — глубина воды в колодце, м (hкол = sh2). Расчет ведется методом последовательных приближений. После первого определения глубины колодца dl по формуле (5.32) подбором определяется новое значение сжатой глубины из формулы

q = ϕh1 2 g (H 0 + d1 − h1 ) .

(5.34)

Затем по формуле (5.31) определяется вторая сопряженная глубина и по формуле (5.32) — новое значение глубины водобойного колодца. Расчет обычно завершается на третьем приближении, если оно оказывается близким ко второму. Расчет нижнего бьефа (определение размеров гасителя кинетической энергии потока) приведен в гл. 3. За водобоем находится менее массивная часть крепления  — рисберма. Назначение рисбермы — защитить дно от размыва на участке завершения гашения избыточной энергии потока. На ней гасится от 30 до 40 % энергии водного потока, сбрасываемого в нижний бъеф через сооружения. Рисберма имеет гибкое соединение плит, что позволяет им следовать за возможным перемещением дна отводящего русла. Ее, как правило, укладывают по слою обратного фильтра, чтобы исключить деформации основания при выходе фильтрационного потока из-под водобоя. Практически длину рисбермы определяют исходя из напора Н и длины водобоя Lв по формуле

Lp = (4...10)H − Lв.

(5.35)

Общая длина крепления (водобой плюс рисберма) может быть определена также по зависимости Д.И. Кумина:

Lкр = 9(hcc − hc ) = 6(hcc − hc ) + 8hкр,

(5.36)

где hc — глубина воды в сжатом сечении, м; hкр — критическая глубина, м.

365

5.4. Водоспускные сооружения

Ее можно вычислить также в  долях от глубины hcc на водобое с гасителями: Lкр = (7...10)hcc (5.37) или в долях hкр, если водобой без гасителей: (5.38) Lкр = (14...15)hкр. Толщину бетонных плит рисбермы в расчетном сечении можно определить по формуле Преображенского:

t p = KFrc0,67  x   hкр 

−1,34

hкр,

(5.39)

где K = 1,05...1,1 — коэффициент запаса; Frc — число Фруда в сжа v2  том сечении  Frc = c  ; х — расстояние от сжатого сечения до расqhc   четного; vc — скорость воды в сжатом сечении, м/с. За рисбермой низконапорных водопропускных сооружений обычно проектируют зуб из каменной наброски для защиты рисбермы от подмыва. Размеры зуба определяют исходя из потребности камня для крепления воронки расчетной глубины размыва. Глубина размыва (глубина воды на рисберме плюс глубина воронки размыва) определяется по формуле

hраз = 1, 05 1,2

qрис vh =1,0 м

,

(5.40)

где qрис — удельный расход на рисберме, м3/с; vh=1,0 м — допустимая скорость движения воды на рисберме при глубине потока 1 м, м/с (принимается в зависимости от грунтов рисбермы). Трубчатые водоспуски. В  плотинах небольшой высоты распространены трубчатые водоспуски, по конструкции аналогичные водозаборным сооружениям. Их особенность состоит в том, что при расположении затворов с низовой стороны площадку для управления затворами (задвижками) поднимают выше максимального уровня воды в  нижнем бьефе. Они предназначены для полного или частичного опорожнения водохранилища при ремонте со стороны верхнего бьефа, для промывки наносов, а также для освежения воды в рыбоводных прудах.

366

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Трубчатые водоспуски предназначаются для пропуска небольших расходов. Устраивают их из стальных сварных или чугунных раструбных железобетонных труб. Трубы водоспуска работают в  напорном режиме. Входная часть трубы делается уширенной и перекрывается металлической решеткой. В выходной части устанавливается задвижка. Выходная часть водоспуска заканчивается в отводящем канале, где строится водобойный колодец или другие устройства для гашения энергии воды, выходящей из труб. В зависимости от пропускаемого расхода могут быть уложены одна или несколько труб. Если укладывается несколько труб, расстояние между ними принимается не меньше диаметра трубы. Трубы водоспуска располагают непосредственно в основании плотины в наиболее пониженной части тальвега или вблизи него. Чтобы обеспечить прочность труб при осадке плотины и  избежать фильтрации вдоль труб, устраивают железобетонные диафрагмы (на стальных трубах стальные), располагая их в  местах стыков отдельных звеньев труб. Вокруг труб укладывают слои глины или глинобетона (рис. 5.47). Для устранения влияния осадки грунтовой плотины на трубы, улучшения условий эксплуатации и  надзора трубы водоспуска иногда располагают в бетонной или железобетонной штольне. На рис. 5.48 показан трубчатый водоспуск конструкции Ленгипровохоза на расход до 1,5 м3/с при напорах 5...10 м. Он состоит из трубопровода, входного и  выходного оголовков, колодцев для задвижек и  короткой зимней ветви, обеспечивающей автоматичность ограничения наиболее низкого, допустимого по условиям

Рис. 5.47. Трубчатый водоспуск:

1 — металлическая решетка; 2 — стальная или чугунная труба; 3 — крепление верхового откоса; 4 — слой глины; 5 — диафрагма; 6 — задвижка; 7 — водобойный колодец

367

5.4. Водоспускные сооружения ФПУ

I–I НПУ

5

МЗУ

1

2

3 4

9

6

7

8

I

I

Рис. 5.48. Водоспуск конструкции Ленгипроводхоза на расход до 1,5 м3/с при напорах 5...10 м: 1  — подходной участок; 2  — решетка; 3  — входной оголовок; 4  — труба; 5  — воздухоподводящее устройство; 6 — задвижки; 7 — концевая часть водотока; 8 — воронка размыва; 9 — диафрагма

эксплуатации зимнего уровня воды в водохранилище (МЗУ). Конструкция водоспуска запроектирована в двух вариантах: из железобетонных труб диаметром 0,5 и 0,6 м и стальных диаметром 0,4 и 0,6 м. Управление рабочей задвижкой предусмотрено с помощью ручного привода. Концевая часть трубопровода расположена на сваях. Гашение энергии потока предусмотрено в воронке размыва, для уменьшения которой на конце трубопровода установлен рассевающий порог. Следует отметить, что перспективна конструкция многоголово­ го водоспуска-водовыпуска (рис. 5.49), в которой необходимый потребителю расход изымается из напорных водоводов в  распределительной камере, что очень важно при использовании сооружения для различных целей (например, водоснабжения, рыбоводства, малой гидроэнергетики и др.). Аналогичная конструкция водоспуска-водовыпуска применена в 2012 г. при реконструкции гидроузла верхнего пруда УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Горки

368

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов НПУ МЗУ

I—I

ФПУ

3

1

1

4

2 1

2

4

I

I

Рис. 5.49. Трубчатый водоспуск-водовыпуск на расход до 1,5 м3/с при напоре до 12 м: 1  — входные оголовки; 2  — водоводы; 3  — распределительная камера; 4  — концевой сброс

Могилевской обл.) в соответствии с проектным решением института «Полесьегипроводхоз». Исходными данными для проектирования водоспуска служат: ˆˆпроект грунтовой плотины, включающий план участка ее размещения в  горизонталях, продольный и  поперечный разрезы, отметки расчетных уровней воды в верхнем бьефе (УМО, МЗУ, НПУ), конструктивные решения противофильтрационных устройств, креплений, откосов, дренажа; ˆˆинженерно-геологические данные по основанию плотины и прогноз по его осадке; ˆˆкривая связи уровней и расходов в нижнем бьефе; ˆˆзначения расходов воды, подлежащих пропуску через водоспуск (включая расчетный расход на опорожнение, санитарный и строительный расходы); ˆˆданные об уровнях, при которых необходимо обеспечить пропуск расчетных расходов; ˆˆрасчетный расход в период опорожнения; ˆˆданные о зимнем режиме работы водохранилища (включая сведения о расчетной толщине льда и уровнях воды). При проектировании водоспусков решают следующие задачи: ˆˆопределяют местоположение сооружения в составе гидроузла; ˆˆустанавливают значение расчетного расхода водоспуска; ˆˆопределяют конструкцию и размеры сооружения.

5.4. Водоспускные сооружения

369

Плановое и  высотное положение водоспусков определяют исходя из местных инженерно-геологических условий и назначения сооружения. Ось водоспуска рекомендуется трассировать по возможности перпендикулярно к оси плотины в пониженных местах поймы. Трубу водоспуска желательно располагать на коренных породах. Входное отверстие водоспуска размещают на отметках, обеспечивающих возможность сработки (опорожнения) водохранилища до заданного уровня. В ходе гидравлического расчета определяют расчетный расход водоспуска. Расчетный расход водоспуска назначают из условия обеспечения сработки водохранилища до необходимого уровня за заданный период времени, а также пропуска санитарных или строительных расходов. При многоцелевом назначении водоспуска принимают наибольший из необходимых расходов. Расчетные расходы при опорожнении водохранилища определяют  с помощью батиграфических кривых W  =  f(H) и  F  =  f(H) и допустимой скорости понижения уровней. Скорость опорожнения водохранилища назначают  с учетом допустимой интенсивности понижения уровней, при которой обеспечивается устойчивость склонов и верхового откоса плотины. При расчете по кривой W  =  f(H) определяют объемы отдельных призм водохранилища ∆Wi при допустимом слое сработки водохранилища ∆H за единицу времени. Обычно принимают, что слой ∆H срабатывается за одни сутки. Следует отметить, что, по данным института «Белгипроводхоз», скорость опорожнения пруда (водохранилища) не должна превышать 0,5 м/сут., а скорость наполнения —1,0 м/сут. По установленным значениям ∆Wi определяют необходимые секундные расходы, при которых обеспечивается заданная сработка уровней Qi = ∆Wi/86 400 м3/с. Из ряда значений Qi выбирают максимальное и принимают его за расчетное Qp по условию обеспечения опорожнения водохранилища. Далее устанавливают расчетные значения строительных и эксплуатационных расходов и уровней Qpi и Hpi. По каждому из значений Qpi и  Hpi определяют необходимую площадь поперечного сечения водовыпуска трубы.

370

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Диаметр трубы водоспуска при неподтопленном выходном отверстии определяется из формулы Q = µ πd 4



2

2 gH ,

(5.41)

а при подтопленном выходном отверстии — из формулы Q = µ πd 4



2

2 gz ,

(5.42)

где µ — коэффициент расхода; Н — напор, равный высоте от уровня воды в верхнем бьефе до оси трубы, м; z — напор, равный разности отметок уровней воды верхнего и нижнего бьефов, м. Коэффициент расхода можно определить по формуле µ=



1

∑ξ

.

Сумма коэффициентов всех местных сопротивлений случая, представленного на рис. 5.47, равна

∑ξ =

ξ вх + ξ реш + ξ тр + ξ з + ξ вых ,

∑ ξ для (5.43)

где ξвх — коэффициент сопротивления при входе; ξреш — коэффициент сопротивления решетки при входе; ξтр  — коэффициент гидравлического сопротивления на трение по длине трубы; ξз — коэффициент сопротивления затвора (при плоском затворе ξз  = 0,2, при дисковом — ξз = 0,1); ξвых — коэффициент сопротивления при выходе при подтопленном выходном отверстии (ξвых = 1). Коэффициент сопротивления решетки при входе

ξреш = 1,5(ω/ω1)2 = 1,5(d/d1)4,

(5.44)

где ω — площадь поперечного сечения трубы водоспуска, м2; ω1 — площадь поперечного сечения входного отверстия, м2; d  — диаметр трубы, м; d1 — диаметр входного отверстия, м. Коэффициент сопротивления при входе в трубу принимают следующим: ξвх = 0,5 — при острых кромках, 0,2 — при плавном входе, 0,05 — при весьма плавном входе.

371

5.4. Водоспускные сооружения

С учетом скорости движения воды в трубе коэффициент сопротивления при входе определяется по следующей зависимости: 2



v  ξ вх = ξ вх  вх  ,  v 

(5.45)

где vвх  — средняя скорость течения в сечении на входе, м/с; v  — средняя скорость течения в данном (расчетном) сечении трубы, м/с. Коэффициент сопротивления при выходе под уровень нижнего бъефа более точно можно определить по формуле 2



ω   ξ вых = 1 − 1  , ω2  

(5.46)

где ω1 — площадь живого сечения потока в трубе, м2; ω2 — площадь живого сечения потока в водобойном колодце при входе, м2. Имея заданный расчетный расход Q, напор Н или z и длину l, находят диаметр трубы d. Его можно определить путем построения кривой Q = f(d). Задаваясь различными значениями диаметра, по формуле (5.41) или (5.42) определяют соответствующие расходы. Затем строят кривую Q = f(d), по которой графически определяют диаметр трубы для заданного расхода (рис. 5.50). Можно предварительно задаться диаметром трубы и определить площадь живого сечения из формулы (5.41) или (5.42). Имея площадь живого сечения и  задаваясь количеством труб, вычисляют площадь живого сечения одной трубы, а по ней  — диаметр трубы, который примерно d должен быть равен диаметру, принятому предварительно. Затем окончательно принимают стандартные значения диаметра трубы. Пример 5.5. Определить диаметр и количество труб стального трубчатого водоспуска. Исходные данные. Расчетный расход Q = = 1,2 м3/с. Выходное отверстие труб подтопленное. Разность отметок уровней воды верхнего и  нижнего бьефов z  =  7  м. Длина водоспуска l = 50 м, коэффициент сопротивления при входе ξвх = 0,2, диаметр трубы d = 0,4 м, диаметр входного отверстия d1 = 0,6 м.

0

Q

Рис. 5.50. График для определения диаметра трубы водоспуска по заданному расходу

372

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

1. Определяем коэффициент сопротивления решетки при входе по формуле (5.44): ξреш = 1,5(0,4/0,6)4 = 0,3.



Сумму коэффициентов всех местных сопротивлений находим по (5.43):

∑ ξ = 0, 2 + 0, 3 + 0, 2 + 1 = 1, 7 .



2. В зависимости от конструкции водоспуска (рис.  5.47–5.49, 5.52) в сумму коэффициентов всех местных сопротивлений могут входить коэффициенты сопротивлений на поворот, сужение, расширение и др. Гидравлический радиус составит:

R = 0,126/1,26 = 0,1 м. Коэффициент расхода находим по формуле µ=



1 = 0, 46. 1, 7 + 0, 025 ⋅ 50 (4 ⋅ 0,1)

Живое сечение труб водоспуска вычисляем по формуле ω=



1, 2 = 0, 25 м2. 0, 46 2 ⋅ 9, 81 ⋅ 7

3. Принимаем водоспуск из двух труб, тогда площадь живого сечения одной трубы ω = 0, 25 = 0,125 м2, 2 2

а диаметр d =

4 ⋅ 0,125 3,14 = 0, 4 м.

4. При принятых размерах водоспуска продолжительность опорожнения водохранилища определяют по зависимости



T =

F1 ∆H  +  2ωµ 2 g  H1 − H р +

Fm −1 + H m −1 − H р

2F2 + ... + H2 − Hр

Fm  , H m − H р 

(5.47)

где Fi — площадь зеркала водохранилища при напоре Нi, определяемая по кривой F = f(H); Нр  — полный напор над порогом трубы, при котором обеспечивается пропуск приточного расхода воды в водохранилище; ∆Н — высота слоя при разделении сливного объема водохранилища на n равных по высоте частей (∆Н = 0,5 м; рис. 5.51).

373

5.4. Водоспускные сооружения H

Hp

H1

Qp Q F

Рис. 5.51. Истечение жидкости из водохранилища 5. Полный напор под порогом трубы, при котором обеспечивается пропуск приточного расхода водотока (реки), определяется по формуле

Hр =

Qр2 2 g µ 2ω 2

,

(5.48)

где Qp  — расход реки (водотока); µ и  ω  — соответственно коэффициент расхода и площадь сечения водоспуска. Кроме расчетов пропускной способности и  продолжительности опорожнения водохранилища выполняют гидравлические расчеты по определению параметров струи и воронки размыва, фильтрационные расчеты по определению гидростатического давления на трубы и  градиентов фильтрационного потока вдоль труб, расчеты по определению давления водного потока на носок концевой площадки.

Башенные водоспуски. Это наиболее рациональный тип водоспуска при плотинах низких и средней высоты. Конструкция их такая же, как и водозаборов, расчеты аналогичны. На рис. 5.52 показана конструкция башенного водоспуска расходом до 13 м3/с. В  состав башенного водоспуска входят трубопровод, башня управления затворами, входной и  выходной оголовки. Трубопровод состоит из железобетонных труб диаметром 1,0...1,4 м. Нагрузка от земли по длине трубы неодинакова и, чтобы ослабить напряжение от изгиба, ее устраивают из нескольких звеньев. Звенья труб с башней и между собой сопрягаются швами, которые обеспечивают раздельную их работу. Швы следует конструировать так, чтобы при осадках не нарушалась их водонепроницаемость. На рис. 5.53 показаны отдельные виды конструкции стыков труб.

374

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов НПУ

I–I

3

МЗУ

4

2

1

I

I

Рис. 5.52. Трубчатый водоспуск с башней управления по ТП 820–223:

1 — входной оголовок; 2 — труба водоспуска; 3 — башня управления; 4 — концевая часть водоспуска 6

2

б 1

1 6 3

5

2

10

4

8 6

г

в

12

7 16

17

17

3d

m

d

9

3d

15

9

5

16

12 11 13

11

m

3

14

15

m

6

а

3d

4

Рис. 5.53. Конструкции стыков труб:

а, б, в — стыки железобетонных труб; г — стык стальных труб; 1 — трубка для прогрева битума; 2 — входной и выходной патрубки; 3 — трубка для заливки битума в шпонку; 4 — стенка трубы; 5 — подготовка из бетона; 6 — наружная оклеечная гидроизоляция; 7 — цементная чеканка; 8 — битум; 9 — просмоленный войлок; 10 — мятая глина; 11 — железобетонный хомут; 12 — фильтр; 13 — арматура; 14 — битумный шов; 15 — стальная труба; 16 — стальная диафрагма; 17 — сварной шов

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

375

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины 5.5.1. Назначение и особенности водосливных плотин Водосливными называют плотины, в  которых устроены поверхностные отверстия. Кроме поверхностных отверстий в ее теле, устоях, быках устраивают глубинные (или донные) водосбросные отверстия. Водосливные плотины устраивают в составе речного гидроузла (рис. 5.54) для сброса в нижний бьеф из водохранилища или пруда неаккумулируемых паводковых вод. На ряде гидроузлов плотины используют для промывки наносов, отложившихся в верхнем бьефе, а также для полезных попусков (в санитарных, транспортных и  других целях). Водосливные плотины располагают на пойме, реже в  русле реки на достаточно прочных грунтах. При этом исходят из условий общей компоновки и состава гидроузла. Основной отличительной особенностью водосливных плотин, возводимых на нескальных основаниях, является то, что они для уменьшения нагрузки на основание имеют более распластанный профиль по сравнению с  аналогичными типами плотин, возводимых на скальном основании, т.е. у них длина подошвы значительно больше.

1

2

Рис. 5.54. Схема речного гидроузла:

3

4

1  — грунтовая плотина; 2  — бетонная плотина-водосброс; 3 — водозабор; 4 — направляющая дамба

376

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Одним из наиболее распространенных типов водосливных пластин являются бетонные как наиболее простые по конструкции. Бетонные водосливные плотины относятся к гравитационным гидротехническим сооружениям, устойчивость которых против сдвига по основанию обеспечивается в  основном за счет сил трения, возникающих под действием их массы. Материалом для возведения плотин служат бетон и железобетон. Достоинства бетонных плотин заключаются в  простоте геометрической формы, возможности широкой механизации строительных работ, надежности конструкции в различных климатических условиях, возможности применения невысоких по прочности и  стоимости марок бетона. К  их недостаткам можно отнести относительно большие удельные объемы бетона, неполное использование прочностных свойств строительного материала, неравномерное распределение напряжений в основании сооружения, неблагоприятное влияние внешних температурных колебаний и термического режима. Для снижения указанных недостатков применяют плотины облегченной конструкции с консолью (рис. 5.55), ячеистые (рис. 5.56), контрфорсные (рис. 5.57) и др.

1 2

4 5

6

7

hр

3

11 10 9

8

Рис. 5.55. Бетонная гравитационная плотина с консолью:

1 — понур; 2 — крепление понура; 3 — дренажная галерея; 4 — водобой; 5 — дренажные отверстия; 6 — рисберма; 7 — концевое крепление; 8 — тело плотины; 9 — горизонтальный дренаж; 10 — консоль плотины; 11 — шпунт

377

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

Max УНБ

87,20

НПУ 82,2

76,80

75,40 12,00

6,00

1

7 1: 2 2 71,40

3 4

3,00

74,00

5,00

5 6

18,20

11,50

Рис. 5.56. Ячеистая плотина:

2

357,0

0,46

1  — понурный зуб; 2  — понур; 3  — уплотнения; 4  — шпунт; 5  — подготовка; 6 — стена ячейки; 7 — внутренний фильтр-дренаж

0,46 4 4,57 4,57 Сечение напорной Сечение водосливной плиты плиты 4,57 3 4

8 349,3

9

1

Сечение фундаментной плиты 343,2

2

7

28,9

0,2

18,6

5

1

9

4

3

0,15

338,3

340,1

6

Рис. 5.57. Контрфорсная плотина:

1  — напорная грань; 2  — водосливная грань; 3  — фундаментная плита; 4  — контрфорс; 5 — шпунт; 6 — водобойный колодец (ковш); 7 — инспекционный ход; 8 — сегментные затворы; 9 — бык

378

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

5.5.2. Классификация водосливных плотин Водосливные плотины входят с  состав подпорного фронта гидроузла. Учитывая разнообразие типов конструкций, условий применения и т.д., водосливные плотины классифицируют по ряду признаков: ˆˆназначению  — водохранилищные, устраиваемые для аккумуляции и  регулирования стока; водоподъемные, устраиваемые для подъема уровня воды в реке водоисточника; ˆˆконструкции  — бетонные гравитационные (см. рис.  5.55), бетонные, железобетонные облегченные (см. рис.  5.57), ячеистые (см. рис. 5.56); ˆˆматериалу — бетонные, железобетонные, асфальтобетонные; земляные со сливным неразмываемым покрытием, металлические, комбинированные; ˆˆнапору  — низконапорные при напоре на сооружении Н ≤ 15 м, средненапорные при 15 ≤ Н ≤ 50 м, высоконапорные при Н > 50,0 м; ˆˆотносительной высоте порога водослива  — с  низким порогом P ≤ 1, 0 , с  порогом средней высоты 1 < P ≤ 3 , с  высоким H H порогом P > 3 , где Р — высота порога; Н — глубина воды на поH роге; ˆˆтипу профиля водосливного оголовка по сливной грани  — практического профиля криволинейного очертания  — вакуумные (рис. 5.58, а) и безвакуумные (рис. 5.58, б), практического профиля прямолинейного очертания (рис.  5.58,  в); с  широким порогом (рис. 5.58, г); ˆˆрежиму эксплуатации  — автоматического действия, управляемые при помощи затворов; ˆˆтипу сопряжения сливной грани с  дном водобоя  — сопря­ жение уступом, сопряжение при помощи плавной криволинейной вставки. На  нескальных основаниях строят обычно низко- и  средненапорные водосливные плотины облегченной и  ячеистой конструкции с низким и средним порогом практического и полигонального профиля с  плавным очертанием сливной грани без применения уступа.

(

(

)

)

(

)

379

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины б

 0,3H; m  0,5

O

в

R

P

r 

m  0,33...0,42

H



г

m  0,36  0,01

v0

3  P/H 1,2  0,75P/H

H

hn

P

P

v0

H

v0

в

2,5  /H 1  2/H

R

H

v0

 0,3H; m  0,36  0,1

P

а

2 3 H   2H

2,5H  10H

Рис. 5.58. Типы водосливов:

а — вакуумный практического профиля криволинейного очертания; б — безвакуумный практического профиля криволинейного очертания; в  — практического профиля прямолинейного очертания; г — с широким порогом

Основным критерием для выбора типа плотины являются технико-экономические показатели, определяемые предварительно по укрупненным измерителям или аналогам. Чтобы определить размеры, форму и  конструкцию плотины и  других частей водосбросного сооружения, необходимо выполнить гидравлический, фильтрационный и статистический расчеты. Этим расчетам предшествует предварительная компоновка гидроузла и выбор типа плотины.

5.5.3. Составные части и элементы водосливных плотин Плотины, возводимые на нескальном основании, в общем случае включают тело сооружения, крепление (устройство) русла в нижнем бьефе, противофильтрационные и  дренажные устройства, сопрягающие и разделительные стенки (устои, быки), механическое оборудование водопропускных отверстий (затворы, подъемные механизмы, решетки), деформационные швы и др. Тело плотины состоит из подпорной сливной стенки и фундаментной плиты. Фундаментная часть плотины заглубляется на величину, определяемую несущей способностью грунта, условиями

380

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

гашения энергии потока в нижнем бьефе, фильтрационными условиями основания. При донном режиме сопряжения бьефов заглубление со стороны низовой грани будет определяться глубиной водобойного колодца. Торец фундаментной плиты со стороны верхнего бьефа для лучшего сопряжения ее с  понуром проектируют наклонным, при этом его необходимое заглубление зависит от конструкции и размеров понура, шпунтов и дренажа. Для надежного сопряжения тела плотины с нескальным основанием и уменьшения фильтрации фундаментная плита выполняется с верховым и низовым зубьями. Глубина зубьев принимается равной 2...3 м, но может быть и больше. Ширина зуба по низу назначается из условий производства работ не менее 3 м. Подошву фундаментной плиты, как правило, выполняют горизонтальной. Предварительно длину подошвы плотины можно назначать по следующим рекомендациям П.В. Олешкевича: ˆˆL = (1,25...1,75)H — для галечниковых и гравелистых грунтов; ˆˆL = (1,75...2)H — для супесей и песков; ˆˆL = (2...2,25)H — для суглинистых грунтов; ˆˆL = (2,25...2,5)H — для глинистых грунтов. Подпорная водосливная стенка имеет водосливной оголовок, водосливную низовую грань и сопрягающее устройство. Оголовки водосливных плотин выполняют в виде водосливов практического профиля с широким порогом, реже — полигонального профиля. Сопрягающие устройства — это конструкции, с помощью которых плотина примыкает (сопрягается) к  другим сооружениям гидроузла (зданию ГЭС, шлюзу, рыбоходу, грунтовой плотине) и к берегам. Сопряжение водосливной плотины со зданием ГЭС устраивают с помощью разделительных стенок, выступающих из плотины на длину понура и  водобоя (рис.  5.59). Сопряжение с  земляной плотиной и берегами осуществляется с помощью устоев и сопрягающих открылков различной формы. В устое располагают пазы для затвора, поэтому он воспринимает нагрузку, действующую в двух направлениях: 1) поперек потока от действия грунта засыпки и  обходного фильтрационного потока, а  также гидростатического давления воды;

381

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины а

6 2 3

1

10

А

7

9 8

11

d

b

(1,5...2,5)l

б

5 4

c

Б

a

a

b

11

8

A

a

А

l

12

10 ГЭС

7

Рис. 5.59. Примеры компоновки сопрягающих сооружений:

а — сопрягающие открылки расположены параллельно потоку; б — под углом к потоку; 1, 4 — верховой и низовой сопрягающие открылки; 2 — шпора; 3 — устой; 5 — дренаж за устоем; 6 — раздельная дамба; 7 — низовая раздельная стенка; 8 — ГЭС; 9 — плотина; 10 — верховая раздельная стенка; 11 — откос плотины; 12  — скругление стенки (как вариант); А  — ныряющий верховой открылок; Б — высокий верховой открылок (как вариант) — вид по А–А

2) вдоль потока — от гидростатического и волнового давления воды верхнего бьефа. Обычно плотину и устой объединяют в единую конструкцию. Участок земляной плотины или берега, примыкающего к  водосливной плотине, расширяется в монтажной площадке для произ-

382

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

водства монтажных и ремонтных работ, хранения затворов. Длина площадки — 1,5...2,5 длины водосливных пролетов. Верховые сопрягающие открылки могут иметь в плане различную форму. В вертикальной плоскости в большинстве случаев их устраивают постоянной высоты (высокими) или «ныряющими». Водосливной фронт плотины делится на пролеты при помощи разделительных стенок или быков (рис. 5.60). Очертание быков в плане должно быть плавным, чтобы обеспечить максимальную пропускную способность отверстий. Высота быков над гребнем водослива для подъемных затворов принимается при стационарном подъемном механизме hб = H + hз + (1...2) м;



(5.49)

при передвижном кране hб = H + 0,6hз,



(5.50)

где Н — глубина воды на водосливе, м; hз — высота затвора, м. В быках устраивают пазы для размещения в них опорно-ходовых частей ремонтных и рабочих затворов, расстояние между которыми обычно назначают l1 = l2 ≥ 1,0...1,5 м. Размеры пазов определяются размерами опорных частей затворов. Предварительно можно при4 2 1

l1

l2

A

B

3

c

d0

2

1

m

c

t

h

a

1

2

3 A

a

1 B b

2

4

Рис. 5.60. Схема быка:

1 — паз для ремонтного или аварийного затвора 2; 3 — паз для рабочего затвора 4

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

383

нимать ширину и глубину паза ремонтных затворов 0,5 м; ширину паза рабочих затворов а = с = 0,5 м; m = (1/7...1/10) ширины пролетов; глубину паза рабочих затворов h = 0,5m; толщину быка в самом узком месте d0 = 1,0...1,5 м; толщину неразрывного быка t = d0 + 2h. При наличии деформационного шва толщину быка увеличивают на 0,5...1,0 м. Применение затворов, не требующих устройства пазов в быках, позволяет уменьшить толщину быков до 1...2 м. Длина быка назначается из условия размещения ремонтных и рабочих затворов и необходимого расстояния между ними, служебного моста, механизмов подъема затворов и транспортного моста. По отношению к гребню водосливной плотины быки располагают так, чтобы ось рабочих затворов (линии опирания затворов на водослив) проходила по наивысшим отметкам водосливной поверхности. В связи с этим приходится выдвигать бык за напорную грань в  верхний бьеф. В  этом случае выдвинутая часть быка выполняется консольного типа. Из  условий возможной неравномерной осадки плотины, происходящей из-за неоднородности грунтов, неравномерности напряжений в основании, а также температурных деформаций устраивают постоянные и временные деформационные швы. Постоянные деформационные осадочно-температурные швы обеспечивают независимые вертикальные и  горизонтальные перемещения отдельных секций плотины. Временными являются строительные швы, разрезающие сооружения на отдельные блоки бетонирования. Разрезку плотины постоянными сквозными поперечными швами производят чаще по быкам, чтобы избежать неравномерных осадок и  заклинивания затворов. Расстояние между сквозными швами принимают 20...50 м и больше. В этом случае во избежание значительных температурных напряжений в теле плотины устраивают швы-надрезы (обычно у  быков), которые лишь доходят до фундаментной плиты. В  постоянных деформационных швах предусматривают уплотнение, обеспечивающее его водонепроницаемость, дренажное устройство для отвода профильтровавшейся через уплотнение или в его обход воды, смотровые шахты и галереи для наблюдения за состоянием швов и ремонта уплотнения. Понуры (рис.  5.61) по  конструкции подразделяются на жесткие в виде покрытий из бетона и железобетона; гибкие, выполняемые из грунтов, асфальтовых, полимерных и  других материалов,

384

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов а lп m1

2

tmin

1

m2

3

~1м

б

0,3

5

4

0,4

0,35

0,5 1,0

Рис. 5.61. Типы понуров:

а  — гибкий глинистый; б  — анкерный; 1  — одиночная мостовая на слое песчано-гравелистой подготовки толщиной 0,15 м; 2 — двойная мостовая (на цементном растворе) на слое подготовки; 3 — глинистый понур; 4 — армобетонная плита; 5 — бетонная подготовка

отвечающих требованиям деформативности, водонепроницаемости, прочности, суффозионной прочности. Помимо своего основного назначения  — водонепроницаемости — понур может выполнять роль анкера по отношению к сооружению, перед которым он устраивается. Для этого устраивают анкерный понур, который следует проектировать в виде смешанной конструкции из гибкого и жесткого участков. При выборе типа понура учитывают род грунта основания, величину напора, конструкцию сооружения. В  сооружениях, возводимых на глинистых основаниях, следует применять понуры из бетона и железобетона, на песчаных грунтах или супесях — грунтовые маловодопроницаемые понуры с коэффициентом фильтрации Кф = 10-6 см/с. Анкерные понуры при бетонных плотинах устраивают на глинистых основаниях с целью повышения устойчивости плотин на сдвиг. В  плотинах IV  класса преимущественно применяют обычные гибкие понуры из местных материалов (суглинков,

385

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

глин, торфа, разложившегося не менее чем на 50 %). Коэффициент фильтрации материала понура должен быть в 50 и более раз меньше коэффициента фильтрации грунтов основания. Размеры понура (длину, толщину) определяют, как указано в гл. 2. Горизонтальный дренаж (рис. 5.62), выполняемый из крупнозернистого материала (щебня, гравия) и защищенный от заиления обратным фильтром, устраивают для плотин на глинистых грунтах основания, а  также на песчаных грунтах в  случаях, когда для обеспечения устойчивости плотины недостаточно устройства понура или вертикальной противофильтрационной преграды. Толщину слоя горизонтального дренажа следует назначать с  учетом конструктивных особенностей плотины и производственных условий, но не  менее 20  см. Отвод воды из горизонтального дренажа в  нижний бьеф предусматривают через дренаж водобоя или дренажную систему, проложенную в теле плотины, сопрягающем или раздельном устое. Устройство (крепление) нижнего бьефа за водосбросными сооружениями при донном режиме сопряжения в  общем случае включает водобой, рисберму, концевой участок (рис.  5.62, 5.63). а 2

1

3 б

V IV III II I

в

4 V IV III II I

г A

4

Б

4

3

1

Рис. 5.62. Дренажные устройства и фильтры:

а — общая схема (1 — грунт основания; 2 — дренажные отверстия; 3 — ленточный дренаж; 4 — дренажный тюфяк); б — дренажный тюфяк 4; в — ленточный дренаж  3; г  — отвод воды от дренажа под плотиной в  дренаж под водобоем; I — грунт основания; II — первый слой обратного фильтра; III — второй слой обратного фильтра; IV — третий слой обратного фильтра — дренаж; V — крупный камень, прикрывающий дренаж от разрушения

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

0,6

0,4

0,13 0,45 0,13

г

lв С

а

0,4

386

0,4

0,77

0,4

0,77

д 0,7

0,35

lв С

б

1,3

е

(3...6)hсм

C  hсм

С/2

0,4

90

0,9

0,75C

1,25C

120

5

0,3C

lв  10C С

в

30

0,75B

С 0,3C

0,5

3hсм

Рис. 5.63. Водобойные устройства и гасители:

а — сплошная водобойная стенка; б — прорезная водобойная стенка; в — зубчатый порог Ребока; г — гаситель А.С. Образовского; д — гаситель-растекатель Д.И. Кумина; е — гаситель Гидропроекта

В зависимости от режима сопряжения, геологии, энергии сбросного потока отдельные элементы устройства могут отсутствовать или иметь дополнительные конструктивные решения. Рекомендуемая общая длина крепления lкр = (9...12)(hcc − hc ). Водобойное устройство выполняют в виде массивной бетонной или железобетонной плиты, заканчивающейся зубом (во избежание ее подмыва). Для гашения энергии потока в пределах водобоя

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

387

располагают гасители энергии. Длина водобоя при отсутствии на ней гасителей

lов = (1,0...1,25)lпр,

(5.51)

где lпр — длина гидравлического прыжка. При наличии на водобое гасителей длину водобоя определяют по зависимости lв = 0,85lов. Чаще всего водобой в плане выполняется расширяющимся по течению. По  формуле И.Ф.  Пикалова угол бокового расширения стенок устоя в пределах водобоя

tg θ =

1 , Frc

(5.52)

где Frc — число Фруда в сжатом сечении. Толщина водобойной плиты определяется из условия обеспечения ее устойчивости и прочности. Для предварительных расчетов толщину можно определять по формуле В.Д. Домбровского

tв = 0,15vc hc ,

(5.53)

где vc и hc — соответственно скорость и глубина в сжатом сечении. Для снятия фильтрационного давления на водобойную плиту в ней устраивают дренажные отверстия (колодцы), а в основании — плоский дренаж с обратным фильтром. Дренажные колодцы круглой или квадратной формы размером от 0,25 × 0,25 до 1 × 1 м располагают в шахматном порядке на расстоянии 5...10 м в ряду и не менее 5 м между рядами. При этом общая площадь дренажных колодцев должна составлять не  менее 1,5  % от площади водобоя. Однако дренажные колодцы не рекомендуется располагать на первой трети длины водобоя, так как через них могут передаваться воздействия водного потока. Колодцы заполняются камнями и  сверху закрываются металлическими решетками. Плиту водобоя отделяют конструктивным швом от тела плотины. По ширине потока водобойная плита через 15...20 м разрезается продольными температурно-осадочными швами, которые совпадают с осями бычков. На второй со стороны нижнего бьефа половине водобоя устраивают дренажные отверстия для отвода фильтрационных вод.

388

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Гасители энергии устраивают на водобое ниже зоны сжатой струи. Перечислим основные типы гасителей энергии. 1. Сплошная водобойная стенка (см. рис. 5.63, а), устраиваемая на расстоянии 0,8lпр или 3hcc (hcc — вторая сопряженная глубина) от сжатого сечения, для случая

ε0 =

Т0 = 0, 2...12, hкр

(5.54)

где T0  — удельная энергия потока перед сооружением, определяемая относительно поверхности дна водобоя; hкр — критическая глубина потока. Высоту стенки можно определить по формуле

C = 0,12hкр 8

Т0 + 2 . hкр

(5.55)

2. Прорезная водобойная стенка (см. рис.  5.63,  б), устраиваемая на расстоянии 3hc от сжатого сечения при гидродинамическом напоре e0 = 2...6. 3. Зубчатый порог Ребока (см. рис. 5.63, в) устраивается на расстоянии 10С от сжатого сечения

C = (0,15… 0, 20)

q , P

(5.56)

где C — высота порога; q — удельный расход; P — разность отметок порога водослива и дна водобоя. 4. Гаситель А.С. Образовского (см. рис. 5.63, г) с нижерасположенной водобойной стенкой. 5. Гаситель-растекатель Д.И. Кумина (см. рис. 5.63, д), располагаемый на расстоянии 1,3hкр от сжатого сечения. 6. Шашечные или пирсовые гасители (см. рис.  5.63,  е), представляющие собой ряд выступов, размеры и  расположение которых указаны на рисунке. Конструкция рисбермы (см. рис.  5.65) должна быть гибкой, проницаемой для выходящего в  нижний бьеф фильтрационного потока, приспосабливающейся к возможным деформациям русла. В  соответствии с  уменьшающейся по течению скоростью потока конструкция рисбермы по длине может изменяться.

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

389

Рисберму обычно проектируют в виде плит из монолитного или сборного бетона и железобетона, каменной наброски или отмостки, габионных сеток, укладываемых на подготовку в  виде обратного фильтра. Толщину бетонных плит рисбермы в расчетном сечении можно определить по формуле Преображенского (5.39). Поток воды, сходящий с рисбермы, как правило, имеет скорости, превосходящие допускаемые на размыв для неукрепленного русла. Вследствие этого неизбежен размыв за рисбермой. Для предупреждения подмыва рисбермы устраивают концевой участок, который можно рассматривать как ее продолжение. Глубину размыва за рисбермой определяют по формуле (5.40). Уменьшение глубины размыва связано с  уменьшением удельных расходов на рисберме, что, в  свою очередь, ведет к  увеличению глубины воды над ней. В зависимости от грунтов за рисбермой, ее длины и скоростей в концевой части принимают различного типа устройства для перехода к неукрепленному грунту: предохранительный откос, бетонный зуб, шпунтовые стенки, уральский пол и др. Предохранительный откос в конце рисбермы (рис. 5.64, а) образует так называемый ковш в виде широкой и достаточно глубокой траншеи, идущей вдоль крепления, в  пределах которого происходит гашение энергии. Заложение откоса принимают не круче m = 4...5 c тем, чтобы сходящий с рисбермы поток не отрывался от него. Крепление предохранительного откоса выполняют из бетонных, железобетонных плит, уложенных на подготовку. Полезно делать такое крепление гибким на всей длине или в концевой части, чтобы обеспечить его изменение, вызванное деформацией грунта вследствие возможного размыва в примыкании к неукрепленной части. Конец откосного крепления спускают ниже возможной глубины размыва. Дно ковша заполняют каменной наброской, способствующей гашению избыточной энергии и защищающей откос от подмыва. К недостаткам ковша можно отнести трудности, возникающие при производстве работ, например значительное понижение уровня грунтовых вод в котловане. При сравнительно небольших глубинных размывах (2...3  м), что бывает в тех случаях, когда на рисберме небольшие удельные расходы и грунты, мало поддающиеся размыву, устраивают бетон­ ный зуб (рис. 5.64, б). Его подошву закладывают ниже возможной

390 а

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов УНБ

hрис б

hраз

УНБ

hн.б

hрис в

hн.б

г

УНБ

hраз

УНБ

hн.б

hрис

hраз

План r r

Рис. 5.64. Концевые устройства:

а — предохранительный откос; б — бетонный зуб; в — шпунтовая ячеистая стенка; г — уральский пол; hн.б — глубина воды в нижнем бьефе; hраз — глубина разлива; hрис — глубина воды над рисбермой

глубины размыва, а за ним устраивают каменную наброску, которая, опускаясь в  процессе формирования ямы местного размыва, не должна допускать подмыва зуба. С увеличением глубины размыва выполнение бетонных стенок становится затруднительным. Тогда переходят к  устройству сте­ нок ячеистой конструкции из шпунтовых свай (рис.  5.64,  в). Для повышения устойчивости таких стенок внутренние полости заполняют камнем, а сверху укладывают бетонные или железобетонные плиты. В  статическом отношении такие стенки работают так же, как и бетонные стенки в виде зуба. При песчаных грунтах за рисбермой, а также за водобоем применяют уральский пол (уральский водобойный пол-трамплин) (рис. 5.64, г). В конструктивном отношении он представляет собой наклонную плоскость (пол) с  уклоном против течения. Полы устраивают деревянными или железобетонными с  подъемом

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

391

0,05...0,10; оканчиваются они пальцами (сочетанием длинных и коротких бревен). Между концом рисбермы (водобоя) и началом пола оставляется зазор 0,3...0,5  м. Ребро пола в  этом месте опускают ниже поверхности рисбермы (водобоя) на 0,2...0,3 м. При сходе потока воды с  рисбермы (водобоя) в  щели образуется разрежение, вызывающее обратное течение под полом. Вместе с потоком воды это течение будет захватывать и частицы грунта, тем самым будет ограничен размыв за рисбермой (водобоем). Наряду с  приведенными конструкциями концевых устройств встречаются и другие, но все они выполняют одну задачу — не допускают подмыва конца крепления рисбермы (водобоя).

5.5.4. Гидравлический расчет водосливных плотин Чтобы определить основные размеры водосбросного сооружения, в том числе и устройства нижнего бьефа, необходимо определить профиль (тип) водослива; способ и  режим сопряжения; удельный расход на водосливе; отметку порога водослива; ширину водосливного фронта; величину и  количество пролетов; параметры потока (гидравлического прыжка) в  нижнем бьефе сооружения. Кроме того, гидравлическим расчетом уточняются режим пропуска плавающих предметов (например, льда), тип и размеры гасителей. Выбор профиля (типа) водослива. Профиль сливной грани водосброса проектируется с учетом конструкции сооружения и высоты порога. Плотины с  низким порогом проектируют чаще всего полигонального профиля с  криволинейными вставками на участке сопряжения слива с водобоем. Плотины с порогом средней высоты, как правило, проектируют криволинейного профиля, которому придают очертание траектории свободного падения струи. Профили таких плотин часто называют практическими или гидравлическими. Сливная поверхность водосливов практического профиля строится по координатам Кригера — Офицерова (данный профиль был предложен Кригером и исправлен А.С. Офицеровым). Плотины с высоким порогом рационально проектировать практического вакуумного профиля. Часто на гребне безвакуумного

392

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

водослива делают горизонтальную вставку, которая используется для размещения основного и  ремонтно-аварийного затвора. Основной затвор и донное его уплотнение располагают на самой высокой точке гребня водослива. Сопряжение сливной грани с  водобоем осуществляется при помощи криволинейной вставки радиусом R = (0,2...0,5)(H + P). Способы и режим сопряжения бьефов. Способы сопряжения бьефов можно разделить на две основные группы: ˆˆпутем отброса струи с помощью консоли или трамплина; ˆˆбезотрывным сбросом потока по сливным прямолинейным и криволинейным поверхностям. На низко- и средненапорных водосбросных сооружениях наиболее рационально осуществлять сопряжение бьефов отрывным способом, при котором образуются меньшие воронки размыва и обеспечиваются лучшие условия для пропуска льда. Из множества режимов сопряжения бьефов предпочтительнее донный режим с  затопленным гидравлическим прыжком или затопленный поверхностный режим. Определение удельного расхода на рисберме и  водосливе. Удельный расход на рисберме определяется на основании технико-экономического расчета. При этом учитывают размеры крепления и  глубину воронки размыва. В  общем случае максимальный удельный расход на рисберме должен быть таким, чтобы обеспечивать устойчивость крепления нижнего бьефа от подмыва и сдвига, устойчивость отводящего русла, экономичность инженерных решений и надежность эксплуатации. Устойчивость крепления от подмыва определяется воронкой размыва. Глубина размыва зависит от принятой конструкции концевого участка крепления русла в нижнем бьефе. Для рассмотренных выше основных типов концевых креплений удельный расход на рисберме предварительно можно определять по зависимости

qрис = 1,7vh = 1,0 мhрис,

(5.57)

где vh = 1,0 м — допустимая скорость движения воды на рисберме при глубине потока 1,0  м, м/с; hрис  — глубина воды на рисберме при расчетном расходе, м.

393

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

Удельный расход на водосливе с учетом толщины быков t при плоских и сегментных затворах qв = (1,20...1,30)qрис.



(5.58)

После компоновочных и  конструктивных решений, а  также технико-экономического сравнения вариантов значения удельных расходов на водосливе и рисберме уточняют. Определение ширины водосливного фронта. Ширина водосливного фронта (рис.  5.65) зависит от величины максимального расчетного сбросного расхода, типа водослива, способа и  режима сопряжения бьефов, конструкций затвора. Все эти факторы учитываются в  величине удельного сбросного расхода на водосливе. Предварительно ширину водосливного фронта можно определить по формуле В0 =



Qmax расч , qв

(5.59)

где Qmax расч — максимальный расчетный сбросный расход. а H0

H q0

a

hcc d

v0

tx

hнб

hc

hр

m4

...5

x

lв B0

б

t a q0

H q

q0

lг lкс

m

2

lк

b

q0

hн.б Qэкспл

Рис. 5.65. Схема к гидравлическому расчету водосливной плотины: а — продольный разрез; б — вид с верхнего бьефа

394

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

Значение максимального расчетного сбросного расхода устанавливают гидрологическим расчетом с  учетом класса и  состава сооружений гидроузла:

Qmax расч = Qmax - Qсоор - Qтр,

(5.60)

где Qmax  — максимальный паводковый расход расчетной обес­ печенности; Qсоор — часть максимального расхода, пропускаемого другими сооружениями (или отверстиями) гидроузла; Qтр — часть максимального расхода трансформируемого водохранилищем. Водосливной фронт В делится на отдельные пролеты b. В практике на водосбросах, возводимых на средних и маловодных реках, чаще всего устраивают пролеты шириной 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 м. Причем размеры пролетов, через которые проектируется сброс льда, должны приниматься в  зависимости от условий ледохода: для легких условий bл = 10...16 м, тяжелых bл =16...20 м, исключительно тяжелых bл = 20...25 м. Общая ширина ледопропускных отверстий принимается из соотношения

bл ≥ (0,5...0,6)Вл.е,

(5.61)

где Вл.е  — ширина реки в  расчетном створе во время ледостава в естественных условиях. При одинаковой ширине пролетов их число nв = B0/b,



(5.62)

где B0 — общая ширина водосливного фронта. Тогда проектная ширина водосливного фронта

В = nb + (n - 1)t,

(5.63)

где n — целое число пролетов. Определение отметки порога водослива. Высотное положение порога водослива зависит от отметки НПУ, отметки ФПУ, глубины воды на пороге. Напор на пороге водослива определяют по формуле

H =

3

2 Qmax расч

m02 B02σ 2п ε2 2 g

,

(5.64)

где m0 — коэффициент расхода водослива; σп — коэффициент подтопления; ε — коэффициент бокового сжатия.

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

395

При этом глубина воды на пороге водослива определяется из условия пропуска льда:

Hmin ≥ 1,15tл + 0,15 (м),

(5.65)

где tл — расчетная толщина льда. В качестве проектной отметки порога водослива принимается меньшее из следующих значений:

∇ГВ = ∇ФПУ - Нф,

(5.66)



∇ГВ = ∇НПУ - Н,

(5.67)

где Н и Нф — расчетный напор воды на пороге, соответствующий пропуску паводка при НПУ или ФПУ. Расчет сопряжения потока с  нижним бьефом. На  натурных сооружениях сопряжение бьефов происходит, как правило, в условиях пространственной задачи. При этом сопрягающая часть (крепление) может быть запроектирована в виде плавно или внезапно расширяющегося водобоя и рисбермы. Необходимость устраивать расширяющийся водобой диктуется различной шириной водослива и рисбермы. Размеры и  форма сопрягающего русла определяются параметрами прыжка и допустимым углом радиального расширения боковых стенок. Значения угла расширения принимаются из условия безотрывного растекания потока и отсутствия сбойности в нижнем бьефе. Гидравлический расчет нижнего бьефа однопролетной водосливной плотины аналогичен плоской задаче. При гидравлическом расчете нижнего бьефа многопролетных плотин задача несколько усложняется. Рассмотрим донный режим сопряжения бьефов за многопролетным водосбросом, у которого в качестве гасителя принят водобойный колодец. При наличии нескольких пролетов режим сопряжения бьефов усложняется и зависит от последовательности и величины открытия пролетов, суммарной ширины работающих отверстий и  других факторов. При этом в  нижнем бьефе могут наблюдаться различные значения сопряженных и  бытовых глубин, зависящих от величины сбросного расхода, числа работающих отверстий и  величины их открытия, параметров сопрягающего русла и т.п.

396

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов

n4

n3

n2

h3, м

n1

H 0,8H

qB  f(a)

0,6H 0,4H

Q  f(a)

0,2H

Q, м3/с

q0, м3/с с hпр 

dопт

Q  f(hнв)

f(qB)

n1 n2 n3 n4

  f(Q, h) hнв hпр, м

Рис. 5.66. График маневрирования затворами

Для упрощения расчета режима эксплуатации водосбросного сооружения обычно составляют и  пользуются графиками маневрирования затворами (рис.  5.66). Ниже в  качестве примера приведены порядок расчета и  построения графиков маневрирования затворами, предложенных П.П. Орловым и Е.Г. Голиковым. Для построения графиков необходимо рассчитать ряд параметров. В целях упрощения расчет и  аналитические решения рекомендуется сводить в табл. 5.6.

0,2H 0,4H 0,6H 0,7H 1,0H

Число Фруда Frc

Глубина потока в сжатом сечении hc, м

Удельный расход водослива q, м2/с

Высота открытия пролета а, м

Таблица 5.6 Расчет параметров графика маневрирования затворами Суммарный расход через плотину . и вторая сопряженная глубина при числе . работающих пролетов 1

2

3

4

n

Q1 hс ∑Q2 hс ∑Q3 hс ∑Q4 hс ∑Qn hс пр пр пр пр пр

5.5. Водосливные бетонные и железобетонные плотины

397

Удельный расход q = qв = qс можно определить по следующим формулам:

q = ϕεαh3 2 g (H 0 − αh3 ),  если h3  5

c hпр ≈

c 2hпл , 3

c где hпл  — вторая сопряженная глубина для плоской задачи.

398

Глава 5. Водопропускные сооружения при плотинах из местных материалов c

 10,0

hпр hc

8,0

 4  3

6,0 5,0

 5

4,0 3,0 2,0 1,5 2

3

4

5 6 7 8 910

15 20

30

40 50 60 80 100 Frc

Рис. 5.67. График М.З. Абрамова для определения второй сопряженной глубины в пространственных условиях

По  данным табл.  5.6 построим график маневрирования затворами (см. рис.  5.66), по которому определяется оптимальная глубина водобойного колодца. Отметку водобоя находят из условия

с ∇B = ∇PУн.б − σhпр ,

(5.72)

где РУн.б — расчетный уровень нижнего бьефа, соответствующий Qp c при dопт; hпр   — глубина затопления прыжка (вторая сопряженная глубина в пространственных условиях) при dопт; σ — коэффициент запаса, σ = 1,05...1,1.

Глава

6 Затворы гидротехнических сооружений 6.1. Общие сведения о механическом оборудовании гидротехнических сооружений Механическое оборудование гидротехнических сооружений  — это комплекс устройств и  приспособлений, предназначенных для выполнения сооружением технологических задач (управления технологическим процессом, защиты от плавника, мусора и т.п.). В состав механического оборудования входят: ˆˆзатворы, подвижные конструкции для перекрытия отверстий и  регулирования расходов, уровней, перепадов уровней объемов воды в бьефах сооружений; ˆˆсороудерживающие решетки и другие заграждения; ˆˆподъемно-транспортные механизмы и  захватные балки для подъема и  транспортирования затворов, решеток и  др., монтажа и демонтажа оборудования и его транспортирования; ˆˆустройства и  системы маневрирования затворами и  решетками; ˆˆустройства для очистки решеток и  вывоза сора, решеткоочистительные машины. Затвор состоит из трех основных частей: подвижной (пролетного строения), неподвижной (закладных частей) и  механизмов, приводящих в движение подвижную часть. Часто, говоря о затворе, подразумевают только его подвижную часть. В  дальнейшем, чтобы каждый раз не  уточнять, что рассматривается подвижная часть, будем называть ее затвором, но  при

400

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

этом иметь в  виду, что это только одна из его составных частей. Другие части затвора в соответствии с их назначением будут рассматриваться отдельно. Закладные части — это конструкции, заделанные в тело сооружения и  предназначенные для направления движения затворов и  решеток или фиксации их положения, обеспечения водонепроницаемости в  местах контакта затвора с  сооружением, обогрева контактов и защиты кромок и поверхности бетона от разрушения. Опорно-ходовые части  — это устройства для передачи давления от затворов на закладные части (и  через них на сооружение) и фиксации положения затворов. С работой механического оборудования связаны также служебные мосты, подкрановые балки и  крановые пути, трубопроводы, строительные и постоянные эстакады. В состав водоподпорного сооружения могут одновременно входить не  все перечисленные части механического оборудования. Однако затворы в  большинстве случаев являются обязательной частью механического оборудования. Все части механического оборудования встречаются обычно в  сооружениях гидроэнергетических узлов и  водопропускных отверстиях при глухих плотинах с  повышенным напором. В  сооружениях на каналах гидромелиоративных систем в  состав механического оборудования обычно входят только затворы.

6.2. Классификация затворов Признаков, по которым классифицируют затворы, довольно много. По  э к с п л у а т а ц и о н н о м у н а з н а ч е н и ю и   у с л о в и я м р а б о т ы затворы делятся на основные, аварийные, ремонтные (аварийно-ремонтные), строительные. Основные затворы предназначены для пропуска расходов воды, поддерживания уровней воды (перепада уровней), пропорционального деления воды, защиты от наносов. Эти затворы в период эксплуатации должны находиться в  рабочем состоянии и  обеспечивать маневрирование в текущей воде. Аварийные затворы служат для перекрытия отверстия в случае аварии. Они должны гарантировать закрытие отверстия в требуемое

6.2. Классификация затворов

401

время в  текущей воде при любых возможных напорах. Для большинства водохозяйственных объектов скорость сработки затвора для предотвращения аварийной ситуации 0,2...0,5 м/мин. Если требуется большая скорость сработки (водоприемная часть напорных трубопроводов), устанавливают быстродействующие затворы (время перекрытия отверстия исчисляется секундами). Ремонтные затворы предназначены для перекрытия отверстий при ремонте основного затвора или оборудования. Строительные затворы перекрывают отверстия в период пропуска строительных расходов. В  ряде случаев функции затворов совмещают, используя аварийные затворы в  качестве аварийноремонтных или основные в качестве ремонтных и строительных. По  м е с т о п о л о ж е н и ю п е р е к р ы в а е м о г о о т в е р с т и я о т н о с и т е л ь н о у р о в н е й б ь е ф о в затворы делятся на поверхностные и глубинные. Поверхностные затворы предназначены для перекрытия водосливных отверстий. При полном закрытии они не  погружаются целиком под уровень, а  условия работы их более благоприятные, чем глубинных. Глубинные затворы предназначены для перекрытия глубинных (под уровнем) отверстий. Их можно располагать на  входе, посредине или в конце водоводов. Глубинные затворы для напоров 50 м и более относят к высоконапорным. На  мелиоративных системах есть сооружения, затворы которых работают и как глубинные, и как водосливные (водовыпуски из бассейнов суточного регулирования, где в  течение суток уровень срабатывается до отметок, при которых водовыпуск работает по схеме водослива). По  с п о с о б у п р о п у с к а в о д ы различают затворы с пропуском воды из-под затвора, через верх затвора, из-под и  через верх затвора, со всех сторон подвижной части затвора. По  с п о с о б у п е р е д а ч и д а в л е н и я в о д ы н а с о о р у ж е н и е затворы делятся на передающие давление на быки и устои, на флютбет и порог сооружения, на порог и быки (устои), на часть сооружения по периметру глубинного отверстия и не передающие давление воды на сооружение (свободноплавающие). По  с п о с о б у д в и ж е н и я затворы делятся на движущиеся поступательно, вращающиеся, перекатывающиеся и свободноплавающие.

402

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

По  к о н с т р у к ц и и о п о р н о - х о д о в ы х ч а с т е й различают затворы с  опорами качения, скользящими и  с  опорами гидравлического действия. По  м а т е р и а л у различают затворы стальные (наиболее распространенные), из сплавов (например, из алюминиевых), деревянные (применяются редко), тканевые (из прорезиненных тканей или нейлона, капрона, лавсана и др.), композитные. По  в и д у п р и в о д а различают затворы с механическим приводом (ручным и  электрическим), с  гидравлическим приводом, вододействующие, со смешанным приводом (полувододействующие).

6.3. Действующие силы и общие условия работы затворов Силы, действующие на затвор. Расчеты затворов выполняют на основное и особое сочетание нагрузок. Основное сочетание нагрузок определяют при максимальном уровне воды (с учетом ветра) и максимальном напоре при нормальной эксплуатации. Особое сочетание нагрузок наблюдают при форсированном уровне воды с учетом влияния волнений и условий, которые могут возникнуть в катастрофической ситуации. Нагрузки на затворы определяют расчетным путем или экспериментально. Обычно учитывают гидравлические нагрузки, вес затворов, волновые, ветровые, снеговые, монтажные, сейсмические и  др.; статическое давление льда не  учитывают, так как перед затвором поддерживают незамерзающую майну. При расчете действия гидравлических нагрузок определяют гидростатическую (для закрытого положения затвора) и гидродинамическую нагрузку (для промежуточного положения). При частично поднятом затворе, при плохо обтекаемом очертании нижнего ребра возникает вакуум, увеличивающий подъемное усилие. Избежать вакуума можно путем впуска воздуха в  зону разрежения. При промежуточном положении на затвор действует гидродинамическое давление, которое определяют для оценки изменения подъемного усилия, а также пульсаций и напряжений от гидродинамических нагрузок. Последние могут вызвать вибрацию затвора,

403

6.3. Действующие силы и общие условия работы затворов

которая приводит к усталостным явлениям в материале, нарушает связь закладных частей с  бетоном, воздействует на быки, устои и другие части сооружения, может вызвать резонансные явления. Значение и  направление гидродинамической нагрузки на затвор зависят от его формы, размеров и наклона. При маневрировании затворами в текущей воде выполняют расчеты по определению расчетного напора  Hp. Эпюра давлений на обшивку глубинного и  поверхностного затворов приведена на рис.  6.1. Распределение гидродинамических давлений Wг.д для конкретных типов затворовавтоматов определяют обычно экспериментально. На затворах сооружений мелиоративных систем преобладает ножевое уплотнение; оно практически не имеет площади, на которую могло бы действовать в вертикальном направлении давление. Наиболее благоприятен режим истечения из-под затвора при плавно очерченной нижней грани затвора. Вертикальная сила Wг.д, действующая на нижнюю кромку затвора в  зависимости от степени его открытия, может быть направлена вниз или вверх. Нагрузки на затвор рассматривают осредненными во времени. Наиболее ответственные конструкции затворов следует рассчитывать на действие пульсации нагрузок. При проектировании затворов учитывают возможность кавитационной эрозии; предусматривают также защиту затворов от обмерзания. Маневрирование затворами. Подъем и опускание подвижной части затвора составляет процесс маневрирования. Способов пропуска воды через водосливные отверстия при маневрировании затворами может быть несколько (рис. 6.2): из-под затвора, по верху затвора или одновременно из-под затвора и по верху. При опущен-

S1

hз

УВ

a

a

hз

S1

б

Hp

Hp

а

Wг.д

Рис. 6.1. Эпюры давлений на обшивку глубинного (а) и поверхностного (б) затворов

404

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений г

а

б УВ

в УВ

УВ

д УВ

УВ

Рис. 6.2. Схемы маневрирования затворами:

а — затвор поднят частично, поток движется из-под затвора; б — затвор опущен частично, поток движется поверх затвора; в  — поток проходит из-под затвора и  поверх затвора; г  — поток проходит свободно, затвор полностью поднят; д — затвор опущен

ных затворах в пролете течение воды через водослив прекращается. Если же затвор поднять выше уровня воды, поток движется через водослив. Маневрирование затворами связано с  пропуском максимальных расходов, на которые рассчитывается сооружение, пропуском минимальных расходов или промежуточных между ними, сбросом плавающих тел, регулированием заданных уровней воды в  верхнем бьефе. В  зависимости от поставленной задачи принимают ту или иную схему маневрирования затвором. Пропуск льда, плавающих тел и наносов. По водной поверхности рек перемещаются различные плавающие тела, а  в  период половодья  — лед. Ледоход на водотоках  — тяжелый период для гидротехнических сооружений, так как в  это время нагрузка на них особенно повышается. Лед и плавающие тела лучше пропускать через пролеты сооружения при полностью поднятых затворах, если расходы воды при этом позволяют поддерживать заданные уровни в верхнем бьефе. Отдельные льдины можно также пропустить через пролеты при частично опущенных затворах  — на (0,15...0,25)Н. Однако «подныривание» льдин может привести к ударам по затворам и их повреждению. Лед и плавающие тела при малых расходах свободно пропускаются в  опускных затворах или через подъемные и  сдвоенные затворы, а также затворы с козырьком.

6.3. Действующие силы и общие условия работы затворов

405

Донные наносы, влекомые потоком воды, лучше смывать при полностью поднятых затворах в пролетах, менее эффективен смыв при частично поднятых затворах (при истечении потока воды из‑под затвора). Эксплуатационные требования к  затворам. Маневрирование затворами осуществляется стационарными лебедками, передвижными кранами, а при небольших пролетах — ручными подъемниками. Применение электрических подъемных механизмов характерно для затворов в  крупных гидроэнергетических гидроузлах. В  гидромелиоративных сооружениях чаще применяют ручной привод, иногда выполняют комбинированный — с электро- и ручным управлением. Нарушение работы затворов может привести к  тяжелым последствиям. Поэтому к  затворам и  механическому оборудованию предъявляется ряд требований: ˆˆвысокая надежность (выполнение заданных функций с  сохранением эксплуатационных показателей в  течение требуемого промежутка времени); ˆˆбезотказность в работе; ˆˆводонепроницаемость контактов затвора с сооружением; ˆˆнеобходимая скорость и диапазон маневрирования; ˆˆминимальная мощность механизмов для операций с затвором; ˆˆдублирование управления (при необходимости); ˆˆмаксимально возможное использование энергии потока воды для обеспечения выполнения функций затворов (применение вододействующих затворов-автоматов, гидродействующих систем маневрирования и т.п.); ˆˆудобство монтажа, ремонта, осмотра; ˆˆсовмещение (по возможности) нескольких функций, выполняемых затвором (например, регулирование, учет и т.д.); ˆˆдля ремонтных затворов  — возможность перестановки из одного отверстия в другое, что сокращает их число до 1–2 в многопролетных сооружениях; ˆˆдля аварийных затворов — быстродействие.

406

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

6.4. Виды поверхностных затворов Разнообразие и  неповторимость индивидуальных условий работы различных гидротехнических сооружений обусловили большое многообразие видов и вариантов конструкций поверхностных затворов  — их известно более 90. Многие из них предложены очень давно и  имеют сейчас лишь исторический интерес, а  часть применяется и в настоящее время. Наиболее распространенные виды поверхностных затворов. Плоские затворы (рис.  6.3,  а) представляют собой плоскую ригельную конструкцию, поступательно перемещающуюся в пазах на скользящих или колесных опорах и передающую давление воды на быки. Воду пропускают с  одной стороны от подвижной конструкции — из-под затвора. Плоскими затворами перекрывают отверстия пролетом до 30...40 м при напоре до 12...15 м. Этот вид затворов (простейший по конструкции и древнейший по происхождению) наиболее распространен в наше время (более 80  % поверхностных затворов). Плоскими затворами оборудуют водосливные плотины, регуляторы на каналах, входные устройства береговых водосбросов, сопрягающих сооружений и  речных водозаборов. В виде плоских затворов выполняют верхние основные и  аварийные ворота судоходных шлюзов. Плоские затворы используют как основные, аварийные, ремонтные, строительные. Аварийные и  ремонтные затворы выполняют плоскими в  подавляющем большинстве случаев (даже при основном затворе иного типа). Шандорные затворы (рис. 6.3, б) состоят из отдельных балок (шандор), укладываемых в пазы друг на друга. Каждая балка представляет собой либо брус (деревянный или железобетонный), либо небольшой плоский ригельный затвор. Известны шандорные затворы из круговых арочных балок. Обычно шандорные затворы используют при сравнительно малых пролетах отверстий (до 10...12  м) и малом напоре (до 5...6 м), как правило, в качестве ремонтных заграждений. Маневрирование ими требует больших затрат времени и  труда, в  том числе ручного. В  настоящее время шандорные затворы применяют довольно редко. Сегментные затворы (рис. 6.3, в) имеют сегментообразное ригельное пролетное строение, опирающееся через фермы («ноги»)

407

6.4. Виды поверхностных затворов 4 I

а 2 1 УВ

II

б

4

3

4 УВ

14 2

1 42 5

в

А 2

УВ

г 3

А А

УВ 1

1 Вид А (варианты)

А–А УВ

УВ

УВ

УВ

I д 1

1 20

2

20

УВ

Рис. 6.3. Наиболее распространенные виды поверхностных затворов:

а  — плоские (I  — со скользящими опорами; II  — c  опорами качения); б  — шандорные; в — сегментные; г — полноповоротные (I — возможные положения полноповоротного затвора); д  — двухстворчатые ворота; 1  — обшивка; 2  — ригели; 3  — диафрагмы; 4  — опорно-концевые стойки; 5  — шандорные балки (стальные деревянные или железобетонные); стрелки  — направление тяги привода

408

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

на шарниры, передающие давление воды на быки. Центр кривизны обшивки обычно находится на оси шарниров. Пролеты отверстий, перекрываемых сегментными затворами, больше, чем у плоских, — до 40...50  м, напор на них может достигать 12...18  м. По  степени распространенности сегментные затворы занимают второе место после плоских и  используются исключительно в  качестве основных на водосливных плотинах, в  регуляторах и  других сооружениях на каналах, на входе в открытые водосбросы и водозаборные сооружения, а  также в  качестве верхних (опускных) ворот судоходных шлюзов. Полноповоротные (сегментные уравновешеные) затворы (рис. 6.3, г) представляют собой жесткую обшитую со всех сторон трубообразную балку. Фланцы балки со встроенными противовесами опираются на шарниры в быках. Привод затвора односторонний, затвор можно повернуть на 360°. Полноповоротные затворы перекрывают отверстия пролетом до 30  м при напоре до 5...7  м, однако это, по-видимому, не  предел. Их  применяют в  тех же случаях, что и  сегментные, в  основном в  качестве ворот судоходных шлюзов с головным питанием. Применение полноповоротных затворов в качестве основных перспективно и для других сооружений. Шлюзные двустворчатые ворота (рис. 6.3, д) представляют собой две плоские створки, вращающиеся вокруг вертикальных осей и поддерживающие друг друга в закрытом поло­жении. Каждая створка выполнена как ригельная металлическая конструкция. Створки в  закрытом положении повернуты в  сторону верхнего бьефа под углом 20° и  образуют трехшарнирную систему с  распором. Ворота предназначены для поддержания только статической разности уровней, маневрируют ими при отсутствии напора. При полном открытии створки помещают в  углубления («шкафы») в  быках. Двустворчатые ворота перекрывают отверстия пролетом до 30 м при напоре до 45 м. Как правило, их используют в качестве нижних ворот средненапорных судоходных шлюзов (иногда и в качестве верхних ворот). Двустворчатые шлюзные ворота относятся к  категории основных затворов. Иногда их применяют и  как ремонтные затворы. Относительно редко применяемые виды поверхностных затворов. Ниже описаны затворы, применяемые лишь в  некоторых

409

6.4. Виды поверхностных затворов

случаях со  специфическими требованиями к  затвору или специфическими условиями эксплуатации сооружения. Клапанные затворы (рис. 6.4, а) представляют собой плоские стальные конструкции, вращающиеся вокруг горизонтальной оси, которая расположена вблизи порога. Нагрузка на порог передается с помощью ряда шарниров с общей пространственной (а иногда и  конструктивной) осью. Клапан можно поднимать за один или а

б

УВБ

УВБ

УВБ

3

УВБ

2 1

1 60...70 УНБ

УВБ

УН I

УВБ УВБ

УВБ

в УВБ

УВБ

1 УНБ

1 УНБ УВБ

УВБ 1

1

4

1

4

Рис. 6.4. Относительно редко применяемые виды поверхностных затворов (окончание см. на с. 410) а — клапанные; б — вальцовые (I — вальцовые с козырьками); в — секторные; 1 — обшивка; 2 — ригели; 3 — зубчатая опора; 4 — система труб для управления подачей воды в камеру давления

410

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений г

д

УВБ

УВБ

6 УВБ

1

УВБ 5 1

6 УВБ

5 1 5

1

7

1

2

УВБ

8 УВБ

10

УНБ

1

9 УНБ

8

УНБ

7

ж

е 7

УВБ

12 11

УВБ

12 УВБ

10

УВБ

11

12

13

7

15 з

и

УВБ УВБ

15 УВБ

УНБ 14

УВБ

УВБ А

А–А 16

15

17 УНБ

16 17 А УНБ

к УВБ

УВБ 19

20

18

Рис. 6.4. Окончание (начало см. на с. 409)

г — крышевидные; д — с поворотными фермами; е — с поворотными рамами; ж  — мостовые; з  — наполняемые на плотине; и  — мембранная плотина на канале; к — плавучие; 1 — обшивка; 2 — ригели; 5 — каток между полотнищами; 6  — служебный мостик; 7  — ниша для укладки рам и  ферм; 8  — фермы Поаре; 9  — фермы Пузыревского; 10  — цепь для укладки рам и  ферм; 11  — мост; 12 — стойки; 13 — упор на пороге; 14 — положение оболочки в пролете; 15  — анкеры заделки несущего троса 16 з  берегах; 17  — водонепроницаемая ткань; 18  — крепление оболочки ко дну; 19 — батопорт на плаву; 20  — батопорт на месте

6.4. Виды поверхностных затворов

411

за  два конца  — в  зависимости от его жесткости и  пролета отверстия. Воду и плавающие тела пропускают над клапаном. При полном открытии отверстия клапан укладывают на флютбет. Клапанные затворы могут перекрывать отверстия пролетом до 60  м при напоре до 3...4 м (обычно пролеты не превышают 20...30 м). Известно много вариантов клапанных затворов, отличающихся способом перемещения, числом шарниров (до двух при небольших пролетах), а также формой обшивки или наличием обшивки с низовой стороны полотнища. Клапанные затворы применяют, как правило, в качестве основных. Их используют на плотинах и в водозаборных сооружениях для сброса в  нижний бьеф льда, шуги и сора с минимальной потерей воды. Вальцовые затворы (рис.  6.4,  б) представляют собой трубо­ образные (обычно круглого сечения) стальные балки, расположенные поперек потока и выкатываемые по наклонным путям на быках. Жесткая балка затвора может перекрывать отверстия пролетом до 100 м при напоре до 9 м. Рабочие пути выполнены в виде зубчатых стальных реек, а  торцы балки, обязательно круглые, снабжены зубчатыми бандажами. Привод затвора односторонний. Для увеличения высоты перекрываемого отверстия и  улучшения гидравлики вальцы часто снабжают козырьками. Обычно воду пропускают из-под затвора. Известны схемы с  пропуском воды над затвором, обеспечивающие сброс льда и сора без большой потери воды. В условиях сурового климата предусматривают обогрев внутренней полости вальцов. Вальцовые затворы применяют на водосливных плотинах в качестве основных при необходимости создания больших открытых пролетов для пропуска льда. Секторные затворы (рис.  6.4,  в) имеют пролетное строение в  виде сектора кругового цилиндра с  двумя (или более) водонепроницаемыми обшивками по цилиндрической напорной и одной из радиальных поверхностей. Нагрузка на порог (флютбет) передается через шарниры, расположенные обычно вдоль пролета под каждой фермой-диафрагмой. Затвор может быть опущен в  нишу («камеру давления») в бетоне. Воду и плавающие тела пропускают только над затвором. Как правило, секторные затворы выполняют вододействующи­ ми. Их подъем или опускание происходит вследствие подачи воды

412

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

в камеру давления из верхнего бьефа или при сливе ее из камеры давления в  нижний бьеф через систему каналов в  теле сооружения. Известно много конструкций секторных затворов и  систем управления ими. На торцах затвора и вдоль пролета расположены уплотняющие устройства, обеспечивающие не  только плотное закрытие отверстия, но и уплотнение камеры давления. С нарушением последней функции уплотняющих устройств возможен отказ затвора. Затворы с  камерой давления недостаточно надежны при наличии в потоке наносов, которые могут попасть в камеру и шарниры. Секторные вододействующие затворы применяют на водосбросных сооружениях (плотинах, входных устройствах береговых водосбросов, аварийных водосбросах) в качестве основных для автоматического регулирования уровня верхнего бьефа, сброса льда и плавающих тел при напоре до 10...12 м. Размер перекрываемого отверстия в  принципе не  ограничен, так как затвор в  каждом поперечном сечении «плавает» и не подвергается изгибу вдоль пролета, а горизонтальная нагрузка передается на шарниры, рассредоточенные по пролету. Пролет выбирают из соображений пропуска льда, а также технологии монтажа и ремонта затвора. Крышевидные затворы (рис. 6.4, г) имеют два плоских полотнища, вращающихся вокруг осей на шарнирах. Каждое полотнище аналогично клапанному затвору. Верховое полотнище опирается на низовое, которое воспринимает часть нагрузки и передает ее на порог через шарниры. В поднятом положении затвор образует как бы двускатную крышу (отсюда и название). Для маневрирования затвором полость между полотнищами и флютбетом («камеру давления») заполняют водой до необходимого уровня с помощью системы труб с задвижками. При маневрировании полотнища скользят друг по другу. При полном открытии их укладывают в углубление на флютбете. Воду и плавающие тела пропускают над затвором. Крышевидные затворы поддерживают напор до 7...8 м при пролетах отверстий до 50  м. Затвор применяют в  качестве основного на низконапорных водосливных плотинах для точного регулирования уровней, пропуска льда и плавающих тел, а также плотов и судов на лесосплавных и  судоходных реках (во время паводка, когда при открытом затворе перепад не  превышает 0,1...0,3  м). Крышевидные затворы плохо работают при обилии наносов и в зимних условиях.

6.4. Виды поверхностных затворов

413

Затворы с  поворотными фермами (рис.  6.4,  д) состоят из ряда плоских ферм, шарнирно-укрепленных на флютбете на расстоянии 1,5...3  м друг от друга. Верхние пояса ферм соединены служебным мостиком. На  фермы опираются плоские деревянные или стальные щитки без уплотняющих устройств, устанавливаемые с мостика. Для пропуска воды часть щитков снимают. После съема всех щитков мостик разбирают. Фермы, связанные поверху цепью, поворачивают вокруг шарниров и укладывают друг на друга на флютбет (в одном из устоев, который выполняют широким, для укладки ферм предусмотрена ниша). После этих операций, выполняемых вручную (средствами малой механизации), отверстие может пропускать лед, плавающие тела и суда (иногда такие затворы называют судоходными). Затворы с  поворотными фермами перекрывают отверстия неограниченных пролетов (достигнутый пролет 200  м) при напоре до 5  м. Работы по укладке и  установке затвора требуют значительного времени (до 2 сут.), затвор не может удовлетворительно работать зимой, он неприемлем при большом количестве наносов. Этот тип затвора применяют в  качестве основного на реках и каналах для создания сезонного регулируемого подпора и в  качестве ремонтного в  судоходных шлюзах или на плотинах, снабженных другими типами затворов с большими пролетами. Затворы с поворотными рамами (фермы Томаса) (рис. 6.4, е) состоят из ряда плоских статически неопределимых треугольных рам шириной 0,6...1 м без затяжек. Рамы закреплены на флютбете с помощью шарниров. Прилегая вплотную друг к другу, рамы перекрывают все отверстие без дополнительных щитков. Уплотняющие устройства между рамами отсутствуют, необходимая степень плотности закрытия (невысокая) достигается механическим прижатием рам друг к другу. Рамы укладывают на флютбет аналогично фермам затворов с поворотными фермами. Затвор работает только в предельных положениях — открытом или закрытом. Пролеты отверстий и напоры аналогичны принимаемым для затворов с поворотными фермами. Затвор используют в  качестве ремонтного в  судоходных сооружениях, на плотинах (перед большепролетными основными затворами) и перед сооружениями на каналах, а также в качестве

414

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

основного на судоходных и лесосплавных водотоках для создания временного нерегулируемого подпора. Мостовые (стоечно-плоские) затворы (рис.  6.4,  ж) представляют собой ряд стоек (рам), опирающихся на уступ флютбета и мост между устоями (быками). Стойки служат опорами и рабочими путями для деревянных (реже металлических) щитов. Для открытия отверстия щиты поднимают по стойкам выше уровня воды. Для пропуска судов или плавающих тел стойки (вместе со щитами или без них) приподнимают для снятия их с  уступа на пороге, разворачивают в  горизонтальное положение и подвешивают под мостом. Пролеты между стойками составляют 2...4 м. Пролет всего затвора ограничен лишь конструкцией моста, воспринимающего 1/4...1/5 полной горизонтальной нагрузки на затвор. Известны пролеты мостовых затворов до 60 м. Затворы этого типа обычно применяют при напоре 2...3 м (в отдельных случаях до 6...7  м) там, где создание моста необходимо для выполнения других функций сооружения (обычно транспортных). Их используют как основные затворы для создания временного регулируемого подпора на лесосплавных и судоходных водотоках или как ремонтные затворы на плотинах и шлюзах, имеющих подходящие мосты. Наполняемые затворы и мембранные плотины (рис. 6.4, з, и) представляют собой соответственно замкнутые и незамкнутые мягкие оболочки, изготовленные из прочных синтетических (иногда армированных) тканей, закрепляемые на пороге сооружения и на устоях или берегах. К категориям затворов эти устройства относят по функциональному, а не по конструктивному признаку. Оболочки наполняемых затворов (см. рис.  6.4,  з) с  торцовых сторон (со стороны устоев) закрыты тканевым «дном» или прикреплены к  бетону. Внутрь оболочки подается вода под регулируемым насосной установкой давлением, при работе зимой — воздух (или вода и воздух). В зависимости от соотношения давлений снаружи и внутри оболочка может принимать различные формы — от наполненной оболочки, перекрывающей отверстие, до опорожненной, уложенной на флютбет. Для регулирования расхода воды в  пролете используют частично наполненную оболочку. Затвор может поддерживать напор до 3...6  м. Пролеты перекрываемых отверстий, в  принципе, ничем не  ограничены, так как затвор

6.4. Виды поверхностных затворов

415

не подвергается прогибу поперек пролета (обычно пролет составляет 10...30  м). Растягивающие усилия вдоль пролета имеются только в области торцов, где они воспринимаются тканью. Наполняемые затворы могут быть использованы в  качестве основных для перекрытия отверстий с  большими пролетами на плотинах, реках и  каналах, для пропуска судов и  плавающих тел, создания временного или постоянного подпора. Затвор неприменим в условиях сурового климата, а также при наличии таких плавающих тел, которые могут повредить тканевую оболочку. Мембранные плотины передают силы растяжения ткани напором воды на несущий трос, заанкеренный на берегу или в  быках. Существенного перелива воды они не  допускают. Их  можно использовать для создания временного (сезонного) подпора на водотоках. Плавучие затворы (батопорты) (рис.  6.4,  к) представляют собой плавающую конструкцию (стальную или железобетонную), доставляемую в  пролет на плаву (буксиром). После наполнения внутренних отсеков плавучего затвора водой он погружается и работает как обычный плоский затвор. Плавучие затворы используют в качестве ремонтных или временных строительных заграждений, устанавливаемых в  стоячей воде. Их  применяют для закрытия отверстий, если эта операция является редкой и маловероятной, ввиду чего создание стационарного ремонтного затвора экономически нецелесообразно. Плавучие затворы иногда оказывается возможным установить в  отверстиях, приспособления для закрытия которых при проектировании не были почему-либо предусмотрены. Особые виды поверхностных затворов. Для сброса шуги, льда и  других плавающих тел требуется полное поднятие затвора, что связано с излишним расходованием воды. При значительных высоте и пролете необходимы большие подъемные усилия, т.е. мощные подъемные механизмы и  увеличение высоты и  толщины быков. Для устранения этих недостатков применяют особые конструкции затворов (рис. 6.5). Известны затворы, соединяющие конструктивные признаки двух или нескольких из описанных видов затворов в целях получения дополнительных эксплуатационных возможностей при маневрировании ими. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

416

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений б а УВ

УВ

2

г

УН

УВ

2

7 6 5 1 4

1

I

УВ

II

УВ

8 9

2 3

в

2

УВ

10

д 2

е УВ

УН

УВ

2 УН

2 УН

Рис. 6.5. Особые виды поверхностных затворов:

а  — многосекционный; б  — сдвоенный (I, II  — пропуск расходов соответственно над верхней секцией и  из-под нижней секции сдвоенного затвора); в  — плоский с  опускным клапаном; г  — сегментный с  опускным клапаном; д  — двухобшивочный сегментный с  подъемным сегментным клапаном; е  — вальцовый с  нижним козырьком и  опускным клапаном; 1  — межсекционное уплотнение; 2 — направление тяги привода; 3 — межсекционная сцепка; 4 — нижняя секция; 5 — межсекционное колесо; 6 — стойки верхней секции; 7 — ригель верхней секции; 8 — обтекаемая обшивка верхней секции; 9, 10 — колесные тележки соответственно верхней и нижней секций

Плоские многосекционные затворы (рис.  6.5,  а) состоят из ряда двух- или трехригельных секций, соединенных стальными сцепками. Затвором маневрируют целиком — всей «стенкой» (как обычным плоским затвором). Извлечение из пазов, транспортирование и  монтаж затвора проводят аналогично шандорному затвору, что позволяет более удачно компоновать подъемно-транспортные механизмы. Плоские сдвоенные затворы (рис. 6.5, б) состоят из двух плоских затворов, перемещающихся в общих пазах независимо (в определенных пределах) друг от друга. Низ верхней стоечной секции с  мощным верхним ригелем перемещается на колесах по нижней секции, представляющей собой обычный плоский затвор. Между секциями имеется уплотняющее устройство. Несущий ригель верхней секции имеет криволинейную обшивку удобообтекаемой формы.

6.5. Виды глубинных затворов

417

При подъеме нижней секции можно пропускать воду из-под затвора; при опускании верхней секции можно пропускать воду над затвором или сбрасывать плавающие тела без излишней потери воды. Для поддержания обеих секций в пазах над водой требуется меньшая высота быков, чем для обычного плоского затвора. Этот затвор соединяет конструктивные признаки плоских, шандорных, клапанных и мостовых затворов. Затворы с  клапанами (плоские, сегментные, вальцовые) (рис. 6.5, в–е) имеют на своей верхней кромке клапанный затвор, шарниры которого в  отличие от обычного клапанного затвора укреплены на основном затворе. Клапан выполняется удобооб­ текаемой формы, что также обеспечивает его высокую жесткость в пролете. Привод клапана независим от привода затвора. Клапан позволяет осуществлять сброс воды и  плавающих тел над затвором. У  сегментных затворов иногда применяют клапаны в  виде небольших сегментных затворов с  общей для клапана и  главного затвора осью вращения.

6.5. Виды глубинных затворов Глубинные затворы менее разнообразны, чем поверхностные, поскольку круг функций глубинных водопропускных отверстий более ограничен (они, как правило, не  осуществляют сброс льда и  плавающих тел или пропуск судов). Глубинные отверстия выполняют круглыми (квадратными) или прямоугольными (овальными) с соотношениями высоты и ширины не более 2,5...3 : 1. В водоводах, перекрываемых глубинными затворами, принято выделять затворные камеры  — часть водовода, служащую для помещения самого затвора и  сопрягающую отводящие и  подво­ дящие участки водовода с  местом установки затвора. В  пределах затворной камеры нередко изменяют форму и  размеры сечения водовода для улучшения режима течения воды, располагают раздельные бычки при перекрытии одного водовода несколькими параллельными затворами, соединяют и  разделяют потоки. Для защиты стенок камеры от динамических, кавитационных и  абразивных воздействий потока устраивается стальная облицовка, связанная с закладными частями затвора.

418

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

По конструктивному исполнению затворных камер глубинные затворы подразделяют на две группы: 1) глубинные затворы с камерами, облицовка которых омоноличена с бетоном сооружения (рис. 6.6): плоские, сегментные, обратные сегментные, вертикальные цилиндрические и др.; 2) глубинные затворы с камерами в виде самонесущего стального корпуса (рис.  6.7): плоские задвижки, дисковые (дроссельные), игольчатые и  конусные, шаровые, поворотные цилиндрические и др. а

УВ

б Б

УВ

Б

I

УН

5 3

2

1

2

2

3

2

УВ

I

А

5

2

3 4

4

3

6 УН

УН

А

6 А–А

4

Б–Б

4

г

А

6

А

1

1

3 в

2

3

7

8 УВ УВ

9

10

УВ

А–А УВ

УВ

6

Рис. 6.6. Глубинные затворы с камерами, облицовка которых омоноличена с бетоном сооружения: а — плоские; б — сегментные (I — варианты установки сегментного затвора); в — обратные сегментные (I — установка обратного сегментного затвора); г — вертикальные цилиндрические; 1  — опорно-концевые стойки; 2  — обшивка; 3 — ригели; 4 — диафрагмы; 5 — «ноги» затворов; 6 — опорные шарниры; 7 — бочарные затвор; 8 — направляющие бочарного затвора; 9, 10 — затопленный цилиндр, соответственно открытый и закрытый

419

6.5. Виды глубинных затворов 1

а

2

б

6

5

Узел I

7 IM

3

3 4 4

в 8

A

г

3

3

9

9

A

3

2 д

10

12

3

3

14 15 1617 18 19

13

A–A

2

3

11 3

1

10 3

21

20

23 22

е 24

1

25 26 27 K

28 3

29 29

3 1

24

Узел K 26

30 УН

25

Рис. 6.7. Глубинные затворы с камерами в виде самонесущего стального корпуса: а  — плоские задвижки; б  — дисковые; в  — шаровые; г  — поворотные цилиндрические; д — игольчатые; е — конусные; 1 — приводы задвижек и затворов; 2  — запирающий клиновый диск задвижки; 3  — уплотняющие элементы затворов (бронзовые или резиновые); 4 — байпас; 5, 6 — положение диска соответственно при закрытом и открытом затворе; 7 — обтекание диска и появление момента; 8 — патрубок шарового затвора; 9 — уплотняющий сферический

420

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

сегмент; 10, 12  — вальцы соответственно одновальцового и  двухвальцового затвора; 11 — положение вальцов при закрытии; 13 — труба питания полости А; 14 — корпус игольчатого затвора; 15 — ребра, несущие игольчатый затвор; 16 — неподвижная капсула; 17 — подвижный плунжер с рабочей «иглой» (пунктиром показано положение полного закрытия); 18 — труба для выпуска воды из полости Б; 19 — механический клапан выпуска воды из полости А через торец «иглы»; 20 — воздухоподводящий коллектор; 21, 22 — установка игольчатого затвора с истечением соответственно в атмосферу и закрытый водовод; 23 — область кавитации, не  повреждающей стенок водовода; 24  — неподвижный патрубок конусного затвора; 25 — ребра, несущие конус 27; 26 — подвижный патрубок (пунктиром показано положение полного закрытия); 28 — насадка, установленная на конусном затворе; 29  — отверстия для подвода воздуха к струе; 30 — камера гашения, установленная на сооружении

В  глубинных затворах предусматривают меры против кавитационной эрозии: герметичность уплотнений, подача воздуха в зоны вакуума. К ним предъявляют высокие требования к качеству изготовления и монтажа.

6.6. Плоские затворы 6.6.1. Простейшие затворы Шандоры. Затворы, подвижная часть которых состоит из ряда отдельных горизонтальных балок (шандор), движущихся поступательно в  пазах сооружения и  укладываемых одна на другую, называют шандорными. В результате последовательной укладки шандор друг на друга в пролете сооружения образуется шандорная стенка, поддерживающая заданный уровень воды в  верхнем бьефе. Шандорные затворы устанавливают перед основными, когда они опущены. Небольшие пролеты сооружений (до 3  м) перекрывают деревянными шандорами, с увеличением пролетов переходят к металлическим или железобетонным. Деревянные шандоры (рис. 6.8, а–в) представляют собой брусья, а  при малых пролетах  — доски прямоугольного сечения. Деревянные шандоры поднимают и  опускают вручную баграми, зацепляя за штыри или крюки. Водонепроницаемость по стыку между отдельными шандорами обеспечивается без дополнительных

421

6.6. Плоские затворы а б

г

в

д

е

Рис. 6.8. Шандоры:

а–в — деревянные; г, д — металлические; е — железобетонные

устройств за счет усилий на посадку, когда набирается шандорная стенка. Пролеты шириной более 3...4 м перекрывают металлическими шандорами (рис. 6.8, г, д). Их выполняют сплошными из прокатных профилей; для больших пролетов применяют сквозные сварные конструкции в  виде ферм. Предел применения шандор со сплошной или решетчатой стенкой определяют расчетом. Отдельную шандору рассчитывают как балку, лежащую на двух опорах, с  равномерно распределенной нагрузкой от гидростатического давления воды. Водонепроницаемость по стыку шандор достигается за счет контакта деревянных брусьев при наложении шандор одна на другую. Находят применение и  железобетонные шандоры различных профилей (рис. 6.8, е). Большой вес позволяет опускать такие шандоры в пролеты без посадочных усилий. Спицевые затворы. Ряд деревянных или металлических балок (труб), свободно опирающихся вверху на горизонтальную балку, а внизу на порог сооружения, образует спицевый затвор (рис. 6.9).

422

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

Их  применяют для перекрытия больших пролетов с  незначительной глубиной воды. Деревянные спицы представляют собой брусья прямоугольного сечения, поставленные вплотную друг к  другу. Для удобства установки и маневрирования спицы располагают наклонно. Спицами перекрывают длинные про- Рис. 6.9. Спицевый затвор леты (при напорах до 4 м). Они удобны для регулирования подпора при пропуске небольших расходов через перегораживающее сооружение; вода выпускается через узкие щели между спицами, и  обеспечивается хорошее успокоение потока в нижнем бьефе. Безригельные затворы. Подвижная часть безригельных затворов представляет собой щит из досок или металлического стального листа. Пролеты, перекрываемые безригельными металлическими затворами, не превышают 2 м, а плоскими деревянными — 1,6 м. Доски в щитах соединяют между собой в четверть или шпунт. Плотность примыкания досок в щите обеспечивается двумя деревянными шпонками клинообразной формы, забиваемыми с  усилием. Шпонки выполняют формой по типу ласточкиного хвоста. Дополнительно жесткость щита обеспечивается двумя металлическими полосами, прикрепленными по краям щита (рис.  6.10).

1L 4

1L 2

1L 4

L

Рис. 6.10. Безригельный деревянный затвор-щит

423

6.6. Плоские затворы

Верхнюю часть полосы загибают в виде крючка, за который цепляют багор при ручном подъеме или петлю каната при подъеме воротом, установленным на служебном мостике. Деревянные затворы (щиты) применяются, главным образом, на водопропускных сооружениях рыбоводных прудов. В сооружениях на каналах гидромелиоративных систем широко распространены безригельные металлические затворы с  ручным винтовым подъемником (рис.  6.11). Подвижная часть такого затвора представляет собой металлический щит, усиленный ребрами жесткости. Поступательное перемещение щита происходит в пазах рамы, высота которой несколько больше двойной высоты щита. На водорегулирующих сооружениях (трубах-регуляторах) гидромелиоративных систем в настоящее время применяются в основном плоские простейшие затворы, иногда циркульные и коробчатые. Последние получили свое название по объемной форме самого затвора и очертанию передней (фронтальной) части затвора (закругленная или коробчатая). Их  использование позволяет резко снизить величину подъемного усилия и, главным образом, пропускать меженные расходы, не  нарушая посадки затвора, так как верхняя кромка затвора расположена на отметке требуемого подпорного уровня воды в канале. Это имеет очень важное значение для каналов мелиоративных систем, где бытовые расходы близки к  нулю и  любое маневрирование затвором приводит к  увеличению проа

I–I

I

Рис. 6.11. Металлический плоский затвор: а — вид с верхнего бьефа; б — план

б

I

424

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

3 2

1

Рис. 6.12. Коробчатый затвор:

1  — передняя стенка; 2  — деревянные шандоры; 3  — винтовой подъемник

течек воды по контуру примыкания подвижной и  неподвижной частей затвора, особенно в донной части. Следует также отметить, что в  коробчатых затворах передняя стенка затвора в  верхней части (по высоте около 0,50  м) имеет шандорное заграждение, что позволяет регулировать уровень воды в канале в пределах 0,50 м путем маневрирования шандорами без перемещения самого затвора (рис. 6.12).

6.6.2. Плоские ригельные затворы При пролетах больше 2  м применяют металлические плоские ригельные затворы. Они широко распространены в гидротехнических сооружениях из-за их достоинств: ˆˆперекрывают пролеты до 30 м и больше при напоре до 15 м; ˆˆприменимы на водосливах любого очертания; ˆˆтребуют небольшой длины быков и устоев; ˆˆимеется возможность поднимать затвор и переносить из пролета в пролет (взаимозаменяемость), условия переноса позволяют проводить их ремонт вне пролета на специальных монтажных площадках; ˆˆпростота конструкции; ˆˆстоимость по сравнению с другими типами затвора ниже;

425

6.6. Плоские затворы

ˆˆразнообразие конструкций позволяет применять наиболее удобный тип для заданных условий эксплуатации сооружения. К недостаткам плоских затворов можно отнести значительное подъемное усилие при больших размерах отверстий и  вледствие этого высокую стоимость подъемных механизмов. Для маневрирования плоскими затворами требуется повышенная высота бычков и  устоев, а  также увеличенная ширина бычков, необходимая по условиям размещения пазов и закладных частей в них. При расчете и конструировании плоских затворов используют следующие размеры (рис. 6.13): Lпрл — пролет, перекрываемый затворами (размер отверстий в  свету); Lрас  — расчетный пролет затвора, измеряемый по осям опорно-ходовых частей; Lгр — грузовой пролет, определяемый положением боковых уплотнений, изме­ няется от Lпрл до Lрас или имеет промежуточное значение между этими величинами. Расчетный пролет затвора можно ориентировочно определить по формуле

Lрас = Lпрл + 2d,



(6.1)

где d — расстояние от кромки паза затвора до оси опоры, приближенно можно принять d  = (0,02...0,03)Lпрл; Lпол  — геометрическая (полная) длина затвора, измеряемая от наружных плоскостей, опор­ но-концевых стоек. В пределах грузового пролета действует сила гидростатического давления воды. Lгр 2

2

1

Lпрл Lрас

1

Lпол

Рис. 6.13. Размеры подвижной части затвора:

Lпрл — пролет в свету; Lрас — расчетный пролет; Lпол — геометрическая (полная) длина затвора; Lгр  — грузовой пролет; 1  — опорно-ходовые части; 2  — боковые уплотнения

426

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

Расчетную высоту плоского поверхностного затвора определяют как разность между НПУ и порогом сооружения. Геометрическую высоту затвора принимают больше расчетной, чтобы при опущенных затворах не  допустить перелива воды через его верх, например при волновом воздействии и т.д. Пролетное строение плоского двухригельного затвора показано на рис. 6.14. Несущую конструкцию, состоящую из обрешетин (горизонтальных балок) и стоек, на которую опирается обшивка, называют балочной клеткой или набором затвора. Верхняя и нижняя обрешетины служат горизонтальной обвязкой каркаса, причем нижнюю используют для прикрепления донного уплотнения. Боковые стойки, их называют опорно-концевыми, отличаются от остальных стоек назначением и  конструкцией, поэтому рассматриваются отдельно. Расстояние между осями балок (шаг) из условия устойчивости обшивки выбирают в пределах (50...60)δ, где δ — толщина обшивки. Пространство между балками представляет собой панель балочной клетки, которую выполняют с  вертикальным (высота панели больше ее длины) или с  горизонтальным набором (длина панели больше ее высоты). В большинстве случаев применяют балочную 1

2

3

4

5

6

3 0,4Н

2 3Н

7

1 3Н

Pгор

8

9

1 (0,42...0,48)Н

(0,12...0,18)Н

8

Рис. 6.14. Составные части пролетного строения плоского двухригельного затвора: 1 — ригели; 2 — обрешетины; 3 — верхняя обвязка; 4 — стойки; 5 — концевые стойки; 6  — обшивка; 7  — поперечные связи; 8  — нижняя обвязка; 9  — продольные связи

6.6. Плоские затворы

427

клетку с  горизонтальным набором и  только в  высоких затворах при малых пролетах переходят к вертикальному набору. Различают две системы балочного набора: поперечную, у которой обрешетины разрезаны у стоек, и продольную, когда обрешетины идут без разрезки, а стойки ставят разрезными. В  металлических затворах для обшивки чаще всего используют листовую сталь, реже применяют дерево или арктилит. Толщину обшивки определяют расчетом для наиболее нагруженной гидростатическим давлением панели. В практике толщина обшивки не  превышает 20...26  мм. Независимо от расчетной толщины обшивку принимают не менее 6 мм. Такое ограничение необходимо для придания жесткости всей конструкции и избежания вмятин при случайных ударах по обшивке. Ригелями называют основные горизонтальные балки, которые воспринимают все нагрузки, действующие на затвор. Ригели, воспринимающие давление воды и  передающие его опорно-концевым стойкам, выполняют при пролетах Lp до 5 м из прокатных профилей; с увеличением пролета — в виде двухтавровых балок составного сечения высотой (1/7...1/9)Lp и  ферм (при Lp  >  20  м) высотой (1/6...1/8)Lp. Для уменьшения ширины пазов высоту ригеля на опоре доводят до 0,4...0,5 его высоты в  пролете. Ригели располагают по высоте с  учетом равнонагруженности. Их конструируют по общим правилам проектирования металлических конструкций. На  затворах сооружений мелиоративных систем преобладают ригели из прокатных профилей. Они технологичнее в  изготовлении, проще в эксплуатации, обеспечивают высокую живучесть при случайных повреждениях, устойчивость и выносливость в работе. В сплошностенчатых ригелях устраивают отверстия в стенках для стока воды. Ригели и обрешетины упираются в опорно-концевые стойки, к  которым они привариваются. Размер стоек принимают равным высоте ригеля в концевой его части. К опорно-концевым стойкам крепят опорно-ходовые части и подъемно-тяговые устройства. Сила гидростатического давления воды и другие действующие на затвор силы через балочную клетку и  ригели передаются на опорно-концевые стойки, затем на опорно-ходовые части и  через неподвижные части затвора на быки и устои сооружения.

428

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

Опорно-ходовые части служат для передачи давления от пролетного строения на закладные части и далее на сооружение, а также для передвижения затвора. По назначению их подразделяют на ос­ новные, передающие нагрузку от пролетного строения на закладные части, и вспомогательные, препятствующие перекосу затвора; по конструкции  — на скользящие, колесные и  катковые, причем основные опорно-ходовые части могут быть всех трех типов, а вспомогательные — только первых двух. Скользящие опоры выполняют из дерева, металла, синтетических материалов. На малых затворах сетевых сооружений используют простейшие пары трения «дерево по дереву», «сталь по стали», «дерево по стали», «сталь по бронзе» и т.д. Их недостаток — большое сопротивление движению. Широкое распространение получили опоры из древесно-слоистого пластика и  маслянита (пластмассы на основе полиамидной смолы с добавлением графита). Колесные опоры представляют отдельные колеса или колесные тележки и позволяют значительно уменьшить подъемное усилие. Колеса располагают из условия равнонагруженности. При небольших пролетах применяют затвор с четырьмя колесами на консольных опорах или на осях между стенками опорных балок. Втулки, в которых вращаются оси колес, выполняют из ДСП, бронзы, баббита. При больших пролетах для уменьшения нагрузок на колеса число их удваивают с передачей давления от ригеля на тележку с  двумя колесами. Между тележками и  опорными балками располагают шарниры для осуществления поворота опорноконцевых стоек при прогибе ригелей и  смещения их при температурных деформациях. Ширина обода колеса 8...15  см, диаметр 0,3...1 м, максимальная нагрузка на колесо 3000...3500 кН. Катковые опоры состоят из катковой бесконечной цепи (аналогичной гусенице трактора), перекатывающейся по рельсу, и опор­ но-концевой стойки; цепь закрыта кожухом со всех сторон, кроме «рабочей». Катковые опоры применяют в случаях, когда нагрузки на опоры оказываются выше несущей способности колес (в  глубинных затворах, при узких, но высоких пролетах, испытывающих большое давление воды). Опорное устройство располагают в специальных нишах, пазах и колодцах у порога. Диаметр катков 20...30 см, ширина 20...50 см, нагрузка на каток до 147...246 кН.

6.6. Плоские затворы

429

Достоинства колесных и  катковых затворов: пониженное начальное сопротивление при трогании; меньшее сопротивление при движении (на 10...20 % у опор качения со скользящими втулками и  на 60...70  % у  колесных затворов на роликовых подшипниках); пониженный износ. Их недостатки: высокая стоимость изготовления и монтажа, усложнение закладных частей и значительные размеры пазов. Наряду с  описанными опорно-ходовыми частями применяют дополнительные направляющие и распорные устройства: ˆˆдля ограничения поперечных перемещений затвора; ˆˆплотного прижатия затвора к  опорам в  ненагруженном состоянии и восприятия нагрузок при подъеме затвора, подвешенного неточно за центр тяжести; ˆˆвосприятия обратных нагрузок, возникающих при закрытии аварийных затворов, находящихся близко от основных; ˆˆдемпфирования колебаний затвора под воздействием гидродинамических нагрузок. Неподвижные (закладные) части затвора представляют собой металлические конструкции, заделанные в бетонную кладку и  служащие для передачи давления от опорно-ходовых частей на устои и быки сооружения, создания ровной поверхности под уплотнение затворов и  защиты кромок и  поверхностей бетона от разрушения. По  назначению неподвижные (закладные) части делятся на пути, армировки и обделки пазов. Опорные пути (вертикальные пути затворов) ставят для основных и вспомогательных опорно-ходовых устройств. Для таких путей применяют рельсы, прокатные профили, сварные конструкции, а  также отливки из стали и  чугуна. Расстояние от оси ходового пути до наружной грани паза принимают от 150 до 400  мм в  зависимости от давления колеса. Иногда опорные пути объединяют с армировками. Армировки служат для создания ровной поверхности под уплотнения и  для защиты кромок бетона в  пазах от разрушения. Частным случаем армировок являются пороги  — металлические закладные части, укладываемые в  флютбет сооружения для обеспечения плотного контакта с донным уплотнением. Для порогов применяют прокатные профили, сварные конструкции, а  также

430

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

комбинацию из нескольких профилей, когда требуется создать усиленный порог. К  числу неподвижных частей затвора относят и  устройства для обогрева пазов, применяемые на крупных речных сооружениях. При отсутствии их на неподвижных металлических частях затвора в зимний период образуется наледь. Неподвижные части затвора устанавливают двумя способами: 1) в штробах, оставленных во время бетонирования с последующим замоноличиванием после установки закладных частей; 2) до укладки бетона одновременно с  монтажом арматуры (так называемый бесштрабный метод). Целесообразно все закладные части затвора объединять в одну монтажную конструкцию — металлическую колонну, называемую пазовой конструкцией. Такое объединение всех неподвижных частей затвора наряду с ускорением монтажных работ позволяет более точно обеспечить их взаимное расположение. Для большей связи закладных частей с  бетоном применяют анкеры из арматуры периодического профиля или полосовой стали. Анкеры приваривают к  закладным частям и  запускают в  толщу бетонного массива.

6.6.3. Противофильтрационные уплотнения Противофильтрационные уплотнения предназначены для обеспечения герметичности между подвижной и неподвижной частями затвора. Основные требования к уплотнениям: герметичность, долговечность, износоустойчивость, малое сопротивление движению затвора, ремонтопригодность, динамическая устойчивость (устойчивость против незатухающих автоколебаний при протечке), неповреждаемость щелевой кавитацией, хорошие демпфирующие свойства по отношению к вибрации всего затвора. Горизонтальные уплотнения делятся на верховые (по верхней кромке глубинных затворов) и донные обтекаемой формы с минимальной шириной нижней площадки для уменьшения вибрации, давления воды на затвор и  невозможности образования вакуума и присоса затвора. Донные уплотнения показаны на рис. 6.15.

431

6.6. Плоские затворы

3

1

2

5 4

6

7

Рис. 6.15 Донные уплотнения:

1, 3  — стальные пластины и  отливка; 2  — баббит; 4  — деревянный брус; 5  — резиновое уплотнение деревянного бруса; 6,  7  — профильная и  полосовая жесткая резина

В  часто действующих затворах (при угрозе истирания бруса) применяют уплотнение в  виде стальной пластины или отливки, упирающееся в  полосу мягкого металла. Наиболее широкое применение получили износоустойчивая и  морозоустойчивая резина (полосовая или специального профиля), обеспечивающая более качественную защиту от фильтрации. При применении резины предусматривают специальные закладные части в бетоне сооружения, на которые опирается затвор, обеспечивая прижатие резины с допустимой деформацией. Уплотнение по верхней кромке затвора выполняют из профильной резины (рис. 6.16). Боковые уплотнения располагают перед обшивкой. Они прижимаются к закладной части давлением воды. Уплотнения бывают в  виде гибкого металлического листа толщиной 2...5  мм и  шириной 150...300  мм (рис.  6.17,  а), полосовой резины, прикрепленной к гибкому стальному листу, или профильной резины, прикрепленной к затвору (рис. 6.17, б). В затворах сетевых сооружений применяют уплотнения из листовой резины, брезента, резиновых трубок, прорезиненной ткани. Резиновые уплотнения отличаются значительными сопротивле-

432

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений 170 100

70

2

2 1 1

60

10

70

Рис. 6.16. Уплотнения глубинных затворов:

1 — обшивка затвора; 2 — профильная резина а

1 б

2

5 3 4

70...80

ВБ

6 7

ВБ

Рис. 6.17. Боковые уплотнения:

а — из гибкого металлического листа (1 — деревянный брус; 2 — гибкий стальной лист; 3  — колесо; 4  — рельс; 5  — ось); б  — из профильной резины (6  — резиновая прокладка; 7 — полоса из нержавеющей стали)

ниями движению, подвержены климатическим воздействиям. Элементы уплотнений изготавливают также из полиэтилена высокого давления (с коэффициентом трения по стали 0,2).

433

6.6. Плоские затворы

6.6.4. Сила тяжести затворов и определение усилий для маневрирования ими Вес затворов Gз (кН) определяют на основе проектных приработок. На предварительных стадиях проектирования его вычисляют по эмпирической формуле Gз = (PLотв a −1 )b,



(6.2)

где Р — нагрузка на затвор, кН; Lотв — ширина пролета в свету, м; b, a — коэффициенты; b ≈ 0,7; а = 20 и 27 для плоских поверхностных затворов колесных и скользящих; а = 39 и 49 для глубинных; а  = 25 и  15 для сегментных поверхностных с  прямыми и  наклонными ногами. Формула (6.2) применима для сварных сплошностенчатых конструкций затвора из обыкновенной углеродистой стали при расчетных сопротивлениях R 1500 кг/см2. В случае применения сталей с другими значениями R вводят коэффициент K = 1500 2 . R 3 Собственный вес подвижной части одиночного затвора (т) для предварительных подсчетов определяется по следующим формулам: А.Р. Березинского

( )

G = 0, 055F F ;



(6.3)

П.А. Ефимовича

G = 0,157 F 4

F ;

(6.4)

А.П. Цветкова — П.П. Лаупмана

G = 0, 064 (H1l 2 )1/ 3 − 1 F ,

(6.5)

где F  — площадь затвора в  свету, м2; H1  — напор над центром отверстия, м; l — пролет отверстия, м. Полученный собственный вес должен находиться в диапазоне значений (0,24...0,80) т/м2. Усилия для маневрирования (подъема и  посадки или опускания) определяют из расчета гарантий маневрирования. Для подъема плоского затвора необходимо преодолеть вес затвора Gз, силы трения: То в опорно-ходовых частях и Ту в уплотне-

434

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

ниях; гидродинамическую нагрузку Wг.д на нижнюю грань затвора, если она направлена вниз. Для затворов, сдвоенных с  клапаном, а также глубинных учитывают еще вес столба воды над клапаном (если он есть). Опусканию затвора противодействуют силы трения в уплотнениях и опорно-ходовых частях и сила давления воды Wг.д на нижнюю грань, если она в момент посадки затвора направлена вверх. Если силы сопротивления посадке затвора окажутся больше веса затвора, требуются принудительная посадка дожимным механизмом, пригрузка затвора дожимной балкой или увеличение веса затвора балластом. Принудительная посадка требует применения жестких тяг. Усилие для подъема затвора определяют по формуле

S1 = K1 (Gз + Gб ) + K 2 (Tо + Tу ) + Wг.д,

(6.6)

где K1  — коэффициент перегрузки, учитывающий возможное отклонение расчетного веса затвора от фактического (за счет допусков в  прокате и  др.), K1 = 1,1; K2  — коэффициент, учитывающий трение в  обратных и  боковых опорных устройствах и  неточность вычисления сил трения, K2  = 1,2; Gз  — вес затвора; Gб  — вес балласта (если для посадки он необходим); Tо, Tу  — силы трения соответственно в опорно-ходовых частях и в боковых уплотнениях; Wг.д — сила, взвешивающая затвор при нижнем его положении. Усилие посадки составляет

S2 = K1Gз − K 2Tо − K 2Tу − Wг.д + Wф,

(6.7)

где K1  = 0,9 (при применении проката с  минусовым допуском); K2 = 1,2; Wф — сила фильтрационного давления на нижнее уплотнение. При S2  0,02 Hp ≥ 3hб. Сегментный уравновешенный затвор-автомат с поплавком-про­ ти­во­ве­сом (рис.  6.26) уравновешивают балансиром и  по­плав­компротивовесом. Поплавок-противовес размещают в  специальной шахте в  береговом устое гидротехнического сооружения и  соединяют с  затвором тросами через систему блоков. Трос цепляют за верх затвора, поэтому при опускании поплавка затвор также опускается. Из шахты в нижний бьеф проложена труба. Принцип работы такого затвора-автомата основан на уравновешивании моментов сил в системе веса затвора, балансира и поплавка. Он обеспечивает полное открытие отверстия. Его можно применять на открытых, диафрагмовых и трубчатых водовыпусках. Цилиндрический затвор-автомат конструкции Укргипроводхоза (рис. 6.27) применяют на трубчатых водовыпусках при значительных перепадах (0,7...1,0 м) уровней воды в верхнем и нижнем бьефах и  расходах до 10  м3/с. Он  состоит из вертикального полого цилиндра, подвешенного к коромыслу с поплавком-противовесом. Донным отверстием поплавковая камера соединена с нижним бьефом. На  выходе бетонного колена водовыпуска обычно приваривают фланец, выполняющий функции направляющей для цилиндра и отражателя. 7 4

2 УВБ

3

5

1

6

Рис. 6.26. Схема установки сегментного уравновешенного затвора‑автомата с поплавком-противовесом: 1 — поплавок-противовес; 2 — задатчик уровня; 3 — шахта; 4 — блоки; 5 — затвор; 6 — сливная труба; 7 — балансир

449

6.8. Затворы-автоматы мелиоративных сооружений 5

4

z

ВБ

const

6

1 2

3

Рис. 6.27. Схема установки цилиндрического затвора-автомата:

1 — входной оголовок; 2 — водопроводящая труба; 3 — колено; 4 — цилиндр; 5 — коромысло; 6 — поплавок-противовес

В основу работы затвора-автомата положен принцип уравновешивания действующих моментов сил поплавком-цилиндром. При понижении уровня воды в  нижнем бьефе поплавок опускается, и  коромысло поднимает цилиндр на заданную высоту. Необходимый уровень воды в нижнем бьефе устанавливают, регулируя длину гибкой подвески поплавка-противовеса. Цилиндрический затвор-автомат надежен в работе. Его недостаток  — невысокая точность стабилизации уровня воды в  нижнем бьефе, зависящая от соотношения плеч подвески цилиндра и  поплавка противовеса, и  необходимость применения высокого цилиндра. Затворы-автоматы постоянного расхода и  стабилизаторы расхода предназначены для подачи постоянных расходов в  отводящее русло независимо от колебаний уровней воды в бьефах гидротехнических сооружений. Точность регулирования ими расходов воды составляет обычно до 5 %. Наиболее распространены авторегуляторы постоянного расхода, в основу работы которых положен принцип поддержания постоянного слоя воды, переливающейся через плавающий водослив, а также принцип изменения площади живого сечения работающего отверстия обратно пропорционально H в верхнем бьефе. Телеуправляемый цилиндрический затвор-автомат конструкции Гипроводхоза (рис.  6.28) состоит из подвижного цилиндра,

450

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений 3 4

2

1

5

Рис. 6.28. Схема установки телеуправляемого цилиндрического затвора-автомата: 1, 2  — неподвижный и  подвижный цилиндры; 3  — механизм регулирования уровня поплавка; 4 — поплавок; 5 — отводящая труба

свободно передвигающегося по неподвижному цилиндру, переходящему в  трубу. Подвижный цилиндр жестко соединен с  поплавком. Между стенками цилиндров находится воздушная прослойка, играющая роль уплотнения и  изолированная от атмосферы. При повышении уровня воды в  верхнем бьефе поплавок поднимается и  увлекает за собой подвижный цилиндр. Таким образом, слой сливаемой через стенку подвижного цилинра воды остается всегда постоянным, а  следовательно, и  расход водовыпуска постоянен. Чтобы изменить расход воды водоспуска, с  помощью механизма телеуправления увеличивают или уменьшают расстояние между верхом подвижного цилиндра и поплавком, т.е. регулируют напор на цилиндрическом водосливе. Вододействующий затвор-автомат конструкции Укргипровод­ хоза (рис. 6.29) компонуют с закрытыми водовыпусками, имеющими приемный колодец с отводящей трубой. Сверху колодец прикрывают плитой с круглым отверстием. В центре отверстия устанавливают направляющий стержень — ось. По этой оси свободно пере-

451

6.8. Затворы-автоматы мелиоративных сооружений 2

1

3

4

5 6

Рис. 6.29. Схема установки вододействующего затвора-автомата:

1  — поплавок; 2  — воронка с  трапецеидальными водосливами; 3  — корпус авторегулятора; 4 — направляющая ось; 5 — колодец; 6 — труба

мещается в  вертикальном направлении круглая труба переменного по высоте сечения, служащая корпусом авторегулятора. Наверху корпус имеет приемную воронку, сконструированную по периметру из трапецеидальных водосливов. Удерживает затвор на плаву поплавок, присоединенный сверху к корпусу. В основу работы затвора-автомата положен принцип постоянства сочетания расходов воды, протекающих через трапецеидальные водосливы сверху и  сквозь щелевые зазоры между корпусом затвора и  отверстием приемного колодца снизу. При понижении уровня воды в  верхнем бьефе корпус затвора опускается вместе с  поплавком вниз по оси. При этом через водосливы в  приемной воронке сливается постоянный расход воды, так как слой переливающейся воды остается прежним. Несмотря на увеличение поперечного сечения, через нижнее отверстие также проходит постоянный расход воды, поскольку размеры кольцевого зазора увеличиваются обратно пропорционально H в соответствии с формулой истечения воды из отверстия (где Н — напор над кольцевым отверстием). При ином положении уровня воды в  верхнем бьефе имеет место та же закономерность.

452

Глава 6. Затворы гидротехнических сооружений

Для изменения расчетного расхода изменяют положение поплавка. Расход донного отверстия не  регулируют. Оптимальное соотношение расходов донного отверстия и  водослива 1:5...1:10. Недостатки такого затвора-автомата  — сложность осмотра и  ремонта, возможность засорения плавником и  ограниченность диапазона регулирования расходов. Стабилизатор расхода конструкции института Средазгипроводхоза (рис. 6.30) состоит из неподвижных закладных (рама затвора со шкалой значений расходов и отверстиями для замка, исключающего возможность самопроизвольного подъема полотнища затвора) и  подвижных (скользящее полотнище с  низовым одиночным или двойным козырьком и закрепленными уплотнениями) частей. В основу его работы положены законы динамики потока при донном истечении из-под щита. С увеличением уровня воды в верхнем бьефе при обтекании потоком воды наклонного козырька возрастает вертикальное сжатие струи потока, т.е. гидравлическое сопротивление. Это приводит к уменьшению коэффициента расхода отверстия. Возросший перед затвором напор гасится. Таким образом, расход воды через гидротехническое сооружение изменяется. При понижении воды в  верхнем бьефе уменьшаются значения гидравлических сопротивлений под козырьком, что приводит к восстановлению прежнего значения напора перед отверстием. Если затвор-автомат установить на повышенном пороге, то уровни воды в  нижнем бьефе не  будут меняться до тех пор, пока не наступит затопленное истечение.

4 I

I

2

УВБ

1 — порог водослива; 2 — наклонный козырек; 3  — плоский затвор; 4  — подъемник

4

I–I

2

1

Рис. 6.30. Схема установки стабилизатора расхода:

3

6.8. Затворы-автоматы мелиоративных сооружений

453

Стабилизатор расхода может иметь два наклонных козырька. Между козырьками образуется обратная струя воды, создающая дополнительные гидравлические сопротивления и  повышающая диапазон регулирования расходами. Значение расхода изменяют, поднимая или опуская затвор.

Глава

7 Водозаборные сооружения и отстойники 7.1. Назначение и классификация водозаборных сооружений Водозаборные сооружения устраивают с целью забора воды из источника и подачи ее в каналы или водоводы для последующего транспортирования в питьевую, промышленную, рыбохозяйственную, оросительную, гидросиловую и  другие системы. Так как эти сооружения устраивают в голове (начале) водохозяйственной системы, то их иногда называют головными. Головные сооружения, устраиваемые для забора воды из реки, должны удовлетворять следующим требованиям: ˆˆобеспечивать бесперебойный забор воды в  водохозяйственную систему согласно графикам потребления; ˆˆзащищать каналы от поступления в  них донных наносов, шуги, льда и плавника; ˆˆиметь простые и экономичные конструкции; ˆˆбыть удобными в эксплуатации и для автоматизации; ˆˆиметь хорошие и устойчивые водомерные свойства. Помимо этого, водозаборные сооружения должны удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к  гидротехническим сооружениям в  отношении прочности, устойчивости и  долговечности. Головные сооружения обычно устраивают совместно с другими гидротехническими сооружениями; общий комплекс этих сооружений называется водозаборным узлом.

7.1. Назначение и классификация водозаборных сооружений

455

Под водозабором понимают технологический процесс, который обеспечивает подачу в водовод требуемого количества очищенной от крупных наносов и плавающих тел воды. Он включает ряд технологических операций: водоотбор, борьбу с  наносами (включая плавник, мусор), водоподачу, рыбозащиту, аварийную защиту и др. Число и  вид технологических операций обусловливаются типом водозаборного гидроузла и  видом водоисточника. Основные технологические операции водозабора: водоотбор, водоподача, борьба с наносами. Водоотбор заключается в отборе из речного потока части расхода, достаточного для требуемой водоподачи в  магистральный канал, и  транспортировании его после первой ступени борьбы с  наносами до сооружений, обеспечивающих более качественную очистку воды от взвесей (отстойники, гидроциклоны). Водоотбор принято характеризовать коэффициентом водозабора:

Kв = Qвз/Qр,

где Qвз  — расход, забираемый из реки с  помощью водозаборного сооружения; Qр — расход реки. Водоподача состоит в регулировании расхода воды, поступающей в  оросительную систему, в  соответствии с  графиком водоподачи и с учетом реальных возможностей источника орошения. Борьба с  наносами включает конструктивные и  эксплуатационные мероприятия, не допускающие попадания в канал крупных донных наносов, плавника и других плавающих предметов. Низконапорные гидроузлы водозаборов можно классифицировать по нескольким основным признакам: ˆˆназначению  — питьевые, промышленные, ирригационные, теплоэнергетические и др. (ТКП 45-4.01-198–2010. Водозаборные сооружения из поверхностных источников); ˆˆвиду используемого водоисточника — речные, озерные, морские, каптажные (когда забираются грунтовые или подрусловые воды); ˆˆусловиям транспортирования воды от водозаборного сооружения — самотечные, с механической подачей воды; ˆˆусловиям местоположения относительно речного русла  — русловые, береговые;

456

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

ˆˆналичию или отсутствию плотины в  составе основных сооружений водозаборного гидроузла — плотинные, бесплотинные; ˆˆтипу применяемых средств борьбы с наносами — с промывным карманом, промывными галереями, циркуляционными порогами, отверстиями в быках и устоях, лотковые, двухъярусные и др.; ˆˆрасположению водозаборных отверстий в вертикальной плоскости — с поверхностным водозабором, глубинным водозабором.

7.2. Бесплотинные водозаборы Бесплотинными называют водозаборы, в которых вода поступает из реки в каналы при бытовом состоянии ее уровней. По управлению потоком воды, подаваемым в магистральный канал, различают нерегулируемые и регулируемые бесплотинные водозаборы. Под нерегулируемым водозабором понимают непосредственное соединение канала с  рекой. Место отвода канала от реки называется головой. В таких водозаборах уровни воды в канале синхронно следуют за изменением уровней воды в реке и соответственно этому изменяются расходы. При минимальных уровнях в  реке в  канал должны поступать расчетные расходы воды. Регулируемые водозаборы имеют в голове или в некотором удалении от нее шлюзы-регуляторы, при помощи которых обеспечивается поступление воды в  канал в  любое время в  соответствии с  графиком водопотребления независимо от изменения уровней воды в реке. В реках, в их естественном состоянии, уровни воды и расходы со временем изменяются. Бесплотинные водозаборы с самотечной подачей воды предусматриваются в  случае, если уровни воды в  реке обеспечивают необходимые уровни командования магистрального канала (рис.  7.1,  б) при благоприятных топографических, гидрологических и геологических условиях. Наряду с соподчинением уровней в реке и канале для применения бесплотинных водозаборов необходимо, чтобы график водопотребления вписывался в гидрограф реки (рис. 7.1, а). Существует много типов бесплотинных открытых водозаборов, которые по условиям подхода потока могут быть боковыми или фронтальными.

457

7.2. Бесплотинные водозаборы б

5

Уровни воды

Расход воды, Q

а

График водопотребления

4 3 2 1 0

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

III IV V VI VIIVIII IX X t

Рис. 7.1. Условия применения бесплотинных водозаборов:

а — гидрограф реки и график водопотребления; б — график изменения уровней воды в реке и канале

Наиболее простым типом бокового водозабора является боковой отвод воды из реки с  помощью небольшого канала, в  конце которого находится головной регулятор (рис. 7.2, а). Канал может отходить под углом 90° к  направлению движения потока, однако лучшие условия входа потока создаются при углах 60...75°. Регулятор обычно располагают на некотором расстоянии от берега б

а 

1

4

3

1 2

2 в

3

2 1

5 д

г

6 7 8

6

4 1

1

2

Рис. 7.2. Основные схемы бесплотинных водозаборов с открытыми каналами: а — с головным сооружением в конце подводящего канала; б — с отстойником и  регулирующими сооружениями; в  — с  прокопами-отстойниками и  одним головным сооружением; г — со шпорой, но без головного сооружения на входе; д — с боковым головным сооружением и промывными отверстиями в стенке шпоры; 1  — магистральный канал; 2  — головное сооружение; 3  — прокопыотстойники; 4  — сбросной канал; 5  — отстойник; 6  — шпора; 7  — сброс; 8  — промывное сооружение

458

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

с  тем, чтобы предохранить сооружение от возможного подмыва и  улучшить режим потока при подходе к  нему. При этом подводящий канал перед регулятором выполняет роль отстойника, отложившиеся наносы из которого удаляют гидравлическим или механическим способом. Для гидравлической промывки канала-отстойника устраивают сбросной канал с промывным регулятором (рис. 7.2, б), через который наносы при закрытых затворах головного сооружения сбрасываются в  нижний бьеф. Головной и  промывной регуляторы объединяют в один узел. Пропускная способность водозабора с одним подводящим каналом полностью зависит от режима реки, кроме того, при промывке отстойника приходится на некоторое время прекращать подачу воды в систему, что весьма нежелательно. На  реках с  резким колебанием уровней воды и  большим содержанием наносов применяют многоголовый водозабор, состоящий из нескольких каналов-отстойников длиной 0,5...3 км, подводящих воду к головному сооружению, расположенному на коренном берегу (рис. 7.2, в). Для гидравлической промывки наносов из отстойников служит сбросной канал с регулятором в головной части. Регулирующие сооружения для забора воды и  промыва наносов могут быть возведены отдельно на каждом канале или объединены в один узел. Многоголовые водозаборы обеспечивают непрерывность и регулирование подачи воды в  магистральный канал при различных комбинациях работы каналов-отстойников. В  паводок, например, может работать одна голова (подводящий канал), а в межень — две или три. В случае заиления одного из каналов включают в работу другой и т.д. На  реках с  большими скоростями и  низкими уровнями воды для увеличения расхода забираемой воды и  уменьшения количества поступающих в канал наносов устраивают шпоры (дамбы различного очертания в плане) или карманы (рис. 7.2, г). Будучи выдвинуты в русло реки, шпоры создают подпор и увеличивают захват воды водозабором. Кроме того, уменьшая скорость в  зоне деления потока, шпора отклоняет его часть в  противоположную сторону, уменьшая тем самым поступление донных наносов в водозабор.

7.3. Плотинные водозаборы

459

При наличии шпор и карманов боковой водозабор становится фронтальным, так как направление потока из параллельного фронту водозабора становится перпендикулярным ему. Для улучшения работы шпорных водозаборов, уменьшения захвата донных наносов, их удаления и  повышения пропускной способности в  стенке шпоры устраивают сбросные отверстия (рис. 7.2, д), а перед входом в отвод — донные направляющие порога и  другие устройства в  зависимости от особенностей реки и режима работы водозабора. Назначение головного сооружения при бесплотинном водозаборе состоит в  регулировании расходов воды и  отчасти наносов, поступающих из реки в  магистральный канал системы. При наличии в  регуляторе второго яруса донных промывных отверстий осуществляется и промыв каналов-отстойников. Тип, конструкцию и размеры головного сооружения определяют в  зависимости от расчетного расхода воды, разности уровней бьефов, режимов реки и  магистрального канала, а  также условий строительства и  эксплуатации сооружения. При небольших разностях уровней, зависящих от изменения последних в  реке, в  качестве водозаборных используют регуляторы открытого типа, при значительных перепадах — регуляторы с забральной стенкой (диафрагмой). Гидравлический расчет головных регуляторов аналогичен расчету регуляторов на сети. Бесплотинные водозаборы просты по конструкции, их можно располагать на любых участках рек (прямолинейных и  криволинейных). Строительная стоимость их невысока, но они сложны и  дороги в  эксплуатации, к  тому же их можно применять не  на всех реках.

7.3. Плотинные водозаборы В  тех случаях, когда бытовые уровни реки недостаточны для забора воды путем самотечной ее подачи потребителю, устанавливают плотинные водозаборные гидроузлы. Свое название они получили от основного сооружения  — плотины, создающей подпор уровня воды и обеспечивающей гарантированный водозабор.

460

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

Плотинный водозабор применяют в следующих случаях: ˆˆкогда экономически выгодно сократить длину холостой самотечной части магистрального канала; ˆˆпри двустороннем заборе воды на обоих берегах, особенно при больших коэффициентах водозабора, когда взаимное влияние двусторонних бесплотинных водозаборов гидроузлов на режим реки настолько велико, что может существенно осложнить условия их эксплуатации; ˆˆпри одностороннем водозаборе, например на судоходных реках, когда забор определенного расхода может ухудшить условия судоходства в районе гидроузла; ˆˆпри наличии выше створа гидроузла быстрин, порогов, являющихся очагами шугообразования и повышения мутности потока. Устройство плотинного водозаборного гидроузла позволяет значительно повысить качество забираемой воды. В состав плотинных водозаборных гидроузлов входит ряд сооружений и  устройств, расположенных в  одном месте и  подчиненных решению одной задачи  — обеспечению гарантированного и качественного водозабора и водоподачи потребителю в соответствии с графиком его водопотребления: ˆˆплотины (глухая и водосбросная или только водосбросная); ˆˆрегуляционные сооружения верхнего и нижнего бьефов; ˆˆпромывные устройства; ˆˆголовное водозаборное регулирующее сооружение. Иногда для борьбы со взвешенными и донными наносами устраивают отстойники, а также шугосбросные сооружения. На выбор створа гидроузла влияют многие факторы. Для борьбы с наносами в компоновках плотинных гидроузлов используют свойства потока: его характерные особенности при боковом отводе из реки, естественную и искусственную поперечную циркуляцию на криволинейных участках реки или канала, реактивные донные течения, возбуждаемые искусственными преградами и экранами, послойный отвод воды и пр. Существует много плотинных водозаборов, различных по конструкции, составу элементов, компоновке и  расположению относительно русла (русловые и береговые) и основного направления потока в  реке (фронтальные и  береговые), а  также по способам борьбы с наносами.

7.3. Плотинные водозаборы

461

При невысоком положении уровня воды в  реке или водохранилище и малых его колебаниях применяют поверхностные водозаборы с  фронтальным или боковым подходом потока. При высоком положении уровня воды и  значительных его колебаниях используют глубинные водозаборы. Основными элементами поверхностного водозабора являются: ˆˆвходной порог, расположенный выше дна реки для защиты водозабора от попадания в него наносов; ˆˆотверстие на входном пороге, разделенное на отдельные части быками и боковыми устоями; ˆˆзатворы (основные и  ремонтные) и  промывные устройства для удаления отложившихся у порога наносов. В  случае необходимости за головным сооружением устраивают отстойник для осаждения и  последующего удаления взвешенных и частично донных наносов, а также шугосброс для задержания и отвода шуги и плавающего мусора. Поверхностные водозаборы по способу борьбы с  наносами можно подразделить на береговые с  промывными устройствами в берегу или плотине и на водозаборы в теле (пороге) и быках плотины. На рис. 7.3 показана конструкция берегового (бокового) водо­ забора с  промывными отверстиями в  плотине, расположенными рядом с водозабором. Для обеспечения смыва наносов перед фронтом водозаборного сооружения устраивают раздельную стенку, образующую так называемый карман-отстойник (см. пунктирную линию на рис.  7.3). Раздельная стенка, ограничивая ширину потока у входа в водозабор, позволяет значительно повысить скорости потока, что обеспечивает более интенсивный смыв наносов. Лучшие условия в этом отношении создаются при устройстве перед входом криволинейного порога или при использовании естественной циркуляции потока, т.е. при размещении водозабора на вогнутом берегу реки. Благодаря поперечной циркуляции потока при наличии криволинейного порога или участка реки донные наносы отклоняются от вогнутого берега (водозабора) к  плотине, через которую и сбрасываются в нижний бьеф. Широкое применение на горных и  предгорных участках рек, несущих большое количество наносов, получили водозаборы с на­ носоперехватывающими галереями, расположенными под порогом головного сооружения и оборудованными затворами (рис. 7.4). Такая

462

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

1

2

1

2

3

3

I

I

4

I

I

4 I–I

Река

3

I–I

2

3 3

Рис. 7.3. Водозабор с промывными отверстиями в плотине:

Рис. 7.4. Водозабор с наносопере­ хватывающими галереями . в головном сооружении:

1 — плотина; 2 — промывные отверстия в  плотине; 3  — затворы водозабора; 4 — канал

1 — водозаборное сооружение; 2 — канал; 3 — наносоперехватывающие галереи; 4 — плотина

конструкция водозабора обеспечивает подачу воды в  магистральный канал из верхних, свободных от донных наносов слоев. Откладывающиеся же у порога донные наносы смываются в нижний бьеф через наносоперехватывающие галереи, для чего открывают установленные на них затворы. Наносы могут промываться непрерывно или периодически (в зависимости от интенсивности заиления и наличия необходимого для этого расхода воды). Глубинные водозаборы применяют на водохранилищах, образованных плотинами среднего и  высокого напора с  большими колебаниями уровней воды в  верхнем бьефе, где поверхностные водозаборы не  могут использоваться. Забор воды в  этом случае осуществляется с большой глубины напорными водоводами — трубами при нескальных основаниях и туннелями при скальных. Водозабор может быть расположен непосредственно в  теле плотины или на берегу в  качестве самостоятельного сооружения. В этих сооружениях забор воды осуществляется отверстиями в теле бетонных плотин или трубопроводами, уложенными в  теле плотин из местных строительных материалов и железобетона.

7.4. Назначение и общая классификация отстойников

463

По принципу работы, конструкции и расчету глубинные водозаборные сооружения аналогичны глубинным водосбросам и  водоспускам при глухих плотинах. Подробнее конструкции водозаборных сооружений из поверхностных водоисточников рассматриваются в  специальной лите­ ратуре.

7.4. Назначение и общая классификация отстойников Наносы значительно осложняют и  ухудшают работу водохозяйственных систем: заиляют водохранилище, уменьшая его полезный объем и сокращая срок службы; затрудняют эксплуатацию водозаборных узлов; приводят к необходимости возведения дополнительных устройств и специальных сооружений; заиляют каналы, снижая их пропускную способность и  ухудшая условия судоходства; приводят к необходимости их очистки; истирают стенки турбин и насосов, поверхности водосливных плотни, быстротоков и других гидротехнических сооружений. Существуют различные способы борьбы с наносами. Так, в верховьях рек проводят борьбу с эрозией (смывом) почв: закрепляют овраги, применяют соответствующую обработку почв, устраивают нагорные каналы и др. На подходном участке реки, непосредственно у  водозабора и  перед входом в  головное сооружение, для борьбы с наносами предусматривают регулирование русла данного участка, создание искусственной поперечной циркуляции, специальные донные и поверхностные устройства, наносоперехватывающие и промывные галереи, карманы и др. Однако сосредоточенное освобождение от всех вредных фракций наносов часто бывает нецелесообразным. Полностью очищенная от наносов вода может размывать каналы; деформация каналов и вторичное насыщение воды наносами — нежелательные процессы. Возможен и  другой ущерб от переосветления: дно канала будет прогреваться солнцем, зарастать водной растительностью, и  пропускная способность канала сократится. Вода горных рек, пере­ осветленная в  больших водохранилищах, может вызвать эрозию почв на орошаемых полях.

464

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

Защита каналов и гидромашин от наносов достаточно сложна и требует значительных затрат. В настоящее время существует большое количество различных по конструкции отстойников. В гидромелиоративном и водохозяйственном строительстве применяют в  основном так называемые гравитационные отстойники (в дальнейшем — отстойники). К ним относятся гидротехнические сооружения, в  которых осаждение наносов происходит под действием сил гравитации и в результате снижения транспортирующей способности потока. Отстойники применяют для очистки воды и предотвращения заиления водотоков, водоемов и других водных объектов. В  отстойниках осаждают не  все, а  только часть так называемых вредных или избыточных наносов. Согласно «Правилам охраны рек от загрязнения сточными водами», отстойники следует применять на водотоках в тех случаях, когда мутность воды в них превышает нормативные или фоновые показатели. Основные эксплуатационные характеристики отстойников описывают качественные и количественные показатели — максимальная допустимая крупность фракций, мутность потока на выходе из отстойника, пропускная возможность. Мутность потока на выходе из отстойника не  должна превышать транспортирующую способность канала или системы каналов в наихудших, часто повторяющихся условиях работы. В практике применяют различные типы отстойников, которые делят на отдельные группы по различным признакам: ˆˆназначению — гидроэнергетические, водоснабженческие, мелиоративные; ˆˆрасположению на водотоке (рис. 7.5) — головные, внутрисистемные, устьевые, на самом водотоке, на обводном канале; ˆˆчислу камер или ступеней  — с  одной или несколькими камерами; ˆˆрежиму движения воды в  отстойной камере  — с  ламинарным течением и возбуждением циркуляции; ˆˆспособу удаления осевших наносов — с гидравлической, периодической или непрерывной промывкой (прямой и  обратной), с механической или комбинированной очисткой;

465

7.4. Назначение и общая классификация отстойников

ˆˆэксплуатационному режиму — неуправляемые, управляемые с  регулирующими устройствами, установленными перед входом, на выходе, на входе и выходе; ˆˆконструкции и материалу камеры — простейшие, или русловые, и с искусственной камерой (с бетонным или железобетонным креплением дна, откосов и стен), комбинированные; ˆˆнаправлению движения воды в  отстойнике  — горизонтальные, вертикальные, радиальные; ˆˆгеометрической форме камеры  — призматические, цилиндрические, конические; ˆˆрежиму и способу удаления наносов — периодического и непрерывного действия, механические, гидромеханические; ˆˆэкологическому назначению  — для удаления влекомых наносов, для извлечения илистых и органогенных взвесей и т.д.; ˆˆтехнологии очистки воды  — гравитационные, гра­ви­та­ци­он­ но-фильтрационные, гравитационно-биологические; ˆˆстадийности или ступенчатости очистки стока  — одноступенчатые и многоступенчатые. а

б

в 7

3

1

6

2 3 5

4

4

г

4

3 1

1

2 д 7 5 1

1 6 1 4

3

6

1

2

3

е 6 1 3

5

4

3

1

6

4 1 5

1

3

Рис. 7.5. Основные схемы расположения отстойников:

а  — головной отстойник на прочном берегу реки; б  — головной отстойник в  условиях легкоразмываемых берегов; в  — русловой отстойник-карман; г  — головной отстойник при плотинном водозаборе; д — отстойник на магистральном канале; е — внутрисистемные отстойники; 1 — регуляторы расхода воды или уровней; 2 — подводящий канал; 3 — отстойник; 4 — магистральный канал; 5 — устьевое сооружение; 6 — канал для отвода пульпы; 7 — водосбросы

466

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

Отстойники выполняют в виде довольно широких и глубоких бассейнов-камер. Наносы осаждаются в результате резкого снижения скорости потока в  камере, площадь живого сечения которой значительно превышает площадь сечения магистрального канала. Основные элементы отстойника периодического промыва показаны на рис. 7.6. На входном пороге каждой камеры для регулирования водоподачи установлены затворы. Выходной порог отстойника в  нижней части имеет донные промывные галереи для удаления наносов вместе с водой в нижний бьеф. Галереи и порог имеют затворы, с  помощью которых вода подается в  магистраль-

1

2

3

4

5

6

7

8

10 11

9

12

I

Bp

I

13

Lp 5

6

УНБ

8

9

H hм Hp

I–I

14

Lк

1

2

3 l1

Lp Lк

l2 10

Рис. 7.6. Многокамерный отстойник периодического промыва:

1 — подводящий канал; 2 — распределительный канал для подвода воды; 3 — входной порог, через который вода поступает в отстойник; 4 — устой, сопрягающий отстойник с берегом; 5 — верховой переходный участок; 6 — камеры для осаждении наносов; 7 — раздельные стенки камер; 8 — низовой переходный участок; 9 — выходной порог, через который вода выходит из отстойника; 10  — промывные галереи, через которые удаляют наносы из камер; 11  — собирательный канал; 12  — магистральный канал, в  который подается осветленная вода; 13  — промывной коллектор, в  который поступают наносы из промывных галерей; 14 — промывной или грязевой канал для отвода удаляемых из отстойника наносов в нижний бьеф головного узла или в другое место; Lк  — длина отстойника; Lp  — рабочая длина камеры; Вр  — ширина камеры; Н  — полная глубина воды в  начале камеры; Нр  — расчетная глубина воды в этом же сечении; hм — высота отложения наносов (мертвого объема); l1 и l2 — переходные участки

7.4. Назначение и общая классификация отстойников

467

ный канал и создается необходимый режим работы камер во время промыва отстойника. При промыве наносов в камере отстойника создают режим потока с  размывающими скоростями. Для этого вначале закрывают основные затворы, прекращая этим подачу воды в магистральный канал. Затем, когда уровень воды в  камере повысится до уровня воды в верхнем бьефе, полностью открывают затворы промывных галерей. Уровень воды в камере быстро снижается, скорости повышаются и наносы вместе с водой поступают в промывные галереи; смыв наносов начинается с конца камеры. Для увеличения скорости воды и повышения интенсивности смыва наносов по всей длине камеры воду в  камеру подают с  истечением из-под затвора. Промывной расход воды обычно составляет 0,5...1,25 расчетного расхода магистрального канала. Расчет промыва камер сводится к  определению промывной скорости, удельного промывного расхода воды и времени промыва при известных размерах отстойника, высоты отложений наносов и  их фракционного состава. Обычно промывную скорость воды принимают не менее 2,0...2,5 м/с, тогда как при отстое наносов она составляет всего 0,2...0,3  м/с. Глубину воды в  отстойнике принимают равной 4...5 м при уклоне дна 0,02...0,005. В отстойниках непрерывного промыва поперечному сечению нижней части камеры придают форму треугольника или трапеции с донным отверстием (пульповодом). Отложившиеся на наклонных стенках насосы сваливаются в отверстия и сбрасываются вместе с водой в нижний бьеф. Отстойник непрерывного промыва состоит из камеры с ребристым дном и продольных галерей (рис. 7.7). Наносы из камер попадают в продольные галереи и затем непрерывным потоком воды по отводящей сборной галереи сбрасываются в нижний бьеф. Промыв наносов происходит в  условиях напорного режима, так как уровень воды в  камере остается постоянным и  достаточным для забора воды в магистральный канал. Для повышения транспортирующей способности в галереях предусматривают направляющие устройства (косой впуск воды, направляющие бруски на стенках и др.), создающие винтовое движение потока. Отстойники непрерывного промыва по сравнению с отстойниками периодического промыва требуют затрат большого количества воды, хотя сам промывной расход воды меньше. Кроме того,

468

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники а 13

14

1

2

11

12

9

10

2

3

8

7 5

4

б

6 6

6

12 6

15

6

15

6

16

Рис. 7.7. Отстойник непрерывного промыва

а — продольный разрез; б — поперечные разрезы; 1 — входной регулятор; 2 — пазы для затворов; 3 — сороудерживающая решетка; 4 — донные промывники входного порога; 5  — решетка, прикрывающая пульповод; 6  — донные продольные пульповоды; 7 — отводная сборная галерея; 8 — отверстие для периодического промыва; 9  — выходной регулятор; 10  — пьезометрическая линия донного пульповода; 11 — камера; 12 — гребень дна отстойника; 13 — уравнительные решетки; 14 — дно шугосброса; 15 — дырчатая плита; 16 — бортовые и донные ребра шероховатости

эти отстойники сложнее по конструкции, поэтому применяются сравнительно редко. В  тех случаях, когда для промыва наносов нет необходимого количества воды или по условиям компоновки водозаборного узла нельзя создать достаточный гидравлический уклон промывного тракта, применяют отстойники с  механической очисткой. В  них наносы по мере заиления отстойников удаляют плавучими землесосами или экскаваторами. Конструкцию и основные размеры отстойника (длину, ширину, глубину), промывные расходы воды, время заиления и  промыва уточняют на основе гидравлических расчетов и технико-экономических условий строительства и эксплуатации сооружения.

469

7.5. Определение основных размеров отстойников

7.5. Определение основных размеров отстойников Установление степени осветления потока непосредственно свя­ зано с  процессом выпадения наносов по длине отстойника. Этот процесс весьма сложный и  зависит от многих переменных фак­ торов: ˆˆхарактера распределения продольной скорости движения воды в отстойнике по вертикали; ˆˆтурбулентности потока. Указанные факторы, влияющие на процесс выпадения нано­ сов, в  свою очередь непрерывно изменяются ввиду постепенного и неравномерного заиления камеры. Недостаточная изученность и  невозможность комплексного учета данных факторов привели к созданию приближенных мето­ дов расчета отстойников, основанных на ряде упрощающих допу­ щений. В  отстойниках эпюра продольных скоростей имеет более вы­ ровненный характер, чем в  каналах или реках, но все же донные скорости (vд) меньше средней (vср) и поверхностных (vп) (рис. 7.8) В потоке будет наблюдаться пульсация скоростей, у дна и у сте­ нок камеры будут образовываться восходящие вихры, постепенно затухающие кверху и более спокойно спадающие от поверхности воды книзу. Пульсация скоростей замедляет опускание частиц наносов на дно, придает траектории опускания криволинейную форму. vп

vп W

v v

H

1 2

vд Sк

Рис. 7.8. Эпюра продольных скоростей и расчетная схема выпадения наносов в призматической камере: 1 — действительная; 2 — расчетная траектория опускания частиц наносов

470

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

Одновременно с движением вниз зерна наносов перемещаются потоком к  выходу из отстойника, и  траектория их определяется переносной скоростью и  гидравлической крупностью. Несмотря на разную форму траекторий движения зерен на этих схемах, длина пути осаждения остается одинаковой. Определение этой длины — одна из основных задач при гидравлическом расчете отстойника. При расчете делают допущение: при осаждении зерна наносов не  влияют друг на друга (это справедливо при мутностях менее 10  кг/м3). Обычно длину камеры отстойника определяют по расчетному наиболее крупному зерну наносов Wmax, которое можно допустить в канал. Движение воды в отстойнике происходит со скоростями менее 0,15...0,2 м/с, при которых турбулизирующие возмущения обладают малой энергией. Поэтому они не  имеют практического значения и расчет осаждения наносов выполняют как при ламинарном режиме течения. Расчет камер ведут по первому такту работы отстойника на максимальный расход потребления при принятой средней продольной скорости vcp. Площадь живого сечения отстойника при этом

wот= Qк/vср,

(7.1)

где Qк — расход воды в камере. При прямоугольной форме поперечного сечения ширина отстойника при средней глубине воды Hср (в средней части камеры отстойника)

Вот = wот/Нср.

(7.2)

Исходя из эксплуатационных или других условий задают число камер, принимая, соответственно, и расход для них. Длину камеры отстойника Sк принимают равной длине отлета расчетной фракции с введением коэффициента запаса kзап = 1,2...1,5. Длину отлета расчетной фракции определяют исходя из ее положения в начальном сечении камеры на поверхности воды. Эта частица находится под воздействием двух скоростей: горизонтальной v и вертикальной W (гидравлической крупности). Уравнения движения этой частицы

Lотл= vсрt;  Hcр= Wt.

(7.3)

7.5. Определение основных размеров отстойников

471

Исключив время t, получим

Lотл= Hcрvср/W.

(7.4)

Отсюда длина камеры отстойника

Sк = kзапНсрvср/W.

(7.5)

Уравнение (7.5) получено исходя из  предположения о  прямолинейном пути осаждения расчетной частицы. В  действительности путь ее сложнее и представляет собой некоторую кривую, описать которую уравнением, пригодным для практических расчетов, невозможно. Коэффициент запаса в формуле (7.5) учитывает как отклонение пути движения частицы при ее осаждении от прямолинейного, так и  увеличение мертвого объема, необходимого для отложения наносов, и вследствие этого увеличение времени заиления камер. При промывной скорости vпр глубина воды во время промывки

hпр = Qпр/(Вкvпр),

(7.6)

где Qпр  — промывной расход одной камеры; Вк  — ширина одной камеры. Для глубины hпр вычисляем значение R и  C и  по формуле Шези находим уклон камеры отстойника:

2 J к = vпр / (С 2 R).

(7.7)

Глубина воды в начале камеры при отсутствии наносов

H1 = Hср - JкSк/2.

(7.8)

Глубина воды в конце камеры при отсутствии наносов

Н1 = Нср + JкSк/2.

(7.9)

Уклон камеры отстойника целесообразно определять для ряда значений vпр и соответственно значений rт, а затем на основе сопоставления принимать наиболее выгодный. В приведенной методике для определения размеров камер отстойников ряд начальных параметров приходится задавать, руководствуясь интуицией. В  этих расчетах длина и  ширина камеры связаны между собой, что в практических случаях часто приходится

472

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

м

5

Н

ср

4 ср

ср

Н

Н

3

м

,5 м

vср учитывать. Кроме того, эти размеры оказывают влияние и  на режим про0,35 мывки наносов. При расчете отстойников глубина воды Hcр, средняя скорость vcp, длина 0,30 камеры Sк и  ширина камеры Bк связаны между собой, и  только одна из 0,25 этих величин может быть определена по формуле. Числовые значения Hср 0,20 0 1 2 3 4 5 6 Sк/Вк и  vcр, а  отсюда и  Вср, приходится назначать до некоторой степени произ- Рис. 7.9. График для подбора размеров отстойника вольно, не зная, будут ли они удовлетс периодической промывкой ворять требуемым условиям. Для связи этих величин может быть использован график, по оси абсцисс которого откладывают отношения Sк/Вк, а  по оси ординат  — среднюю скорость vср. На  поле этого графика наносят ряд кривых, отвечающих различным значениям глубины воды (рис. 7.9). Пользуясь этим графиком, легко по одному параметру Sк/Вк найти все остальные, поскольку они зависят от него. Параметр Sк/Вк определить достаточно легко, так как нормами рекомендуется в обычных условиях назначать ширину камеры не более 35 % ее длины (в широких камерах трудно осуществлять равномерное распределение скоростей при промывке). Следует отметить, что увеличение длины камеры отстойника требуется также потому, что в приведенных выше расчетах не учтена турбулизация потока, а она в какой-то степени проявляется. Кроме того, излишек наносов (сверх тех, которые турбулентный поток может устойчиво поддерживать в канале) в потоке не выпадает на дно мгновенно, на это требуется определенное время (подробнее см. работы А.Н. Гостунского). В связи с этим длина камеры отстойника с учетам возможного дополнительного взвешивания наносов турбулизирующими возмущениями будет примерно в  2  раза больше, чем в  тех случаях, когда турбулизация потока не учитывается, т.е. kзап ≈ 2,3.

7.6. Биоинженерные сооружения на каналах

473

7.6. Биоинженерные сооружения на каналах Биоинженерные сооружения на каналах представляют собой гидротехнические сооружения или их комплекс с высаженной высшей водной растительностью (тростник, рогоз, камыш и др.). Водные растения издавна привлекали к  себе внимание исследователей. В начале XIX в. датским ботаником-географом И. Скоу для их обозначения был предложен термин гидрофиты. В дальнейшем появлялись другие наименования и  толкования общего понятия водные растения, но до настоящего времени ученые так и  не  пришли к  единому мнению относительно предложенных названий для произрастающих в воде растений. В  настоящее время большинство исследователей присоединяются к  мнению И.М.  Распопова, что «высшими водными растениями, по-видимому, следует считать травянистые растения, анатомически и морфологически приспособленные к жизни в водной среде в погруженном, плавающем на поверхности или полупогруженном состоянии, и  за ними целесообразно закрепить название “гидрофиты”». Гидрофиты интенсивно поглощают биогенные элементы, минеральные и  органические вещества, накапливают ионы тяжелых металлов и  радионуклиды, выступают в  роли минерализаторов и детоксикантов, а также мощных биофильтров пестицидов и нефтепродуктов. В зарослях водных растений осаждается значительное количество приносимых с водой минеральных и органических взвесей. Таким образом, гидрофиты являются прекрасным естественным биофильтром, предохраняющим водную массу от загрязнений и  биогенных элементов и  ограничивающим чрезмерное развитие фитопланктона. Эта особенность дает возможность использовать заросли гидрофитов для улучшения качества воды, сбрасываемой в реки и водоемы. Эффективное использование фильтрационной функции гидрофитов — один из возможных путей снижения биогенной нагрузки на водоемы. В последние годы появилось много публикаций о сооружениях и  устройствах, в  основу которых положено использование очистных свойств сообществ гидрофитов. Тростник, камыш, рогоз и  некоторые другие виды водных растений используются

474

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

у  нас в  республике для очистки и  доочистки вод животноводческих комплексов на специализированных мелиоративных системах и  биоинженерных сооружениях (совхозы «Городокский», «Белая Русь», «Заднепровский»), а также на прудах-отстойниках Новополоцкого нефтеперерабатывающего завода. В гидроэкосистемах водные растения выполняют ряд жизненно важных, тесно связанных между собой экологических средообра­ зующих и средозащитных функций — фильтрационную, окислительную, минерализационную, детоксикационную, биоцидную, аккумуляционную (накопление радиоактивных и  прочих элементов, тяжелых металлов) и  ряд других, которые не  только формируют и определяют качество вод в водоемах, но и определяют накопление и круговорот химических элементов в биоте и донных отложениях (метаболическая функция). Способность высших водных растений накапливать вещества в  концентрациях, превышающих фоновые значения, зафиксированные в  окружающей среде, обусловила их использование в  системе мониторинга и контроля состояния окружающей среды. Гидрофиты чутко реагируют на изменения среды обитания, в первую очередь гидрофизических и гидрохимических показателей — температуры, прозрачности, кислотности, солевого и другого химического состава воды, химического состава и  типа донных отложений, обеспеченности водоема биогенными веществами и др. Гидрофиты характеризуются видоспецифичными различиями по концентрации поглощенных химических элементов. Проявляются эти различия даже на уровне органов и частей одного и того же растения. Они зависят и  от сезона года, фазы развития растения, продолжительности его вегетации и т.п. Свободноплавающие гидрофиты (ряска, водокрас, трехдольница, многокоренник и др.) получают элементы минерального питания преимущественно из воды, поэтому интенсивность накопления того или иного элемента в них зависит в первую очередь от концентрации данного элемента в воде, а также от рН среды. Высокая поглотительная способность водных растений делает их идеальными тестовыми объектами для количественного и качественного определения антропогенных химических нагрузок на водоем, происходящих во время всего вегетационного цикла.

7.6. Биоинженерные сооружения на каналах

475

Укореняющиеся гидрофиты с плавающими листьями (кубышка, кувшинка и  др.) получают значительную часть химических элементов из донных отложений. Наличие развитой корневой системы и активного транспорта из корней к листьям позволяет использовать их для определения антропогенных химических нагрузок, полученных в  течение не  только текущего сезона (по химическому составу листьев), но и предыдущих (по химическому составу корневища и корней). Полностью погруженные гидрофиты, как укореняющиеся, так и неукореняющиеся, на протяжении вегетационного сезона могут менять источники поступления химических веществ в свои ткани. Для растений с мощной корневой системой донные отложения являются основным источником поступления вещества при значительной роли водной массы. Для растений, не имеющих связи с грунтом, источником поступления этих веществ в ткани является вода. Это повышает эффективность их использования в  качестве индикаторов антропогенной трансформации гидрохимического режима водоема при значительном уровне загрязнения водной среды. Обобщенно можно утверждать, что растения одного вида накапливают в тканях тем больше химических элементов, чем больше их содержится в воде в доступном для растения виде. К  настоящему времени разработаны и  успешно применяются различные конструкции и комплексы гидротехнических сооружений с использованием высшей водной растительности (гидрофитов). Мелиоративный биоканал для очистки загрязненных поверх­ ностных и дренажных вод (проф. В.И. Желязко и др., УО «БГСХА») предназначен для биологической очистки (доочистки) поверхностных и дренажных вод в условиях антропогенно загрязненных агроландшафтов, при создании водооборотных мелиоративных систем. Схема конструкции биоканала приведена на рис. 7.10. Мелиоративный биоканал имеет трапецеидальную форму поперечного сечения с бермами и осуществляет многоступенчатую очистку воды посредством высших водных растений. На  дне канала высажены высокостебельные высшие водные растения (рогоз узколистный, тростник и  др.), на нижних бермах и  откосах между нижними и  верхними бермами расположены посадки растений, допускающих подтопление корневой системы и кратковременное затопление

476 а

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники 8

7

б 8

6

7

5

bб

b

2

5

m

1

9

hвес.п hб hл.ос.п m

m

3

12

2 1

3

6

4 10

11

3

Рис. 7.10. Схема конструкции мелиоративного биоканала для очистки загрязненных поверхностных и дренажных вод: 1 — дно канала; 2, 4, 6 — откосы канала; 3, 5 — нижняя и верхняя бермы; 7 — бровка; 8  — высшие водные растения; 9  — валик из остатков, переносимых стоком; 10 — уровень воды при пропуске Qбыт (бытового расхода); 11 — уровень воды при пропуске Qл.-ос.п; 12 — максимальный расчетный уровень воды; b  — ширина биоканала по дну; bб  — ширина бермы при пропуске бытовых расходов (Qбыт); bл.-ос.п — ширина бермы при пропуске летне-осенних дождевых паводков; hб  — уровень воды в  бытовой период; hл.-ос.п  — уровень воды при пропуске летне-осенних дождевых паводков; hвес.п  — уровень воды при пропуске весеннего половодья; т1–т3  — коэффициенты заложения откосов канала

в  период их вегетации (например, осоковые). На  верхних бермах расположена кустарниковая растительность, а  на откосах канала выше верхних берм осуществлен посев многолетних трав с увеличенной в два раза нормой высева. Дно канала в плане имеет зигзагообразную форму с  чередованием участков с  прямым, нулевым и обратным уклоном. Уровни и скорости движения воды в биоканале регулируются в  зависимости от требуемой степени очистки, условий пропуска их расчетного расхода и биологических особенностей развития растений. Для исключения вторичного загрязнения предусмотрена уборка высшей водной растительности после завершения ежегодного цикла работы биоканала. Нижняя берма  3 (см. рис.  7.10) выполняется на отметке воды в биоканале в бытовой период, верхняя берма 5 — на отметке воды в период летне-осеннего дождевого паводка. Выше верхней бермы располагают откосы 6 до бровки 7 биоканала для пропуска весеннего паводка. Для эффективной очистки поверхностных и  дренажных вод и нормальной жизнедеятельности высшей водной растительности необходимо поддерживать минимальные скорости движения воды

477

7.6. Биоинженерные сооружения на каналах

в  биоканале: в  меженный период  — до 0,4  м/с, в  период летнеосеннего паводка  — до 0,6  м/с, в  период весеннего паводка скорость воды должна быть меньше размывающей. Биоинженсрное сооружение для очистки сточных вод (СевНИИГиМ) предназначено для очистки поверхностного и дренажного стока сельхозугодий, ливневых и  талых вод от объектов инфраструктуры сельхозпроизводства. Биоинженерное сооружение представляет собой водоохранное сооружение в виде каскада прямоугольных интенсивно дренируемых наклонных площадок с посадкой влаголюбивой растительности. Очистка воды происходит при стекании тонким слоем по поверхности площадок и при фильтрации через фунтовый биофильтр в дренажную систему. Схема конструкции биоинженерного сооружения приведена на рис. 7.11. Для устройства сооружения данного типа пригодны участки с  уклонами поверхности 0,04...0,08 на почвах тяжелого, среднего и легкого механического состава и с близким залеганием водоупора. Режим подачи загрязненных вод на сооружение прерывистый: полив в течение 2...7 сут., перерыв 2...7 сут. (в зависимости от толщины и стабильности фильтрационных свойств биофильтра). Длина отдельных секций сооружения принимается от 10 до 40 м с уклоном поверхности не менее 0,005. На  рис.  7.12 приведена конструкция гравитационно-биологического отстойника (проф. В.И.  Желязко, УО «БГСХА»). В  данной конструкции сопряжены обычный (гравитационный) отстойник и биоотстойник. 1

2

3

4

5

6

7

8

3

7

9

Рис. 7.11. Схема конструкции биоинженерного сооружения для очистки сточных вод: 1  — подводящий трубопровод (канал); 2  — головное сооружение; 3  — водослив; 4  — водонепроницаемый экран; 5  — секции биоинженерного сооружения; 6 — грунтовой биофильтр; 7 — дренажная система; 8 — перемычка; 9 — водосбросной канал

478

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники 2 1

А

А

6 3

5

А–А 1

6

5

4

2

4

2

3

Рис. 7.12. Гравитационно-биологический отстойник для очистки загрязненных вод: 1 — выходной канал; 2, 5 — секции отстойника; 3 — входной канал; 4 — струенаправляющая грань; 6 — высшая водная растительность

Загрязненная вода через входной канал  3 подается в  первую секцию  2 отстойника. Вследствие резкого увеличения площади живого сечения потока скорость движения воды уменьшается и взвешенные вещества выпадают на дно первой секции 2. В связи с  тем что первая секция  2 отстойника выполнена глубиной большей, чем вторая секция 5, а также с тем, что первая секция в плане выполнена в  виде окружностей, сопряжение секций отстойника образует струенаправляющую грань 4. Ось входного канала пересекает окружности, образующие первую секцию  2 отстойника, по хорде, меньшей их диаметра, поэтому во время движения воды по первой секции поток воды отклоняется в  стороны струенаправляющей гранью 4. Возникает медленное круговое движение воды, в  результате путь ее прохождения по первой секции отстойника

7.6. Биоинженерные сооружения на каналах

479

значительно увеличивается, что способствует более полному выпадению взвешенных частиц в осадок. По мере заполнения первой секции отстойника верхний (наиболее очищенный) слой воды переливается через струенаправляющую грань  4 и  поступает во вторую секцию 5 с  высшей водной растительностью 6, где происходит биологическая очистка воды от растворенных в ней химических соединений. При пропуске промывных расходов (например, наименее загрязненных химическими соединениями паводковых вод при использовании отстойника в  качестве конструктивного элемента гидромелиоративных систем) повышенные скорости потока с круговым движением способствуют промывке первой секции отстойника. При ее недостаточности можно периодически подчищать эту секцию экскаваторами, причем высшая водная растительность не повреждается, так как она культивируется только во второй секции отстойника. Вторая секция отстойника в  плане выполнена сужающейся к выходному каналу 1, что приводит к постепенному увеличению скорости потока и препятствует заилению этой секции. Вторая секция отстойника в вертикальной плоскости выполнена глубже, чем выходной канал. Поэтому в  ней будет поддерживаться необходимый для нормальной жизнедеятельности высшей водной растительности уровень воды даже при кратковременном прекращении ее подачи в отстойник (по технологическим причинам или природным факторам). Площадь F, занимаемая макрофитами, определяется из соотношения W (C i − ПДК i ) F = , (7.10) Vi где W — объем очищаемой воды, м3; Сi — концентрация i‑го загрязняющего элемента в очищаемой воде, г/м3; ПДКi — предельно допустимая концентрация i-го элемента, г/м3; Vi  — очистительная способность макрофитов по снятию i‑го загрязнителя в  очищаемой воде, г/м2. Расчеты проводятся для всех загрязнителей, концентрации которых превышают ПДК. За  расчетную принимается наибольшая площадь.

480

Глава 7. Водозаборные сооружения и отстойники

Радиус окружности первой секции двухсекционного отстойника по дну рассчитывается по зависимости

r =

Q − vmh2 , 2vh

(7.11)

где Q — расход очищаемой жидкости, проходящей по каналу, м3/с; v — средняя скорость движения воды по первой секции, м2/с; m — коэффициент заложения откосов первой секции; h — глубина потока воды в первой секции при пропуске расчетного расхода, м. Среднюю скорость потока можно определить по формуле

v = AQ0,2,

(7.12)

где А  — эмпирический коэффициент, А  = 0,033 для W   3,5; W — средневзвешенная гидравлическая крупность наносов, мм/с; Q — расчетный расход, м3/с. Ориентировочно среднюю скорость потока в  зависимости от средневзвешенной гидравлической крупности наносов можно принять в пределах 0,02...0,05 м/с. Расстояние между центрами окружностей первой секции равно

В = (0,7...0,8)2r.

(7.13)

Глубина второй секции отстойника принимается на 0,2...0,4  м больше глубины канала, первой  — на 0,7...1,0  м больше глубины второй. Предлагаемый отстойник значительно улучшает экологическую обстановку и  может быть использован в  качестве как самостоятельного очистного сооружения, так и  конструктивного элемента комплекса сооружений по очистке загрязненных в  процессе производства вод.

Глава

8 Регулирование русел, борьба с затоплением территорий, водной эрозией почв, оврагообразованием 8.1. Общие сведения Под термином русловой поток принято понимать всякого рода поверхностный водоток, протекающий по более или менее размываемому руслу и  взаимодействующий с  ним. Это взаимодействие заключается в  том, что любое изменение формы русла вызывает соответствующее изменение гидравлической структуры потока, а поток новой гидравлической структуры, в свою очередь, влияет на форму русла, постоянно его изменяет — деформирует. При этом изменение формы русла сразу же сказывается на изменении структуры потока, а влияние структуры потока на формирование русла проявляется постепенно и в зависимости от рода грунтов, слагающих русло, может продолжаться в  течение более или менее длительного периода времени. Русловые потоки в  естественном состоянии далеко не  всегда можно использовать для различных водохозяйственных целей без соответствующего регулирования их режима. Поскольку режим всякого руслового потока определяется условиями стока и эрозионной деятельности воды в  русле, то и  регулирование его проводят с помощью мероприятий, воздействующих или на режим водного стока, или на режим эрозионных процессов. В  соответствии с этим различают два вида регулирования — регулирование водного стока и регулирование русел.

482

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

Вопросы регулирования водного стока рассматриваются в курсе «Гидрология, гидрометрия и регулирование стока». Деформация русел водных потоков очень часто нежелательна для хозяйственной деятельности человека. Примеры подобных деформаций: ˆˆсмыв дождевыми и талыми водами плодородных почв; ˆˆразмыв берегов, вызывающий разрушение прибрежных земель, дорог и построек; ˆˆразделение рек на рукава и протоки, образование мелей, кос и перекатов, ухудшающее условия судоходства; ˆˆзанесение верхнего и размыв нижнего бьефа; ˆˆблуждание русла, сопровождаемое отходом стержня потока от водозаборных сооружений, пристаней и затонов; ˆˆразливы рек, вызывающие наводнения, и т.п. Указанные обстоятельства нередко вызывают значительные затруднения при водохозяйственном использовании русловых потоков и  вынуждают изменять естественный (бытовой) режим русловых процессов при помощи искусственных мероприятий, т.е. строительства так называемых защитных и  регуляционных (выправительных) сооружений. Для различных отраслей водного хозяйства можно сформулировать следующие задачи регулирования русел: ˆˆзащита берегов от размыва; ˆˆулучшение условий водозабора; ˆˆподдержание судоходных глубин на фарватере; ˆˆобвалование земель и рек; ˆˆрегулирование рек-водоприемников; ˆˆупорядочение транспортирования наносов; ˆˆсокращение или увеличение водности некоторых рукавов или проток; ˆˆзащита от подмыва одиночных опор в  русле или тру­бо­про­ во­дов-дюкеров. В  общем задачей регулирования русел является изменение руслообразовательных процессов таким образом, чтобы в  результате образовалось и стабилизировалось русло желательной формы и размеров.

8.2. Движение наносов в реках и каналах

483

8.2. Движение наносов в реках и каналах В  потоке существуют две качественно различные формы движения наносов: 1) более крупные и  тяжелые частицы (донные наносы) перемещаются по дну в виде гряд в результате перекатывания или перебрасывания (сальтации) под действием гидродинамических сил, проявляющихся в придонном слое; 2)  мелкие частицы (взвешенные наносы) находятся в  потоке на разных уровнях и в таком состоянии могут по весьма сложным неправильным траекториям переноситься на большие расстояния. Они или смешиваются с донными наносами, или оседают на дно в  областях слабых течений и  застойных зонах, образуя слоистый наилок. Деление наносов на донные и взвешенные весьма условно. К  источникам образования наносов в  реках можно отнести водную эрозию в  широком смысле этого слова. Различают два ее вида: ˆˆсклоновая (внерусловая водная эрозия на водосборной поверхности), которая в свою очередь делится на два подвида — плоскостной смыв и линейная эрозия; ˆˆрусловая, при которой наносы поступают в русло реки в результате русловой деятельности потока (размывы берегов и  дна русла, обрушение берегов при их подмыве, размывы поверхности поймы и т.п.). Отложения наносов и  движущиеся наносы обычно представляют собой смеси частиц разного размера. Содержание частиц различной крупности в  данной смеси характеризуется кривой ее гранулометрического состава. Для большинства наших рек характерно подавляющее преобладание расхода взвешенных наносов над расходом донных наносов и преобладание донных наносов над взвешенными в отложениях. Воздействие взвешенных наносов на русловые деформации практически неуловимо, однако влияние этих наносов на деформации поймы огромно. Общая направленность руслового процесса на том или ином участке потока зависит от степени насыщения его наносами.

484

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

В  случае перенасыщения потока происходит выпадение наносов и заиление русла, а в случае недостаточного насыщения, наоборот, поток взвешивает с поверхности русла частицы наносов и размывает русло. Такой характер периодического взвешивания и  осаждения частиц наносов является основной причиной, определяющей характер деформаций русла водных потоков. Одной из основных характеристик состава наносов является гидравлическая крупность  — скорость равномерного нестесненного падения зерен в  стоячей воде. В  общем случае гидравлическая крупность зависит от плотности частицы, ее объема и формы, вязкости жидкой среды (воды), мутности и степени турбулентности самого потока. Частицы наносов будут подниматься вверх в том случае, если они находятся в объеме воды, перемещающемся вверх со взвешивающей скоростью, большей, чем гидравлическая крупность, в противном случае произойдет осаждение частиц наносов указанной крупности. Движение взвешенных наносов происходит в весьма сложных условиях. Существуют диффузионная и  гравитационные теории движения взвешенных наносов, которые рассматривают распределение этих наносов по вертикали. Степень насыщения водного потока взвешенными наносами принято характеризовать мутностью, определяемой весовым или объемным количеством наносов, содержащихся в единице объема воды. Ориентировочное количество взвешенных наносов, переносимых рекой, можно определить по формуле Г.В.  Лопатина, связывающей общую мутность потока с его гидравлическими элементами:

ρср =

4v J 4 hJ = , 2 nW nWh0,17

(8.1)

где ρср — средняя мутность потока, г/м3; h — средняя глубина потока, м; v — средняя скорость течения воды, м/с; J — продольный уклон потока; п — коэффициент шероховатости русла; W — средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных наносов, м/с. В отношении взвешенных наносов большой практический интерес представляет так называемая транспортирующая способ-

485

8.2. Движение наносов в реках и каналах

ность потока, т.е. та наибольшая или предельная мутность, которую поток может иметь при данных гидравлических условиях. Транспортирующая способность потока зависит не  только от гидравлических характеристик потока, но и от количества, состава, размеров, формы частиц и других свойств наносов. Учет всех этих факторов представляет значительные трудности, чем и объясняется наличие большого числа формул, предложенных для определения транспортирующей способности потока. Для определения транспортирующей способности потока известны формулы Е.А. Замарина, А.Н. Гостунского, А.Г. Хачатряна, В.А. Шаумяна, В.Н. Гончарова, П.В. Михеева и др. Формула Е.А.  Замарина для условий 0, 002 ≤ W ≤ 0, 008  м/с имеет вид

ρт = 0, 002  v  W 

3/2

RJ ,

(8.2)

где ρт  — транспортирующая способность, кг/м3; R  — гидравлический радиус, м; J — уклон свободной поверхности воды. При 0, 0004 ≤ W ≤ 0, 002 м/с формула принимает вид ρт = 11v



RJv . W

(8.3)

Средневзвешенную гидравлическую крупность определяют как среднее арифметическое по формуле W =

∑Wi pi ,

(8.4) 100 где pi  — содержание рассматриваемой фракции в  общем составе наносов в процентах по весу; Wi — средняя гидравлическая крупность данной фракции наносов, определяемая по формуле



Wi =

W1 + W2 + W1W2 , 3

(8.5)

где W1 и  W2  — наименьшая и  наибольшая гидравлическая крупность частиц, входящих в данную фракцию. Для определения расхода донных наносов предложено много зависимостей (И.И. Леви, В.Н. Гончарова, Г.В. Лопатина, Л.Г. Гве-

486

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

лесиани и  др.). Например, формула И.И.  Леви получена из рассмотрения условия устойчивости поверхностного слоя наносов на единице площади дна с осреднением схемы явления и принятием в  качестве действующих сил касательного усилия, собственного веса движущегося слоя наносов, подъемной силы и силы трения

(

qн = 2 v / gd

)

3

d (v − v0 )(d /h)0,25,

(8.6)

где qн  — единичный расход донных наносов, кг/с на 1  м ширины русла; v — средняя скорость потока, м/с; g — ускорение свободного падения, м/с2; d  — средний диаметр наносов, м; v0  — скорость трогания частиц наносов, м/с; h — глубина потока, м.

8.3. Формирование русел и основные направления воздействия на эрозионные процессы Формирование речных русел. Формирование речного русла происходит при взаимодействии сил потока и  сопротивления грунта ложа размыву. В естественных руслах в потоке развиваются поперечные циркуляции струй и  русло из прямолинейного неизбежно превращается в  криволинейное в  плане с  неравномерным распределением глубин как по поперечному сечению, так и по продольному профилю. Если рассматривать бассейн реки в целом (рис. 8.1), то можно отметить, что продольные уклоны в верхнем течении реки являются наибольшими и уменьшаются вниз по течению, приближаясь к нулю в устье. Поэтому в верховьях реки, где скорости наибольшие, преобладает глубинная эрозия, река постепенно врезается в грунт дна и  русло понижается. Продукты размыва (наносы) перемещаются потоком вниз по течению. В нижнем течении, где уклоны и скорости уменьшаются, происходит преимущественно аккумуляция, т.е. общее отложение наносов, принесенных сверху, повышение дна реки, удлинение и искривление русла в плане.

487

8.3. Формирование русел и направления воздействия на эрозию а I II II

б

Верхнее течение

Среднее течение

Глубинная эрозия (опускание дна)

Временное равновесие (боковая эрозия)

Нижнее течение Аккумуляция (поднятие русла)

Область эрозии Конус выноса в I II I II

Понижение русла

Старые русла

Рис. 8.1. Схема эрозионных процессов в реке (по Ф. Шаффернаку):

а — продольный профиль реки; б — план реки; в — форма русла; I — первоначальный профиль русла; II — профиль русла спустя некоторое время

В  среднем течении наблюдаются и  глубинная эрозия, и  аккумуляция; наносы приносятся сверху и сносятся вниз. Наблюдается временное объемное равновесие между отложением и  размывом. Боковая эрозия особенно развивается под действием циркуляционных течений. Боковая эрозия. Основное русло рек обычно имеет извилистую форму в  плане, которая образуется в  результате боковой эрозии русла. Причинами боковой эрозии служат поперечная циркуляция, свойственная всякому поступательному движению жидкости; центробежные силы, возникающие на изгибах русла; действие силы Кориолиса, связанной с  вращением земного шара; неустановившийся характер руслового потока и разные случайные обстоятельства (обвалы берегов, засорение русла, волновые явления и др.).

488

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

Наиболее сильно на боковую эрозию влияют центробежные силы, возникающие на поворотах русла и действующие по направлению радиусов кривизны (рис. 8.2, а):

2 Fц = αmv  (кг ⋅ м/с2), R

(8.7)

где m — масса воды, движущейся по закруглению, кг; R — радиус закругления, м; α — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей в поперечном сечении и равный 1,0...1,1. Центробежные силы вызывают у вогнутого берега повышение, а у выпуклого берега — понижение уровня воды, образуя при этом разность уровней Δh (рис. 8.2, б). Угол наклона поверхности воды определяется соотношением

tg β =

Fц = ∆h , P B

(8.8)

где

2 ∆h = αv B ; Rg

(8.9)

В — ширина русла по урезу воды, м. Так как скорости течения уменьшаются с  глубиной, то и  центробежные силы, согласно формуле (8.7), убывают. Под действием этой системы сил равновесие жидкости в поперечном сечении нарушается, вследствие чего в  потоке возникает поперечное вращательное движение жидкости (рис. 8.2, в). Отдельные частицы воды, участвуя одновременно в  продольном и  поперечном течении, в  результате двигаются по сложным винтообразным траекториям (рис.  8.2,  г), поэтому живое сечение реки на криволинейном участке никогда не бывает симметричным. Еще одной причиной, способствующей возникновению боковой эрозии и поперечной циркуляции, является вращение земного шара (закон Кориолиса). На прямых участках и в однородных грунтах речной поток вырабатывает в  общем симметричное русло примерно параболической формы. Однако как прямолинейный участок, так и  симметричное живое сечение неустойчивы. Еще в  1934  г. на основании

489

8.3. Формирование русел и направления воздействия на эрозию б

Fц

а В

v

B 

h P  mg

Fц 

R

г в B

1

2

3

4

Рис. 8.2. Движение потока и формирование русла на криволинейном участке: а  — действие центробежной силы на изгибе; б  — образование поперечного уклона; в  — поперечная циркуляция и  формирование живого сечения; г  — движение поверхностных и  донных струй на изгибе русла; 1  — отложение наносов; 2 — размыв; 3 — поверхностные струи; 4 — донные струи

экспериментальных исследований А.И. Лосиевский установил, что поперечная циркуляция является основным свойством всякого поступательного движения жидкости, которая на изгибе русла лишь усиливается, но существует и на прямолинейном участке. Вследствие указанных причин и ряда других обстоятельств все без исключения русловые потоки представляют собой непрерывный ряд извилин, лишь изредка прерываемых короткими более или менее прямолинейными участками. Следовательно, извилистая форма речных русел в плане естественна и наиболее устойчива. Иногда начало и конец излучины реки сближаются, образуется прорыв перешейка (происходит естественное спрямление русла), и излучина превращается в староречье (рис. 8.3, а). Длительными и систематическими промерами русла на размываемых участках установлено наличие общего перемещения извилины в направлении течения (рис. 8.3, б). Это объясняется тем, что наибольший размыв русла у  вогнутых берегов наблюдается несколько ниже вершины кривой изгиба и вследствие винтообразного движения потока одновременно с размывом одного берега происходит наращивание другого.

490

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий а

2

б

3

4

5

6

1

Рис. 8.3. Деформация русла в плане:

а  — образование староречья; б  — перемещение извилины вниз по течению; 1 — спрямление; 2 — староречье; 3–6 — местоположение вершины кривой

На изгибе русла в плане динамическая ось потока переходит от вогнутого берега к противоположному. Точно так же поток донных наносов переходит от выпуклого берега к противоположному в виде сосредоточенной полосы наносов (рис. 8.4, а) и их движение в ос­ новном происходит вдоль выпуклых берегов. При пересечении линии фарватера с потоком донных наносов глубина уменьшается и образуется так называемый перекат. Очертание русла в плане и в профиле у переката показано на рис. 8.4, б–г. На плесах уклоны меньше, чем на перекатах. В паводок уклон водной поверхности выравнивается, а ступенчатость дна увеличивается из-за углубления плесов и намыва перекатов. В межень скорости на перекатах возрастают, и они усиленно размываются. Рассмотренные особенности формирования русел показывают, что продольные и поперечные профили русловых потоков непрерывно изменяются и могут быть самой разнообразной формы. Основные направления воздействия на эрозионные процессы. Регулирование русел в верхнем течении должно быть направлено главным образом на борьбу с глубинной эрозией (понижением дна реки), в  среднем  — на борьбу с  боковой эрозией (блужданиями русла), в нижнем — на борьбу с отложением наносов и повышением дна реки. Мероприятия, проводимые в верхнем течении по борьбе с эрозией, влияют на режим нижних участков, так как объем приносимых сверху наносов уменьшается. Следовательно, регулирование любого участка русла оказывает значительное влияние на режим нижележащих участков. В период паводков, когда в реке наблюда-

491

8.4. Методы регулирования русел а

1 2

в

1

б

I

4

1

I

5

4

5

3 I I–I

г

3 2

I I–I

УВ УВВ

УВВ

УМВ

УМВ

1

4

2

1

4

2 УВ

2

Рис. 8.4. Образование перекатов:

а — движение донных наносов вдоль реки; б — нормальный перекат; в — сдвинутый перекат; г — поперечные и продольные профили; 1, 2 — верхний и нижний плесы; 3, 5 — верхняя и нижняя косы (побочни); 4 — гребень переката

ются самые большие расходы и  скорости течения воды, воздействия потока на русло наиболее сильны и резки, поэтому регулирование стока, снижающее высоту и объем паводков, благотворно влияет и на регулирование эрозионной деятельности потока.

8.4. Методы регулирования русел Борьба с эрозией и разрушением склонов бассейна. Процесс эрозии реки начинается с размыва склонов речного бассейна, происходящего под действием стекающей по нему атмосферной воды (дождевой, от таяния снега). Размыв склонов дополняется местными обрушениями земляных масс, оползнями, осыпями, обвалами,

492

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

происходящими главным образом вследствие действия грунтовых вод и  подмыва подножия склона речными водами, процессов выветривания и действия атмосферных осадков. Продукты разрушения склонов в  виде песчаных и  глинистых масс, щебня и  камня попадают в  речные русла и  уносятся затем водой в виде наносов — донных или взвешенных. Поэтому борьба с  разрушениями склонов приводит к  уменьшению поступления наносов в реку и обеспечивает возможность использования самих склонов, особенно горных, для культурно-хозяйственных целей. Меры борьбы с  разрушением склонов заключаются прежде всего в повышении сопротивляемости склонов размыву путем создания и поддержания на склонах травяной и древесной растительности, ведения правильного лесного хозяйства, сохраняющего лес и почву склонов, и принятия мер против вытаптывания растительности пасущимся скотом. Однако эффект указанных мероприятий может проявиться лишь через несколько лет, в  течение которых смыв почвы может иметь катастрофические последствия. В  этих случаях принимают меры к уменьа 1 шению размывающей силы поверхностного стока путем устройства валиков, террас и  канав, задерживающих сток (рис. 8.5). Валики 1 устраивают примерно 234 по горизонталям склона. Накопившаяся за ними вода частично про- 232 1 сачивается в  грунт, что благопри230 ятствует развитию вдоль валиков 2 растительности, а частично стекает 228 по особым деревянным или бетонным лоткам  2; это ведет к  умень- б шению глубины слоя стекающей воды. Полезно также устраивать палисады, плетни и  заборы, задерживающие размытые и движущиеся вниз частицы грунта, образуюРис. 8.5. Методы закрепления щие затем терраски. склонов: Борьба с наводнениями. Наво- а  — валами (1  — валик; 2  — лоднение — затопление паводковыми ток); б — плетнями

8.4. Методы регулирования русел

493

водами больших территорий  — является в  ряде случаев настоящим стихийным бедствием. Массы воды, поступающие в русло и на пойму при выпадении ливней на водосборе или при интенсивном таянии снега и льда (в верховьях горных рек), обладают огромной разрушительной силой. Особенно катастрофический характер носят наводнения на южных реках, где водосборные площади имеют большие уклоны. На равнинных реках при наводнении затоплению подвергаются поймы с сельскохозяйственными угодьями, постройками и пр. К мероприятиям по защите прилегающих к реке территорий от наводнения относятся: ˆˆобвалование  — ограждение защищаемого участка системой дамб (валов); ˆˆповышение пропускной способности русла  — пропуск тех же паводковых расходов при более низких уровнях; ˆˆуменьшение расхода на данном участке реки (разгрузка русла) с  помощью разгрузочного канала или регулированием паводкового стока (создание водохранилищ). Обвалование применяют как для защиты земель от затопления, так и  для регулирования и  управления водным потоком на поймах. Обвалование бывает односторонним, когда защищают земли на одном из берегов, и двусторонним, когда дамбы возводят на обоих берегах. Дамбы (валы) подразделяют на две группы: ˆˆбереговые, размещаемые вдоль речного русла с некоторыми спрямлениями на его извилинах,  — работают под напором в  период летних паводков в  течение 25...30, иногда 45  дней, во время зимних ледовых заторов — в течение 10...20 дней; ˆˆозерные, возводимые для защиты от затопления отдельных участков прибрежных земель или населенных мест,  — работают под напором 2...3 мес. в году, подвержены более интенсивному по сравнению с береговыми дамбами воздействию волнобоя. Дамбы трассируют по повышенным участкам русла с  целью уменьшения их объема; расстояние между дамбами (при двустороннем обваловании) или дамбой и  противоположным берегом (при одностороннем обваловании) принимают по возможности постоянным, избегая резких сужений или расширений. Прямо­ линейные участки сопрягают плавными кривыми. Дамбы (валы)

494

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

возводят из местного грунта с  соблюдением рекомендаций, относящихся к  земляным плотинам, с  учетом воздействия на основание и мокрый откос продольного течения. Для удаления вод, собирающихся за дамбами (на обвалованной территории), вдоль дамб делают сборные каналы, из которых воду выводят через дамбу в  русло по трубе с  затвором (во время низких уровней в реке) или с помощью насосов. Обвалование существенно изменяет характер протекания речного потока: при прохождении паводка повышаются уровни, увеличиваются расходы, скорости, усложняется сопряжение притоков с руслом и пр. При равномерном движении обвалование рассчитывают, по предложению М.М. Гришина, исходя из условия, что продольный уклон потока J остается таким же, как и  до обвалования, определяя подъем уровня в русле между дамбами Δh по сравнению с бытовым уровнем до возведения дамб. Расход в реке выражается зависимостью Шези (рис. 8.6): Q = ωC RJ ≈ ωC hJ = ω1C1 h1 J + ω 2C2 h2 J + ω 3C3 h3 J , (8.10) где ω — общая площадь поперечного сечения русла и поймы; C — скоростной коэффициент; h — средняя глубина в русле с поймой; wi, Ci, hi — соответствующие величины для каждого участка русла и поймы. Расход в пространстве между дамбами после их возведения

Q = ω0C0 R0 J ≈ ω0C0 h0 J ,

(8.11)

где ω0 — площадь поперечного сечения обвалованного русла, w0 = = b3h0 = B0h0 = B0(h3 + Dh); C0, R0, h0 — соответствующие величины обвалованного русла.

1

h

b3  B0 0 3

b1

2 b2

B

Рис. 8.6. Схема расчета обвалования по предложению М.М. Гришина

495

8.4. Методы регулирования русел

Имея в виду, что Q = Q1 + Q2 + Q3 и уклон J после обвалования не изменился, можно по заданному значению Q (или по сумме расходов в русле и на пойме) вычислить глубину в обвалованном русле h0, а затем найти Δh для определения отметок гребня дамб. Если задаться высотой дамб, т.е. h0 = h3 + Dh, то из зависимости (8.11) можно определить расстояние между дамбами:

(

B0 = QI h03 / 2C0

)

J .

(8.12)

Можно определить Δh и  другим путем. Запишем выражения расхода до обвалования Q = BhC hJ и  после обвалования Q = B0 h0C0 h0 J . При C = C0 Bh hJ = B0 h0 h0 J

h0 = h 3 B2 /B02   и  ∆h = h0 − h = h

(

3

)

B2 /B02 − 1 .

(8.13)

Имеются и другие способы расчета (Ю.А. Ибад-Заде и др.). Нужно иметь в виду, что скоростной коэффициент C для русла и  поймы (особенно покрытой растительностью) различен. Кроме того, данные способы расчета лучше использовать как предварительные, так как паводок проходит в  виде волны, т.е. с  переменным расходом. В  специальной литературе можно найти рекомендации по расчету прохождения паводковой волны. Повышение пропускной способности русла для понижения паводковых уровней осуществляют двумя путями: ˆˆуменьшением гидравлических сопротивлений русла (удаление из русла и  с  поймы древесной и  кустарниковой растительности, что не всегда желательно; очистка русла от камней, попавших в  него при ледоходе или обвале берегов, карчей  — затопленных бревен; срезка различного рода выступов в русле; смягчение поворотов; ликвидация сооружений, вызывающих в русле искусственный подпор,  — рыбных заколов, мельничных плотин без ущерба для хозяйственных интересов; ликвидация ледяных заторов и др.); ˆˆспрямление петель (меандров). В этом случае русло как бы делится на два рукава (один из них постепенно закрывается). Спрямление излучины русла прокопом приводит к увеличению уклона на этом участке русла. Увеличенный уклон способствует увеличению пропускной способности, которое распространяется на некоторое расстояние выше и ниже спрямления, обусловливая понижение уровней в  прокопе и  распространение вверх и  вниз по течению соответственно кривой подпора и спада.

496

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

Уменьшение расхода путем разгрузки русла приводит к  снижению уровней на заданном участке. Разгрузочный канал отводят из реки выше защищаемого участка и  соединяют с  рекой значительно ниже по течению или с  ближайшим соседним водоемом (рекой, озером, морем). Иногда воду транспортируют на близлежащие пустынные территории, где она испаряется, или используют для кольматажа либо лиманного орошения земельных угодий. Расчет можно проводить по формуле Шези (для основного русла и  отвода) с  построением кривой спада от начала деления потока вверх и проверкой участка спада по скоростям. Борьба с оврагами. Овраги представляют собой крупные промоины обычно со многими ответвлениями, образующиеся вследствие эрозионной деятельности снеговых и  дождевых вод. Они наиболее распространены в  районах, сложенных рыхлыми, легко размываемыми отложениями (лёссами, суглинками и  др.). Для оврагов характерно V-образное поперечное сечение с  крутыми склонами. Овраги — это один из главных источников поступления наносов в реки. Борьба с оврагами заключается в проведении мероприятий по предотвращению их роста: ˆˆрегулирование первичного стока на водосборной площади; ˆˆустройство нагорных канав для перехвата поверхностного стока на пути к  оврагу и  устройство сопрягающих сооружений (мощеных лотков, быстротоков, перепадов — ступенчатых или консольных) для обеспечения безопасного спуска этой воды на дно оврага; ˆˆзакрепление русла водотока, протекающего по дну оврага, донными порогами различной конструкции. Проведение этих мероприятий ведет к  прекращению интенсивного роста оврага и  постепенному уполаживанию его склонов под действием выпадающих на них атмосферных осадков. Рекомендуется искусственно уполаживать склоны оврагов и закреплять их одерновкой или насаждениями, что позволяет использовать эти склоны в хозяйственных целях.

8.5. Регуляционные сооружения

497

8.5. Регуляционные сооружения Регуляционными (выправительными) называются речные сооружения, служащие для управления водным потоком без его перекрытия. Они классифицируются по следующим признакам: ˆˆназначение (типам решаемых задач): защитные (для защиты от размыва берега, откоса дамбы, опор мостов и т.д.), выправительные (для удержания потоков на проектной оптимальной трассе), дамбы обвалования (для защиты земель и объектов от затопления в половодье поверхностным потоком), комплексные и прочие (наносоуправляющие, укрепление дна в проранах, перекрытие проток и т.д.); ˆˆместоположение: русловые и пойменные; ˆˆхарактер производства работ: аварийные и  выполняемые в плановом порядке (при строительстве и реконструкции); ˆˆвзаимодействие с потоком: глухие, сквозные (проницаемые), переливные, поверхностные и комбинированные; ˆˆприменяемые строительные материалы: земляные, каменные, деревянные, бетонные, железобетонные, металлические, биологическое крепление, комбинированные; ˆˆрасчетный срок службы: временные и постоянные; ˆˆориентация относительно оси потока: продольные (дамбы, одежды откосов, прорези и др.), поперечные (шпоры, пороги, траверсы и  др.) и  донные (укрепление поверхности дна отсыпкой камня, хворостяные выстилки и др.). Рассмотрим простейшие конструкции регуляционных сооружений. Конструкции фашин представлены на рис.  8.7. Перевя­ зывают их вицами, сделанными из камыша, осоки, тростника или хвороста (легкие фашины) или проволокой. Прутяной канат  — разновидность легких фашин. Он несколько тоньше в поперечнике (0,1...0,15 м), но длина его может быть очень большой; для него пригоден только прямой гибкий ивовый хворост свежей рубки. Применяют прутяной канат для соединения отдельных элементов хворостяных сооружений и изготовления хворостяных тюфяков. Разновидностью тяжелых фашин являются туры (плетеные из хвороста цилиндрические корзины) и карабуры — цилиндрические конструкции, напоминающие рулет (по натянутой на земле

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий 0,35

1,2

1,2

б

0,4

1,2

1,2

1,2

0,4

0,3

а

0,25...0,4м

498

0,6...0,7

0,6...1,2

в

Рис. 8.7. Фашины:

а — легкая однокомельная; б — тяжелая двухкомельная; в — тяжелая (груженная камнем)

через 0,5  м проволоке укладывают хворост или камыш слоем 20...25  см, затем солому слоем 5...10  см, затем гальку, дерн или грунт слоем 10...25  см, после чего все свертывают в  виде рулона и стягивают оставшимися концами проволоки). Легкие тюфяки  представляют собой две сетки из прутяных канатов с  ячейками 0,8...0,9  м, уложенные одна над другой и  стянутые в узлах ячеек. Если между верхней и нижней сетками канатов укладывают 3–4 слоя хвороста во взаимно перпендикулярном направлении, то получают хворостяной тюфяк, а если легкие фашины, то — фашинный тюфяк. Размеры легких тюфяков: ширина 8...15 м, длина 30...60 м и более, толщина 0,5...1,5 м. После установки на место тюфяк загружают (по периметру) камнем или мешками с  грунтом; на  1  м2 площади тюфяка толщиной 0,5  м требуется 0,12...0,16 м3 загрузочного материала. Тяжелые тюфяки изготовляют из легких следующим образом. После укладки легкого тюфяка на место в  его тело в  узлах ячеек забивают колья и по ним делают плетневые клетки, которые заполняют камнем. Хворостяные покрытия — это 1–2 слоя хвороста, уложенных на место, прошитых по диагоналям и периметру проволокой, а затем покрытых металлической сеткой с каменной пригрузкой. Сетку связывают с покрытием. Покрытия могут быть из одного ряда фашин (маты), скрепленные проволокой с  тросами, натянутыми через 2...2,5 м. Хворостяная выстилка делается из слоя хвороста толщиной 10...20  см или из легких фашин. Поверх выстилки в  поперечном

8.5. Регуляционные сооружения

499

направлении к хворосту через 0,6...1,0 м кладут прутяные канаты, пришиваемые к грунту кольями с зацепкой. Каменно-хворостяная выстилка — это перемежающиеся слои хвороста и камня (или гальки) с уложенными поверх прутяными канатами, прибитыми к нижним слоям выстилки. Плетневые заборы представляют собой ряды кольев, забитых в  грунт на (1,2...1,8)h (здесь h  — глубина потока), с  заплеткой из хвороста. Они могут быть однорядными, с  подкосами и  двухрядными. Иногда для предотвращения подмыва в  основание кладут хворостяную выстилку. Сипаи представляют собой пирамиды из 3–4  бревен (d  = =  10...18  см), пластин или четвертин («ног»), связанных сверху проволокой, с  обвязкой из жердей, соединенных с  «ногами» проволокой. На обвязку кладут решетчатый пол, а на него — хворост, на который насыпают пригрузку. Под давлением пригрузки сипай прочно садится на дно потока. Из сипаев делают береговые опояски (один или несколько рядов сипаев), буны, дамбы и  поля шероховатости (в последнем случае сипаи располагают в шахматном порядке). Бетонные и  железобетонные конструкции бывают монолитные, опускаемые на дно укрепляемого участка, из сборных элементов, монтируемых на месте укладки, или в виде плит, тюфяков из плит, тетраэдров, тетраподов и др. Это наиболее дорогие сооружения из перечисленных. Ряжи бывают деревянные и  железобетонные. Деревянные ряжи обычно применяются рубленые, в  виде сруба, с  просветами между венцами. Заполняют их каменным материалом. Размер клеток 1,5...2,5 м. Камень для заполнения ряжей в верхней части выбирается самый крупный. Недостатком деревянных ряжей является возможное их гниение, если они в межень выходят из-под воды. Железобетонные ряжи сборной конструкции состоят из балок сечением 0,16 × 0,2 м, армированных четырьмя стальными прутьями диаметром 10 мм. Ввиду сравнительно высокой стоимости ряжи применяют в наиболее тяжелых условиях и для ответственных сооружений. Металлическая сетка, применяемая весьма широко, выполняется из мягкой оцинкованной проволоки (d = 2..3 мм) с квадрат-

500

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

ными или шестиугольными ячейками размером 2...50  см. Сетка с мелкими ячейками служит для защиты от вымыва гравелистых, галечных и крупнопесчаных грунтов; при защите от вымыва мелких грунтов сетку загущают хворостом. Габионы представляют собой ящики прямоугольной или цилиндрической формы из металлической оцинкованной сетки. На месте укладки их заполняют камнем вручную. Из  габионов делают тюфяки, которые при подмыве грунта легко деформируются (опускаются) и защищают грунт от дальнейшего размыва. Гибкие сетчатые покрывала предназначены для защиты от вымыва частиц мелкозернистого грунта, слагающего берег. Размеры покрывал: ширина 2 м, длина 5...10 м, толщина 0,1...0,15 м. Их выполняют из мелкого щебня и  камня, прикрытого сверху сеткой, закрепленной по периметру кольями. В  настоящее время применяют также защитные покрытия из отработанных автомобильных покрышек, пластмассовые и  бризольные покрытия, полимеризующиеся смолы, различные смеси и  т.п. Бризольные рулонные материалы, получаемые из отходов резины и  битума и  обладающие эластичностью, водостойкостью и  водонепроницаемостью, используют для покрытия подводных и надводных береговых откосов. Струенаправляющие сооружения широко применяют при регулировании русел рек, несущих большое количество наносов. Их  принцип действия основан на использовании метода искусственной поперечной циркуляции, разработанного и  предложенного М.В. Потаповым. Если в наносонесущем потоке с размываемым дном установить систему плавучих щитов под определенным углом к  течению потока (рис. 8.8), то они будут отклонять поверхностные токи к одному берегу, а  донные  — к  другому. Образующееся винтовое движение обладает повышенной транспортирующей способностью в  отношении донных наносов, а также способностью к размыву дна и берега в зоне нисходящих токов. Если вместо поверхностных щитов установить донные, то направление винтового движения изменится на противоположное и соответственно изменятся процессы руслоформирования. Более интенсивное расслоение потока происходит при совместном действии этих систем.

501

8.5. Регуляционные сооружения

1 2



1

1 II

hщ

I

1



2

1 I

I–I

2

II II–II

г

4

в

II

lщ



1

II–II

1

h

I–I

I

hщ

lщ 2

l

б

II

I

h

а

5

lщ

lщ

l 

 

1

l 4

1

1

2 2 1 2 2



4

е

д 3

III

I

I

II

Рис. 8.8. Схемы практического применения метода поперечной циркуляции: а — углубление русла у одного из берегов; б — осевой размыв русла; в — защита боковых отводов от донных наносов; г — защита бесплотинного водозабора от донных наносов; д  — смещение стержня изогнутого потока; е  — защита берега от размыва; 1  — поверхностные токи; 2  — донные токи; 3 — стержень реки; 4 — отвод; 5 — сброс

Соотношение основных размеров направляющих систем, по данным последних исследований проф. Н.Ф. Данелия, следующие: ˆˆα = 10...30°, оптимальное значение α = 20°; ˆˆlщ = (0,9...3)h — lщ = (1,5...2)h;

502

Глава 8. Регулирование русел, борьба с затоплением территорий

ˆˆhщ = (0,14...0,67)h — hщ = ˆˆl = (0,7...1,1)h — l = 0,9h,

0,33h;

где lщ — длина щита; hщ — глубина погружения щита; h — глубина воды; l — расстояние между щитами. Практически дальность распространения винтового движения при донной или поверхностной системе равна 25h, при комбинированной — 35h. Поверхностные струенаправляющие системы бывают двух видов: стационарные и плавучие. Такие системы можно применять: ˆˆдля защиты берега от размыва; ˆˆосевого размыва дна потока; ˆˆпредотвращения попадания донных наносов в  головное водозаборное сооружение; ˆˆпредохранения мостовых опор от подмыва; ˆˆборьбы со струйностью потока в охладительных прудах ТЭЦ и на реках и т.д.

Глава

9 Гидротехнические сооружения водного транспорта 9.1. Классификация водных путей Водные пути делят на морские (моря и океаны) и внутренние, которые в  свою очередь подразделяются на естественные (реки и  озера в  естественном состоянии) и  искусственные (судоходные каналы, шлюзованные реки и водохранилища). По  х а р а к т е р у и с п о л ь з о в а н и я водные пути делятся на судоходные, сплавные, судоходно-сплавные и  судоходно-оро­си­ тельные. Судоходные каналы по назначению разделяются на три основных типа: ˆˆсоединительные  — для создания транзитного водного пути между отдельными судоходными реками или озерами; ˆˆобходные  — для обхода препятствий, встречающихся на основном водном пути. Такими препятствиями могут быть порожистые участки рек, плотины и озера, если речные суда непригодны для озерного плавания; ˆˆподходные — обычно являются тупиками, играют роль подъездных путей и чаще всего устраиваются для соединения морских портов с судоходными реками или транзитными судоходными каналами. В зависимости от условий плавания судоходные каналы бывают: ˆˆоткрытые (свободные)  — обычно устраивают без шлюзов при соединении водных путей, имеющих незначительную разность уровней воды. Почти все обходные каналы открытого типа;

504

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта а

Ш. № 5 Ш. № 4 Ш. № 3 Ш. № 2 Ш. № 1 Река А

Ш. № 6 Ш. № 7 Ш. № 8

Ш. № 9 Река Б

б Ш. № 4 Река Ш. № 3 Ш. № 2 Ш. № 1 Озеро

Рис. 9.1. Схемы шлюзированных каналов:

а — двухсклонная; б — односклонная (Ш. — шлюз) ˆˆшлюзованные — сооружают при значительной разности уровней в бьефах соединяемых водных путей, а также для уменьшения объема земляных работ на водораздельных участках. Поэтому соединительные судоходные каналы обычно являются шлюзованными. Шлюзование каналов применяют для создания новых и улучшения старых искусственных водных путей. Шлюзованные каналы имеют ряд преимуществ по сравнению с нешлюзованными (например, постоянство уровней и  глубин в  бьефах; отсутствие течения по судовому ходу и  сравнительно малый объем земляных работ), но в то же время они обладают меньшей пропускной способностью и  требуют возведения сложных гидротехнических сооружений для питания их водой (водохранилище на водоразделах, насосные станции и др.).

Таблица 9.1 Категория транспортных путей Глубина судового хода*, м Класс . Категория . используемая основных . Внутренние водные пути водных . наименьшая . флотом сооружегарантиропутей в среднем . ний ванная за навигацию

Сверхмагистральные Магистральные и местного значения Местного значения на малых реках *

II

I

>2

>3

III

II, III

0,6...2,6

1...3

IV

IV

0,45...0,8

≤1

 Под судовым ходом понимается непрерывная полоса в реке или канале, на которой глубина и ширина находятся в пределах гарантированных.

9.2. Судоходные каналы

505

По характеру размещения шлюзов шлюзованные каналы бывают двухсклонными и односклонными (рис. 9.1). По транспортному значению внутренние водные пути делятся на четыре категории (табл.  9.1). Категорию внутренних водных путей и сооружений устанавливают в зависимости от их народнохозяйственного значения по соответствующим нормативам речного транспорта.

9.2. Судоходные каналы Судоходные каналы имеют ряд особенностей, которые определяются судоходными требованиями: их строят чаще трапецеидального и полигонального сечений; они питаются проточной водой из рек и озер, грунтовыми водами, если ложе канала врезано ниже их уровня. При проектировании габариты судоходного канала определяются размерами судов (с  учетом перспективы) или сцепок, а  также допусками, которые зависят от категории водных путей. При предварительных расчетах минимальная судоходная глубина hc.min = 1,3Sc.max, где Sc.max — наибольшая осадка судна на ходу. Во время движения осадка судна больше (продольный наклон корпуса — дифферент*), чем в состоянии покоя. Другой важный параметр водного пути  — ширина судового хода Вс  — ширина канала на прямолинейном участке на уровне расчетной осадки судна Sc.max. Она должна быть не менее 2,6 габаритной ширины судна при двустороннем движении и 1,5 ширины при одностороннем движении. У  судоходных каналов регламентирована также площадь поперечного водного сечения. Отношение ее к площади миделевого сечения** n (n  — профильный коэффициент судоходного канала) должно быть не  менее  4 для путей I  категории, 3,5  — для путей *

Дифферент судна — разность осадки носа и кормы. Площадь миделя  — это наибольшая площадь поперечного сечения расчетного судна (ниже уровня воды) при нормальной его загрузке.

**

506

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта

II  категории, 3  — для путей III и  IV  категорий. При уменьшении указанного отношения энергетические затраты на движение судов возрастают. Однако опыт эксплуатации построенных каналов, в  которых значения n близки к предлагаемым СНИП, показал, что в них создаются значительные затруднения движению судов, что мешает увеличению их скоростей. В связи с этим при проектировании каналов следует стремиться к тому, чтобы это отношение превышало минимально допустимое. Это подтверждается и зарубежными данными; в  ряде стран значение  n рекомендуется принимать не  менее 7. На  рис.  9.2 изображены минимальные границы судового хода на повороте канала. Радиус поворота должен быть R ≥ 3lст, где lст — длина расчетного судна или жестко счаленного состава судов (барж). Для прохода буксируемых гибко счаленных судов R ≥ 5lст, где lст — длина наибольшего несамоходного судна. Размер уширения судо2 вого хода ∆Bc = 2 ⋅ 0, 35lст R. Имеются ограничения и  по скоростям течения воды: для водных путей I и II категорий — 0,7 м/с при n = 4 и 2,5 м/с при n = 10; для путей III и IV категорий — 0,5 м/с при n = 4 и 2 м/с при n = 10. В пределах судового хода при наинизшем судоходном уровне поперечная составляющая скорости не должна превышать 0,25 м/с. а

max НУ

Вс

bс

Sс.max Sс.min

min НУ

б

Bс  Bс

2/3lст 20Bс

R

Вс 2/3lст 20Bс

Рис. 9.2. Основные элементы судоходного канала:

а  — поперечное сечение с  размещением корпусов двух судов; б  — уширение криволинейного участка канала в плане

507

9.3. Судоходные шлюзы

При движении суда (особенно скоростные) возбуждают волны, часто большой высоты. Для придания устойчивости откосы защищают одеждами (бетон, железобетон, камень и  т.д.) либо канал в  пределах уровня волнобоя расширяют, а  откосы уполаживают. Вариант крепления выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Опыт строительства и эксплуатации судоходных каналов показывает, что наиболее рациональной формой поперечного сечения является полигональная, более близкая по своей форме к естест­ венному параболическому руслу.

9.3. Судоходные шлюзы Судоходными шлюзами называются специальные гидротехнические сооружения, служащие для перемещения плавающего подвижного состава (судов, барж, плотов и  др.) из одного бьефа в другой. Судоходный шлюз (рис. 9.3) состоит из шлюзовой камеры 14, которая в концевых частях ограничивается головами 12, 15. В головах шлюзов размещаются шлюзовые ворота, которые отделяют камеры от верхнего или нижнего бьефа и  в  закрытом состоянии поддерживают разность уровней между верхним или нижним бьефом и  камерой. В  головах шлюзов располагаются также устройства для наполнения камеры водой и ее опорожнения. К  головам шлюзов примыкают подходные каналы  9, которые сопрягаются со шлюзом направляющими стенками  — палами. С  одной стороны подходных каналов на направляющих стенках размещаются причальные устройства для швартовки судов, ожидающих шлюзования. Камеры и  головы шлюзов обычно состоят из  днища и  боковых стен, конструкции которых весьма разнообразны. В месте расположения шлюза судоходная трасса должна иметь прямолинейный участок, включающий шлюз с его головами, причальные стенки и  направляющие палы (см. рис.  9.3) Для однокамерного шлюза обычно

Lпр = (4...5)Lш.

508

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта 1

2

2

7

Hк

3

Sп

а

14

6

1

Sп

8 Lш б 9 10

7

5

4

15 13 7 11

Bш

12 13 2

10

14

11

2 13

15

Рис. 9.3. Схема судоходного шлюза:

а — продольный разрез; б — план; 1 — пазы для ремонтных затворов; 2 — ворота; 3  — возможное положение моста; 4  — дно камеры; 5  — шлюзующееся судно; 6 — стенка падения; 7 — водопроводные галереи; 8 — галерея; 9 — подходные каналы; 10 — причальные стенки; 11 — направляющие палы; 12, 15 — верхняя и  нижняя головы шлюза; 13  — затвор водопроводной галереи: 14  — шлюзовая камера; Нк — напор на камеру; Sп — глубина на пороге (на короле); Lш, Bш — соответственно длина и ширина шлюза

В  пределах голов шлюза размещается механическое оборудование. Ворота служат затворами, воспринимающими давление воды между бьефами. Они состоят из двух створок, вращающихся в шкафной части головы вокруг вертикальной оси. Однако есть и другие конструкции затворов в головах шлюзов. Ворота открываются и закрываются только при выровненных уровнях перед и за воротами. В  головах имеются пазы для перекрытия отверстий шлюза сверху и снизу ремонтными затворами. В  конструктивном отношении головы судоходных шлюзов представляют собой неразрезные пространственные сильноармированные железобетонные конструкции, состоящие из фундаментной плиты и боковых устоев. Фундаментная плита обычно жестко связана с устоями. Конструкции верхних голов зависят от системы питания шлюзов и  типов основных и  ремонтных затворов. Если питание без-

9.3. Судоходные шлюзы

509

галерейное, то используют подъемно-опускные плоские и сегментные затворы. Уменьшение длины голов достигается применением плоских основных и  ремонтных затворов. Обычно их применяют на верхних головах. Нижние головы подвержены весьма большим колебаниям уровней воды, и  из-за этого их затворы обычно выполняют либо в виде высоких двустворчатых ворот (малые и средние напоры), либо в виде подъемно-опускных ворот (напоры более 30 м). Статические условия работы нижних голов более тяжелые. Пропуск плавающего подвижного состава через судоходный шлюз называется шлюзованием. Шлюзование из верхнего бьефа в нижний происходит следующим образом: 1) при закрытых верхних и нижних воротах открывают затворы водопроводной галереи верхней головы, наполняют камеру до уровня верхнего бьефа, открывают верхние ворота, вводят судно в  камеру и  закрывают затворы водопроводной галереи и  ворота верхней головы; 2) открывают затворы водопроводной галереи нижней головы, опорожняют камеру и  тем самым опускают шлюзуемое судно до уровня нижнего бьефа, затем открывают нижние ворота и выводят судно из камеры в нижний бьеф для дальнейшего следования. Если следующее судно также идет из верхнего бьефа, то водопроводные галереи и ворота нижней головы закрывают и повторяют весь цикл операций шлюзования. Если же второе судно идет снизу вверх, то его вводят в  камеру шлюза после выхода первого и выполняют последовательность действий в обратном порядке. Если несколько шлюзований подряд проводят в одном направлении, т.е. сверху вниз или снизу вверх, такое шлюзирование называется односторонним. Если же шлюзирование происходит попеременно — то вверх, то вниз — его называют двусторонним или встречным. В отношении расходования воды встречное шлюзование наиболее выгодно, так как с помощью одной сливной призмы пропускаются два судна или караван судов. Размеры наиболее выгодного для шлюзов данного водного пути расчетного судна или каравана судов устанавливают на основании технико-экономического сравнения различных вариантов этих караванов по минимуму капитальных затрат и  эксплуатационных расходов.

510

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта

Полезную длину камеры определяют по формуле

Lш =

R

∑ lст + (R + 1)∆l ,

(9.1)

1

где lст — сумма длин расчетных судов, составов или плотов, устанавливаемых при шлюзовании в  кильватер; R  — число одновременно шлюзующихся судов; Δl — запас в длине на интервалы между судами и конструкциями шлюза, м:

Δl = 1 + 0,015lст.

(9.2)

Ширина камеры должна быть не менее

Bш =

∑ Bст + 2∆b,

(9.3)

где ∑ Bст   — сумма ширин одновременно шлюзующихся (рядом стоящих) судов и составов (с расчетной шириной); Δb — запас по ширине камеры, его принимают в  шлюзах на внутренних водных путях шириной до 10 м не менее 0,2 м, шириной 10...18 м — 0,4 м, шириной более 18 м — 0,5 м. Глубина на пороге определяется от минимального расчетного судоходного уровня и должна быть не менее

Sп = (1,2,...1,25)Sc.max,

(9.4)

где Sc.max — наибольшая осадка расчетного судна (с грузом). Вычисленные размеры округляют в сторону увеличения до регламентированных значений. Пропускная способность шлюза зависит от количества грузов, которое одновременно может находиться в  судах или на плотах в камере при шлюзовании, и от числа шлюзований, которые могут быть выполнены за период навигации. Число возможных шлюзований в сутки служит основным эксплуатационным показателем работы шлюза и зависит от длительности отдельных операций, выполняемых при шлюзовании. При одностороннем шлюзовании продолжительность одного цикла работы однокамерного шлюза (мин) определяется выражением (9.5) T1 = 4t1 + t2 + 2t3 + t4, где t1  — время одного открытия или закрытия ворот; t2  — время ввода судна или каравана в камеру; t3 — время наполнения камеры водой или ее опорожнения; t4 — время вывода каравана из камеры.

511

9.3. Судоходные шлюзы

При встречном шлюзовании длительность цикла

T2 = 4t1 + 2t2′ + 2t3 + 2t4′,

(9.6)

где t2′ — продолжительность ввода каравана в камеру; t4′ — продолжительность вывода каравана из камеры. Значения слагаемых в  правой части уравнений (9.5) и  (9.6) определяются согласно указаниям ТКП 45-3.04-171–2009. Встречное шлюзование имеет значительные преимущества, так как в период времени Т2 совершается шлюзование двух караванов; время, расходуемое на каждый караван, меньше Т1 и,  кроме того, на два каравана расходуется одна сливная призма. По  данным из практики, время Т1 находится в  пределах 30...55 мин, Т2 — 50...75 мин. Время наполнения и  опорожнения (мин) приближенно определяют по формуле

t3 = k 3 H к Bш Lш ,

(9.7)

для шлюзов с  сосредоточенной системой питания k  = 0,27, c  распределительной системой k = 0,19. Система питания, необходимая для наполнения и опорожнения камеры,  — один из основных элементов камерного шлюза, определяющих его конструктивные и эксплуатационные условия. Существуют различные системы питания судоходных шлюзов. Однако все проектируемые шлюзы должны наиболее полно отвечать трем основным требованиям: 1) наполнение и  опорожнение камеры шлюза должно происходить в течение минимального времени; 2) должны соблюдаться необходимые гидравлические условия отстоя шлюзующихся судов в камере и в подходах к шлюзу; 3) строительная стоимость сооружения должна быть минимальной. Гидравлические условия отстоя судов принято оценивать величиной усилий, возникающих в  причальных тросах, причем эти усилия не должны превышать допускаемых значений для расчетных шлюзуемых судов. По характеру поступления воды в камеру различают две основные системы питания — сосредоточенную и распределительную.

512

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта

При сосредоточенной системе питания вода в камеру подается чаще всего через верхнюю голову в  верхний конец камеры и  при опорожнении сбрасывается через нижнюю голову. Эта система питания хорошо изучена, в  результате чего предложено много различных схем и  конструкций, которые широко используются при строительстве судоходных шлюзов малых и средних напоров. Однако сосредоточенная система питания, несмотря на широкое применение успокоительных устройств, при больших напорах и размерах камеры имеет ряд существенных недостатков, основными из которых являются медленное наполнение и опорожнение камеры и неудовлетворительные гидравлические условия отстоя судов. Улучшить условия отстоя судов и сократить время наполнения камеры можно путем перехода к более современной, но более сложной, а следовательно, и более дорогой распределительной системе питания. При распределительной системе питания водопроводные галереи устраивают по всей длине камеры и  вода подается в  камеру и  выпускается из нее через большое число выпусков, сообщающихся с  галереей. При этом галереи располагают либо в  боковых стенах, либо в днище камеры.

9.4. Судоподъемники В судоподъемниках суда из бьефа в бьеф перемещаются механизмами в  наполненной водой камере или насухо. Опыт перевозки судов без воды невелик из-за значительных конструктивных трудностей при решении вопросов опирания корпусов различных видов судов на элементы судовозной техники. Судоподъемники подразделяются на вертикальные и  наклонные. В вертикальных судоподъемниках вес судовозной камеры, воды и  судна уравновешивается жесткими противовесами, давлением воды в закрытых (поршневых) камерах или поплавками. Для транспортирования можно использовать давление воды из верхнего бьефа, а также механические приводы. Для строительства наклонных судоподъемников используют низовой откос плотины или пологий (1:7...1:10) береговой склон долины, по которым сооружают судовозные пути. По  ним пере-

513

9.5. Лесопропускные сооружения

мещается судовозная тележка, на которой установлена судовозная камера. Ввиду огромных масс и усилий подвижные элементы (тележки, камеры) делают парными или применяют противовесы. Судовозная камера перемешается из нижнего бьефа в верхний и  обратно приводными механизмами. Со  стороны нижнего бьефа конструкции однотипны. Сопряжение с верхним бьефом имеет несколько конструкций. При значительных колебаниях уровня воды в водохранилище применяют поворотную конструкцию. Вытянутая на гребень плотины камера вместе с тележкой с судном разворачивается на поворотном круге на 180° и опускается по судовозным путям по верховому откосу плотины до уровня воды в  верхнем бьефе. Судно выплывает вперед кормой, а затем разворачивается. При малом изменении уровня воды в верхнем бьефе (несколько метров) судно в судовозной камере вывозится в специальную камеру, расположенную на отметках уровня в верхнем бьефе. После остановки подвижных устройств въезд в  камеру перекрывается, она заполняется водой из верхнего бьефа, и  судно уходит вверх по реке. Известны и другие конструкции судоподъемников.

9.5. Лесопропускные сооружения На лесосплавных реках в составе гидроузлов строят сооружения для транспортирования в нижний бьеф сплавляемого леса. Одиночные бревна транспортируют с помощью бревноспусков (рис. 9.4). Поперечное сечение бревноспусков трапецеидальное или прямоугольное. В  зависимости от принципа работы лотки-брев­но­ спус­ки устраивают с уклоном от 1:10 до 1:3. При изменении уровня воды в верхнем бьефе головную часть лотка делают подвижной. Для экономии воды поперечное сечение бревноспусков принимают минимальным; широко используют искусственную шероховатость из поперечных и сверх них продольных брусьев. Ширина бревноспуска прямоугольного сечения

b = kdср + 2c,

(9.8)

где dср — средний диаметр сплавляемых бревен; k — число бревен по ширине бревноспуска; с — боковой запас (0,1...0,15 м).

514 а

Глава 9. Гидротехнические сооружения водного транспорта 1

б

2

7

8

4 5 6

0,3Н

Н

3

(1,5

5

...2)

Н 9

Рис. 9.4. Сплавные бревноспуски:

а — конструкция из дерева; б — бетонный бревноспуск с усиленной шероховатостью; 1 — стенки лотка; 2 — сплавляемое бревно; 3 — подкосы лотка (d ≈ 8...10 см); 4 — ригель лотка (d ≈ 20 см); 5 — элементы свайной опоры (d  ≈  20  см); 6  — продольные балки (d  ≈ 20  см); 7  — продольные брусья; 8 — элементы искусственной шероховатости; 9 — дно из бетона (или железобетона)

Гидравлический расчет лотков-бревноспусков подобен расчету быстротоков. Сплавопропускную способность бревноспусков (м3/ч древесины) определяют по формуле

N = 3600jwvk,

(9.9)

где ϕ  — коэффициент продольного заполнения бревнами, ϕ  = = 0,2...0,7 в зависимости от числа бревен; ω — площадь поперечного сечения бревен; v — скорость течения воды в месте ввода бревен в лоток или скорость подачи бревен, м/с. Наряду со сплавными бревноспусками, в которых бревна плывут, делают полусплавные и «мокрые» лотки. В полусплавных лот­ ках глубина воды составляет не  менее 0,2...0,3 диаметра бревен, которые движутся, скользя по дну (уклон 1:3). Это делается для экономии воды. Наибольшая экономия воды достигается при устройстве «мо­ крых» лотков. Слой воды на дне в них составляет 0,5...1,5 см (по существу, используется для смазки), уклоны  — до 0,3...0,4. Бревна движутся по направлению продольной составляющей силы под действием собственной массы. Для пропуска плотов используют судоходные шлюзы, а  при значительной части грузооборота в  виде древесины делают пло-

9.5. Лесопропускные сооружения

515

тоходы. Их конструкция проще и экономичнее судоходных шлюзов. Используется как принцип шлюзования, так и (для экономии воды) порциональный пуск воды, при котором плот полуплыветполускользит по водоскату. Ширина таких неуправляемых плотоходов должна быть больше размера плота по диагонали на 0,6...0,8 м. Применяют также плотоходные лотки.

Глава

10 Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения 10.1. Типы и системы прудовых рыбоводных хозяйств Прудовое рыбоводство  — высокопродуктивная отрасль рыбного хозяйства, основанная на разведении и выращивании рыб в  управляемых человеком условиях в специльно созданных или приспособленных для этого водоемах. Возможность управлять условиями существования разводимых рыб и совершенствовать их породные качества позволяет добиться высокой продуктивности прудового рыбного хозяйства, во много раз превосходящей рыбопродуктивность естественных водоемов (с 1 га площади культурного рыбоводного пруда можно получать ежегодно более 15 ц высококачественной рыбной продукции). Производственная и экономическая эффективность прудового рыбоводства обусловливается и тем, что постройка прудов тесно связана с правильным водоустройством сельскохозяйственных предприятий, которое способствует повышению эффективности сельского хозяйства. Многие пруды и другие небольшие водоемы могут быть использованы комплексно: как для рыбоводства, так и для других хозяйственных нужд (например, для получения электроэнергии, орошения полей и огородов, противопожарных целей и т.п.). Устройство и расположение рыбоводных прудов для разведения и выращивания рыб зависит от технологических процессов, выполняемых в рыбоводном хозяйстве. Эти процессы, в свою оче-

517

10.2. Рыбопитомники карповых хозяйств

редь, зависят от биологии разводимых рыб, от требований этих рыб к их жизненной среде. По своему назначению прудовые рыбоводные хозяйства делятся на два основных типа: тепловодные и холодноводные. К тепловод­ ным относятся карповые хозяйства, к холодноводным — форелевые. По выпускаемой продукции прудовые рыбоводные хозяйства подразделяются: ˆˆна рыбопитомники  — прудовые рыбоводные хозяйства для выращивания рыбопосадочного материала (мальков, сеголетков, годовиков); ˆˆполносистемные прудовые рыбоводные хозяйства — служат для выращивания как рыбопосадочного материала, так и товарной рыбы; ˆˆнагульные прудовые рыбоводные хозяйства — предназначены для выращивания товарной рыбы.

10.2. Рыбопитомники карповых хозяйств В состав рыбопитомника входят следующие категории прудов: нерестовые, мальковые, выростные, зимовальные, маточные, карантинные и изоляторные (рис. 10.1). Нерестовые пруды служат для нереста и выращивания мальков до пересадки их в выростные или мальковые пруды. 3

4

6

5

7

2

1

Река

Рис. 10.1. Схема рыбопитомника с самотечным водоснабжением из головного пруда: 1  — головной пруд; 2  — зимовальные пруды; 3  — хозцентр; 4  — нерестовые пруды; 5 — маточные пруды; 6 — выростные пруды; 7 — карантинные пруды

3

По А–А

11

12

А

9

2

10

4

Б

Б 5

6

9

9

10

7

По В–В

5

По Б–Б

В

7

В

12

12

9

8

1 — головной пруд; 2 — паводковый водосброс; 3 — зимовальные пруды; 4 — садки; 5 — летние маточные пруды; 6  — выростные пруды; 7  — нагульные пруды; 8  — карантинный пруд; 9  — магистральный канал; 10  — нерестовые пруды; 11 — водозабор магистрального канала; 12 — река

Рис. 10.2. Схема полносистемного рыбхоза с самотечным водоснабжением из головного пруда:

9

1

2 3

А

518 Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

519

10.2. Рыбопитомники карповых хозяйств

Мальковые пруды предназначены для выращивания мальков, пересаженных из нерестовых прудов. Выростные пруды служат для выращивания сеголетков. Зимовальные пруды служат для зимнего содержания сеголетков и производителей. Маточные пруды служат для содержания производителей и ремонтного молодняка в летнее и зимнее время. Карантинные пруды предназначены для выдерживания рыбы, завезенной из другого хозяйства, в течение определенного срока (карантина). Изоляторные пруды служат для изоляции подозреваемых в заболевании или заболевших рыб. Полносистемные хозяйства (рис. 10.2) дополнительно ко всем категориям прудов рыбопитомника имеют нагульные пруды и садки. Нагульные пруды служат для выращивания товарной рыбы. Садки для товарной рыбы (живорыбные садки) служат для содержания товарного карпа с момента его вылова до весны. В состав нагульного хозяйства входят только нагульные пруды и садки, которые были рассмотрены. Схема расположения прудов нагульного рыбоводного хозяйства приведена на рис. 10.3. Продолжительность (число лет) выращивания стандартной по весу товарной рыбы из оплодотворенной икринки называется оборотом прудового хозяйства. 4 3 5 2

1

6 7

Рис. 10.3. Схема расположения нагульного рыбоводного хозяйства:

1  — головной пруд; 2  — головная плотина; 3  — нагульный пруд; 4  — осушительная сеть пруда; 5 — рыбоуловитель; 6 — хозцентр; 7 — садки

520

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

По этому признаку хозяйства бывают с  однолетним, двухлетним и трехлетним оборотом. В нашей стране в основном все прудовые рыбоводные хозяйства имеют двухлетний и трехлетний обороты: в первый год выращивается рыбопосадочный материал, во второй и третий — товарная рыба.

10.3. Система водоснабжения рыбоводных прудов и сооружений на ней Для водоснабжения прудов рыбопитомника, полносистемного и нагульного хозяйства могут быть использованы различные источники: реки, ручьи, каналы, озера, водохранилища, пруды, ключи и артезианские скважины. Основное требование — расход воды источника водоснабжения должен обеспечивать потребности хозяйства в воде в необходимом количестве. Водоснабжение прудовых рыбоводных хозяйств может быть самотечное, механическое или комбинированное. Желательно, чтобы водоснабжение прудов было самотечное, так как эксплуатация таких хозяйств проще, надежнее и дешевле, чем хозяйств с механическим водоснабжением, это надо учитывать при выборе площадок под пруды. Для самотечного водоснабжения прудов устраивается головной пруд или водозаборное сооружение на реке. Головные пруды предназначены для водоснабжения рыбоводного хозяйства, в них создаются необходимые запасы воды в период весеннего паводка. Головной пруд строят выше всех прудов хозяйства, для чего русло реки или ручья перегораживают плотиной, образующей водоем, из которого по каналам или трубам осуществляется водоснабжение прудов. Для сброса излишних паводковых вод в комплексе гидроузла головного пруда устраивают сбросное сооружение, для подачи воды в пруды  — водозаборное сооружение, для полного спуска пруда — донный водоспуск. Желательно, чтобы отметка уровня воды в головном пруду обеспечивала самотечную подачу воды во все рыбоводные пруды; для этого уровень воды в нем должен быть выше, чем в других прудах.

10.3. Система водоснабжения рыбоводных прудов и сооружений на ней

521

Если головной пруд используется и как нагульный для выращивания товарной рыбы, то его ложе очищают от леса, кустарника и пней и устраивают рыбосборно-осушительную систему каналов. При использовании головного пруда для выращивания товарной рыбы предусматривают также устройство верховины или ка­ ких-либо других решетчатых заграждений, предотвращающих уход рыбы из пруда в верховья реки. Схема полносистемного хозяйства с водоснабжением из головного пруда приведена на рис.  10.4. На рис.  10.5 показана схема самотечного водоснабжения полносистемного хозяйства с пойменным размещением прудов. Пруды зимовальные 3, нерестовые  6, летние маточные 5, выростные  7 расположены непосредственно ниже плотины головного водохранилища 11, нагульные же пруды 1 находятся еще ниже по течению реки, дальше от головной пло­ тины. Кроме того, один нагульный пруд образован обвалованием дамбой части широкой поймы территории головного водохранилища. Все нагульные пруды вынесены на пойму, поэтому паводки проходят только через водосброс головной плотины. Водоснабжение и канализация прудов рыбхоза независимы, что дает возможность в любое время выключать из эксплуатации каждый пруд и мелиорировать его (исключая нагульный пятый, получающий воду из нагульного четвертого). При механическом водоснабжении могут быть использованы реки, водохранилища и озера, на берегу которых устраивают насосную станцию с напорным трубопроводом (рис. 10.6). При механическом сбросе вода обычно откачивается насосами из рыбоуловителей в реку (водоприемник). Для этого применяют передвижную насосную станцию, которая может быть использована для откачки воды из нескольких прудов. Водоснабжение прудов может осуществляться также из арте­ зианских скважин, но в очень ограниченных размерах. Артезианские (напорные) воды залегают в различных водоносных пластах (песках, песчаниках, известняках), перекрытых сверху и снизу водонепроницаемыми породами. Для водоснабжения рыбоводных прудов артезианской водой устраивается водозаборная скважина  — вертикальная выработка, проходимая буровым способом, стенки которой полностью или час­тично закреплены обсадными

522

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

2

1

3

3

3

10 12

Рис. 10.4. Схема полносистемного рыбоводного хозяйства с водоснабжением из головного пруда: 1 — головной (нагульный и водоснабжающий) пруд; 2 — водоприемник; 3 — зимовальные пруды; 4 — нерестовые пруды; 5 — летний маточный пруд; 6 — выростные пруды; 7 — водоснабжающий канал; 8 — выпуски для наполнения прудов; 9 — карантинные пруды; 10 — донные водоспуски; 11 — водосбросной канал; 12 — сбросные канавы; 13 — водосброс

трубами. Глубина скважины зависит от глубины залегания водоносного пласта и его мощности. Артезианские воды в рыбоводных хозяйствах обычно используются для водоснабжения зимовальных прудов (если нет другого источника). При водоснабжении из артезианских скважин необходимо установить дебит (поступление) воды, ее качество (химический состав) и температуру. Водоснабжение прудов родниковой водой показано на рис. 10.7. Родники 1, которые ранее вливались в реку отдельными ручейками, каптируются и их расходы, перехваченные собирающим каналом 3, направляются в согревательный пруд 4. Здесь при замед-

523

10.3. Система водоснабжения рыбоводных прудов и сооружений на ней

9

8 7

4 4

6

5

6

6

10 10

11

1 8

2 3

1 11

5 6

4

10 6

7

7

9 1

9 28

2 1

1

8

1

Рис. 10.5. Схема полносистемного хозяйства с самотечным водоснабжением из реки: 1  — нагульные пруды; 2  — магистральный канал; 3  — зимовальные пруды; 4 — опытные пруды; 5 — летние маточные пруды; 6 — нерестовые пруды; 7 — выростные пруды; 8  — река; 9  — карантинный пруд; 10  — плотина; 11  — головной пруд

524

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения 1 3

2 4

Рис. 10.6. Схема расположения рыбхоза с механическим водоснабжением:

5

1 — насосная станция; 2 — напорный трубопровод; 3 — маточные пруды; 4 — зимовальные пруды; 5  — нерестовые пруды; 6  — выростные пруды; 7 — водоснабжающий канал; 8  — карантинные пруды; 9 — сбросные каналы; 10 — река

6 8

7

10 9

1 2

2

2

2

5 3

7

7

4 6

8

9

10 10

10

Рис. 10.7. Водоснабжение прудов из родников:

1  — зона родников; 2  — каптажи родников; 3  — собирающий канал; 4  — согревательный пруд; 5 — головной водозабор; 6 — зимовальные пруды; 7 —магистральный канал; 8 — нерестовые пруды; 9 — летние маточные и выростные пруды; 10 — река (водоприемник)

ленном течении температура воды от согревания солнцем и от соприкосновения с теплым воздухом повышается. Далее она по магистральному каналу 7 поступает к рыбоводным прудам. Подача воды из магистрального канала в рыбоводные пруды осуществляется с помощью специальных гидротехнических сооружений, называемых водовыпусками. Конструкция водовыпуска позволяет регулировать подачу воды из канала в пруд, т.е. пропу-

10.3. Система водоснабжения рыбоводных прудов и сооружений на ней

525

Ось водопо дающего канала

скать расход воды, необходимый для заполнения пруда, в заданное время до расчетной отметки. Водовыпуски бывают разных типов; их сооружают из различных строительных материалов, как правило, по действующим типовым проектам. Наиболее распространенными водовыпусками в рыбоводных прудовых хозяйствах являются открытые (типа шлю­за-ре­ гу­лятора), лотковые и трубчатые. Открытые водовыпуски обычно устраивают бетонными, лотковые — из сборного железобетона, трубчатые — из асбестоцементных труб и сборного железобетона. Открытый бетонный водовыпуск типа шлюза-регулятора (рис. 10.8) представляет собой бетонный лоток 1, ограниченный со стороны канала и пруда портальными оголовками с открылками, расположенными под прямым углом к лотку. С входной стороны для регулирования подачи воды в пруд устанавливают шандоры 2 из досок или брусьев. Шандоры вставляют в пазы из швеллеров,

1:m

2

3

I–I

1:m 1

II

План

1

1:

II–II

1,

,5

1:1

5

1:2

2

I

II

1

Рис. 10.8. Открытый бетонный водовыпуск:

1 — бетонный лоток; 2 — шандоры; 3 — служебный мостик

I

526

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения I–I

4 3

1

2 План

I

I

Рис. 10.9. Трубчатый водовыпуск из канала в пруд (ОАО «Полесьегипроводхоз»): 1 — входной оголовок; 2 — труба; 3 — решетка-гаситель; 4 — выходной оголовок

вмоноличеных в стенки водовыпуска. За шандорами через водовыпуск строят служебный мостик  3. Откосы и дно канала перед водовыпуском и за ним укрепляют одиночным мощением или бетонными плитами на песчано-гравийной подготовке. Трубчатые водовыпуски являются наиболее распространенным типом водовыпусков. На рис.  10.9 представлена конструкция водовыпускного сооружения, разработанная институтом «Полесьегипроводхоз». При выборе типа и назначении размеров отверстия водовыпуска следует исходить из конкретных условий: величин расхода и напора, характера прохождения канала по отношению к поверхности земли, наличия строительных материалов и действующих типовых проектов, а также экономической целесообразности данного типа. Гидравлический расчет трубчатых сооружений дан в гл. 5. Для насыщения воды кислородом используют специальные сооружения и устройства, которые называются аэраторами. Аэраторы устанавливают в  голове магистрального канала при подаче воды непосредственно в каждый отдельный пруд или в самом водоеме.

10.4. Рыбозащитные устройства и рыбозаградительные сооружения

527

10.4. Рыбозащитные устройства и рыбозаградительные сооружения 10.4.1. Рыбозащитные устройства Рыбозащитные устройства входят в состав водозаборного сооружения, расположенного на водотоках (реках и каналах) и на рыбохозяйственных водоемах (прудах, озерах, водохранилищах, морях). Они препятствуют проникновению сорных рыб в  рыбоводные пруды и защищают молодь рыбы от попадания в насосные установки и водозаборы водохозяйственных сиситем. Рыбозащитные устройства подразделяют на следующие группы: 1) механические заграждения — препятствия на пути движения рыб. К этой группе относятся простейшие заграждения (плетни, решетки, фильтры из различных материалов), фильтрующие водозаборы; сетчатые заграждения (плоские сетки, плоские сетки с рыбоотводами и сетчатые барабаны); 2) гидравлические заграждения — струенаправляющие устройства, с помощью которых в водотоках создаются гидравлические условия для направления движения рыб у гидротехнических со­ оружений (запони и отбойные козырьки); 3) «физиологические» заграждения  — устройства, задерживающие рыбу путем создания в воде электрических полей и завес из воздушных пузырьков. Механические рыбозащитные устройства являются наиболее эффективными. Гидравлические и «физиологические» рыбозащитные устройства строят в тех случаях, когда по биотехническим и инженерным соображениям нецелесообразно применение механических рыбозащитных устройств. Из первой группы рыбозащитных устройств применяют, в основном, следующие специальные фильтры: гравийные, гравийно-га­ леч­ные, стеклянно-гравийные, каменно-щебеночные, из пороэласта, состоящие из крупного наполнителя (гравия, керамзита и др.) и связующего — полиэтилена. Участок канала в месте устройства фильтров для бесперебойного водоснабжения расширяют в 2–3 раза. Гравийный фильтр. Поперек расширенного участка канала забивают два ряда кольев (на глубину не менее 0,5 м); колья каждого

528

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

ряда заплетают плетнем. Промежуток между плетнями засыпают гравием с размером частиц 1...2 см. Гравийно-галечный фильтр. Поперек расширенной части канала ставят три ряда плетневых стенок. Промежутки между первой и второй стенкой по течению воды заполняют галькой с размером частиц 3...5 см, между второй и третьей стенкой — гравием. Стенки ставят на расстоянии 0,5 м одна от другой. Иногда между второй и третьей стенкой засыпают крупнозернистый песок, тогда такой фильтр называют песчано-галечным. Стеклянно-гравийный фильтр. В промежутки между плетневыми стенками (на полную высоту фильтра) насыпают гравий с мелкобитым стеклом с таким расчетом, чтобы стекло заполняло все промежутки между гравием. Попадая в такой фильтр, мальки хищной и  сорной рыбы травмируются стеклом и погибают. Этот фильтр задерживает также личинок и икру рыб. Для устройства фильтров участок канала расширяют, перегораживают двумя стенками, расположенными на расстоянии 1,5  м одна от другой. Образованный отсек в зависимости от рода материала заполняют целиком или наполовину. Например, если строится каменно-щебеночный фильтр, то устраивают два отсека, первый (считая по течению воды) заполняют камнем, второй — щебнем.

10.4.2. Рыбозаградительные сооружения Рыбозаградительные сооружения предотвращают уход рыбы из прудов во впадающие в них речки и ручьи, молоди и  товарной рыбы из прудов в начальный период спуска прудов, а также препятствуют проникновению сорной рыбы в пруды. К рыбозаградительным сооружениям относятся верховина и заградительные решетки. Верховина — специальное гидротехническое сооружение, представляющее собой решетчатое заграждение постоянной или разборной конструкции, устроенное на шпунтовом ряду, бетонном или железобетонном основании, перекрывающее русло и часть поймы. У коренных берегов или при сопряжении с земляной перемычкой шпунт запускают в берега или откосы на 2...3 м. Верховину устанавливают в верховьях русловых нагульных прудов, а также в головных прудах, используемых для нагула рыбы

10.4. Рыбозащитные устройства и рыбозаградительные сооружения

529

(при наличии постоянного притока воды), и на всех речках и ручьях, впадающих в пруд и имеющих постоянный расход воды. Верховина не только предотвращает уход рыбы из прудов вверх по течению реки или ручья, но и предохраняет пруды от захода хищной и сорной рыбы из реки. Чаще верховины устраивают из дерева, иногда из железобетона. Деревянная верховина представляет собой свайную конструкцию, несущей частью которой являются маячные сваи диаметром 22 см, расположенные на расстоянии 2 м одна от другой (рис. 10.10). На сваи укладывают насадки толщиной 15 см, а по насадкам — настил из досок толщиной 5 см. Ниже поверхности земли по всей длине верховины между сваями забивают дощатый шпунт толщиной 7 см и глубиной 1,5...2,0 м. В пазы маячных свай вкладывают деревянные или металлические решетки. Целесообразно в сваях делать два ряда пазов для решеток, которые можно менять по мере загрязнения: в передний паз вставляют чистую решетку, а из зад­ него вынимают решетку для очистки. Решетки можно делать деревянными из брусьев толщиной 3...4 см с расстоянием между ними 2...3 см или металлическими из прутьев диаметром 5 мм с расстоянием между ними 1,5 см. Отверстия решетчатых заграждений рассчитывают на пропуск летних паводковых расходов. После облова прудов решетки верховины снимают. Их снова устанавливают после прохода весеннего паводка перед зарыблением прудов. Такой тип верховины может быть применен на водоемах глубиной до 2 м. Общий вид деревянной верховины для малых прудов показан на рис. 10.11. Верховины из железобетона рекомендуется применять при глубине воды перед сооружением до 3 м. Рыбозаградители — подобные верховинам сооружения, которые строят на основном канале рыбосборно-осушительной системы нагульных прудов при значительной протяженности канала и постоянном токе воды в период облова. Их располагают поперек основного канала для концентрации рыбы на отдельных его участках. Они являются затапливаемыми сооружениями со съемными решетками.

200

6

m2

200

m= 2

200

200

1

2

d  22

I–I

План

1

3

m2

220

200

Рис. 10.10. Верховина деревянная (в разрезе):

Схватка

d22

200

100

200

100

200

80

220

2

5

m=

200

200

4

I

1 — настил из досок; 2 — металлическая сетка; 3 — насадка; 4 — маячные сваи; 5 — дощатый шпунт; 6 — направляющие бревна

I

300

200

6

200

200 210

530 Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

10.4. Рыбозащитные устройства и рыбозаградительные сооружения

531

3 2

1

4 5

Рис. 10.11. Верховина деревянная (внешний вид):

1 — крепление камнем; 2 — решетчатое заграждение; 3 — служебный мостик; 4 — шпунтовая стенка; 5 — маячные сваи

Решетки донных водоспусков. В донных водоспусках кроме шандор и затворов предусматривается устройство решеток, которые преграждают путь рыбе из пруда во время спуска воды из него, для создания проточности при сбросе объема воды летних паводков и пр. Решетка донных водоспусков представляет собой деревянную или металлическую рамку высотой 30...50 см. Рамку обтягивают сеткой или делают в ней вертикальную или горизонтальную решетку из обручного железа. Величина просветов в сетке зависит от категории пруда, в котором устанавливают донный водоспуск. Так, в нерестовых прудах отверстия в сетке равны 1 мм, в нагульных прудах просветы между полосами железа составляют 1 см. Сетчатые заграждения используют для защиты молоди рыб от выноса ее в донный водоспуск при спуске воды и облове молоди, если облов производится без рыбоуловителя, а также при частичном сбросе воды из пруда. Сетчатое заграждение можно применять во всех летних прудах.

532

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

Сетчатое заграждение состоит из свай, служебного мостика, сетчатых съемных рамок и уплотняющих досок основания сооружения. Сваи забивают по углам сооружения. Для напора воды 1,0 и 1,5 м сооружение в плане имеет вид четырехугольника, для напоров 2...2,5 м — шестигранника. Сооружение устанавливают перед стояком донного водоспуска вплотную к  его торцовым стенкам. Несущей конструкцией являются сваи. Сетчатые рамки вставляют в пазы стоек до начала спуска пруда. В рамки вставляют штампованные металлические сетки с отверстиями от 1 до 10 мм. Размер сеток с рамкой для четырехугольной схемы — 76 × 60 см, для шестигранной — 106 × 60 см.

10.5. Сооружения рыбосборно-осушительной системы 10.5.1. Рыбосборно-осушительные каналы Рыбоводные пруды бывают залиты водой определенный отрезок времени. По окончании периода работы вода из рыбоводного пруда должна быть полностью спущена, а его ложе очищено. Для сбора воды с ложа и подвода ее к донному водоспуску, а также для полного ската рыбы на ложе пруда нарезают сеть рыбосборно-осу­ ши­тельных каналов. Расположение сети каналов на ложе прудов зависит от его рельефа: чем спокойнее рельеф, тем проще схема расположения каналов. При спокойном рельефе осушительную систему проектируют по схемам, показанным на рис. 10.12. В схемах лучевого и елочного расположения каналов по середине пруда проходит центральный канал, расположенный почти перпендикулярно горизонталям. К центральному каналу со всех пониженных мест воду подводят боковые каналы-ответвления. Центральному каналу обычно придают уклон 0,002...0,003. При елочном расположении каналов боковые каналы подводят к центральному каналу под углом 45...60° и проводят их на расстоянии примерно 50 м один от другого. При сложном рельефе схема расположения осушительных каналов может быть усложнена.

10.5. Сооружения рыбосборно-осушительной системы а

б

533

в

Рис. 10.12. Схемы расположения сети рыбосборно-осушительных каналов на ложе пруда: а — лучевое; б — елочное; в — при сложном рельефе

Размеры поперечного сечения рыбосборно-осушительной сети различны и зависят от категории пруда. Так, для головных и нагульных прудов глубину каналов назначают 1,0 м, ширину по дну  — 0,5...1,0 м, коэффициент заложения откосов — 1...1,5. Для выростных прудов глубину каналов назначают 0,7  м, ширину по дну  — 0,4...0,6 м, коэффициент заложения откосов — 1...1,5. Для зимовальных, нерестовых, мальковых и маточных прудов глубина каналов составляет 0,5 м, ширина по дну  — 0,3...0,4  м, коэффициент заложения откосов — 1...1,5.

10.5.2. Сбросные каналы Сбросные каналы служат для отвода воды из прудов. Они отходят от донного водоспуска или рыбоуловителя (если он предусмотрен проектом) и продолжаются до водоприемника. Сбросные каналы должны пропускать расчетный расход воды при сбросе его из прудов. Обычно сбросным каналам придают уклон порядка 0,002 с таким расчетом, чтобы они не размывались. Если уклон получается значительно больше допустимого, на трассе сбросного канала устраивают сопрягающие сооружения — перепады или быстротоки. Размеры поперечного сечения сбросного канала определяют гидравлическими расчетами, используя формулы, применяемые при расчете водоподающих каналов (подробнее об этом см. гл. 3).

534

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

Сбросные каналы часто имеют значительные размеры, поэтому при необходимости переезда через них предусматривают устройство различных сооружений (труб-переездов, акведуков, мостов).

10.5.3. Донные водоспуски Донные водоспуски предназначены для полного опорожнения прудов, перемещения рыбы из прудов в рыбоуловители, регулирования уровней воды в прудах и обеспечения водообмена в прудах, особенно в зимовальных. На русловых прудах донные водоспуски можно использовать как для полного спуска воды из прудов, так и для сброса паводковых вод. Донные водоспуски располагают в самых низких местах водоема с таким расчетом, чтобы был обеспечен полный сброс воды как из пруда, так и из осушительной системы. Конструкции водоспусков головных прудов и их гидравлический расчет рассмотрены в  гл.  5, здесь же мы рассмотрим основные конструкции донных водоспусков, применяемых на рыбоводных прудах. На рыбоводных прудах наиболее широкое распространение получили трубчатые водоспуски. Следует отметить, что обычно водоспуски в нижнем бьефе сопрягают с рыбоуловителем. В башне водоспусков рыбоводных прудов устраивают решетки, препятствующие уходу рыбы из пруда при сбросе воды через сооружение. Для размещения решеток и шандор в  башне водоспуска закладывают два ряда пазов. Высота башни сооружения зависит от напора, а ширина — от диаметра водопроводящей трубы. Башня водоспуска обычно не имеет передней стенки, передний конец трубопровода заделывают в заднюю стенку. Выходная часть представляет собой комплекс сооружений: водобойный колодец, рыбоуловитель (при необходимости) и укрепленную часть сбросного канала. Водобойный колодец делают из монолитного или сборного железобетона, рыбоуловитель — той или иной конструкции, предусмотренной проектом.

10.5. Сооружения рыбосборно-осушительной системы

535

От рыбоуловителя идет сбросной канал, который укрепляют одиночным мощением на гравийно-песчаной подготовке. Донные водоспуски делают из бетона, монолитного или сборного железобетона с применением для водопроводящей части асбестоцементных, металлических, железобетонных, полимерных и других труб. Размеры отдельных частей сооружения назначают в зависимости от того, какой расход воды должен быть пропущен через сооружение, в какое время и при каком напоре. Так как каждый пруд определенной категории отличается площадью, глубиной, сроками наполнения и сброса воды, то размеры донного водоспуска зависят от категории пруда, на котором его устанавливают. Так, донные водоспуски в нерестовых прудах должны быть рассчитаны на напор 1...1,5 м, в выростных, зимовальных, маточных, неглубоких и небольших пойменных нагульных прудах  — 1,5...3  м, в  нагульных русловых и головных — 3...5 м. На рис.  10.13 и  10.14 (см. с.  536–537) приведены конструкции водоспусков, разработанные институтом «Полесьегипроводхоз».

10.5.4. Рыбоуловители Рыбоуловитель предназначен для концентрации, кратковременного хранения и вылова из пруда выращенной рыбы. Его располагают в нижнем бъефе за выходной частью водоспуска. Рыбоуловитель представляет собой ряд гидротехнических сооружений и устройств: перегораживающее сооружение на сбросном канале с рыбозаградительными решетками, водовыпуск в рыбоуловитель, бассейн (камера) рыбоуловителя, водоспуск из рыбоуловителя, подъемные механизмы, подъездные пути и др. Его строят ниже донного водоспуска выростных и нагульных прудов. Вблизи рыбоуловителя располагают площадку для механизмов и оборудования по облову, сортировке, взвешиванию и погрузке рыбы. Кроме того, предусматривают устройство и оборудование для обеспечения водообмена и аэрации. Камеру рыбоуловителя обычно делают прямоугольной формы в плане и трапецеидального поперечного сечения. Дно рыбоуловителя рекомендуется располагать на 0,8...1,2  м ниже донного водоспуска. Дно укрепляют бетонированием или железобетонными плитами, откосы засевают травой, одерновывают

3

4 5

6

Рис. 10.13. Башенный водоспуск из пруда в пруд (ОАО «Полесьегипроводхоз»):

2

I

1 — башня для размещения решеток и шандор; 2 — экран из полиэтиленовой пленки; 3 — труба; 4 — железобетонная диафрагма; 5 — рыбоуловитель; 6 — канал

I

1

I–I

536 Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

1

3

III

III

4 План 5

6 7

I

Рис. 10.14. Водоспуск из пруда в канал (ОАО «Полесьегипроводхоз»):

II

2

III–III

II–II

1 — входной оголовок; 2 — затвор; 3 — экран из полиэтиленовой пленки; 4 — труба; 5 — железобетонная диафрагма; 6 — рыбоуловитель; 7 — канал

I

II

I–I

10.5. Сооружения рыбосборно-осушительной системы

537

538

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

или крепят бетонными плитами. Материал для крепления дна и откосов канала выбирают на основании геологических условий, наличия местного строительного материала и размеров рыбоуло­ вителя. В начале и конце рыбоуловителя располагают бетонные стенки с пазами для решеток и шандор, стенки могут устанавли­ ваться на шпунтовые ряды или зубья. Рыбоуловитель предназначен для приема всей рыбы, имею­ щейся в пруду, или ее части. В зависимости от этого устанавливают его размеры. Кроме того, необходимо знать, сколько времени рыба будет находиться в рыбоуловителе: при нахождении рыбы в рыбо­ уловителе менее одного месяца отношение массы рыбы к объему воды должно составлять 1 : 4, более одного месяца — до 1 : 7–1 : 10. В рыбоуловителе постоянно должна быть расчетная глубина воды, равная 1 м. Конструкции рыбоуловителей приводятся в  специальной ли­ тературе.

10.6. Рыбопропускные сооружения 10.6.1. Назначение и типы рыбопропускных сооружений, предъявляемые к ним требования При регулировании рек условия воспроизводства проходных и полупроходных рыб резко изменяются: ˆˆпреграждаются пути миграции проходных рыб на нерести­ лища, площади которых в верхнем бьефе сокращаются; ˆˆвследствие изменения гидрологического режима реки изме­ няются температурный и уровенный режимы нижнего бьефа и водо­ хранилищ, что влечет за собой гибель отложенной икры; ˆˆпроисходит усыхание дельтовых проток; ˆˆповышается соленость воды устьевых участков; ˆˆсокращаются паводковые расходы и не обеспечивается пол­ ное и своевременное обводнение нерестилищ полупроходных рыб в низовьях рек. Для сохранения естественного воспроизводства проходных и по­ лупроходных рыб в условиях зарегулированных рек необходимо обеспечить их пропуск из нижнего бьефа гидроузлов в верхний

10.6. Рыбопропускные сооружения

539

путем строительства рыбопропускных сооружений. При правильном проектировании и эксплуатации этих сооружений и при наличии нерестилищ в верхнем бьефе численность проходных рыб сохраняется и даже может возрасти. Все рыбопропускные сооружения подразделяют по способу перемещения рыб из нижнего бьефа в верхний на две основные группы: ˆˆрыбоходы — сооружения, в которых создается постоянно действующий поток воды со скоростями течения, обеспечивающими рыбе самостоятельный проход из нижнего бьефа гидроузла в верхний; ˆˆрыбоподъемники  — сооружения, через которые рыба пропускается в верхний бьеф гидроузла при помощи подъемных механизмов или шлюзованием. Для обеспечения нормальной работы рыбопропускных сооружений необходимо соблюдать следующие условия: 1) для привлечения рыбы к входу в рыбоход из верхнего бьефа в нижний необходимо подавать значительный расход воды, а скорости воды в этом месте должны быть равны скорости течения воды в реке. Вход в рыбоход следует располагать с таким расчетом, чтобы рыба могла легко его обнаружить; 2) скорость течения воды по рыбоходу следует назначать в зависимости от вида рыбы, идущей по рыбоходу (рыба должна иметь возможность ее преодолеть); 3) размеры отдельных конструктивных частей рыбоходов необходимо выбирать в зависимости от вида рыб, которые будут проходить по этому рыбоходу. Так, ширину и  длину отдельных бассейнов (ступеней), уклон дна, расстояния между бассейнами для отдыха рыб, размеры вплывных отверстий и  т.д. следует назначать индивидуально в каждом конкретном случае; 4) при устройстве рыбоподъемников размеры подходного лотка и камер рыбоподъемника необходимо назначать с учетом исключения травмирования рыбы при подъеме ее из нижнего бьефа в верхний; 5) работа подъемных и других механизмов должна быть по возможности бесшумной, чтобы не отпугивать рыбу от сооружения. Обеспечение интенсивного пропуска рыбы из нижнего бьефа в верхний во многом зависит от удачного расположения рыбопропускного сооружения в теле плотины и от его размеров. Размеры рыбопропускных сооружений зависят от напора, созданного пло-

540

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

тиной, рельефа местности в створе плотины и конструктивных решений всего комплекса сооружений, входящих в состав гидротехнического узла. Выбор типа рыбопропускного сооружения зависит от напора гидротехнического узла, в котором предполагается его строительство, а также вида и количества рыбы, которая должна быть пропущена через рыбопропускное сооружение. На гидротехнических узлах с напором до 30 м рекомендуется применять рыбоходы лестничного типа, при больших напорах лучше устраивать рыбоподъемники и рыбопропускные шлюзы, так как лестничные рыбоходы будут иметь большие размеры и, следовательно, дорого стоить. Для пропуска лососевых рыб пригодны рыбоходы, в которых создаются условия, близкие к природным. Для пропуска осетровых и сельдевых рыб лучше применять рыбоподъемники и рыбопропускные шлюзы, так как крупным осетровым рыбам трудно подниматься по рыбоходу и преодолевать скорости во вплывных отверстиях до 2 м/с; сельдевые же рыбы, идущие на нерест в больших количествах, будут травмироваться в рыбоходах.

10.6.2. Рыбоходы Рыбоходы в основном представляют собой различного типа лотки и каналы со скоростями течения, не препятствующими проходу рыбы против течения. Скорости течения, преодолеваемые рыбой, различны для различных ее видов, поэтому максимальные их значения принимают в пределах, меньших че те, которые, по экспериментальным данным, могут быть преодолены рыбой (табл. 10.1). В зависимости от создаваемых скоростей течения рыбоходы делят на три группы: 1) с одинаковой средней скоростью течения по всей длине (по конструкции разделяются на обходные каналы и лотковые); 2) с разными скоростями на отдельных участках (по конструкции разделяются на прудковые и лестничные); 3) угреходы. При невысоких плотинах с напором воды в водохранилище до 2 м рыбоходы устраиваются в виде каналов или лотков. Рыбоходным каналам придают уклоны для создания скоростей, не допускающих интенсивного размыва или заиления русла.

541

10.6. Рыбопропускные сооружения

Для получения небольшого уклона при максимальной разнице горизонтов воды в верхнем и нижнем бьефах следует увеличить длину канала, поэтому устройство подобных рыбоходов весьма ограничено. Таблица 10.1 Скорости течения воды, преодолеваемые рыбой, м/с Рыба

Карповые Осетровые Лососевые

В равномерном потоке

Во вплывных и входных отверстиях

0,5...1,0 0,8...1,2 1,5...2,5

0,8...1,2 1,0...1,5 2,0...3,0

Рыбоходы в виде свободных лотков представляют собой открытые лотки прямоугольного сечения (деревянные, каменные и  бетонные) (рис. 10.15). Лотки с неполными перегородками (рис. 10.16). Неполные перегородки расположены с разных сторон лотка. Перегородки отклоняют поток в разные стороны, что приводит к удлинению пути потока и сокращает длину лотка, уменьшает уклон и скорость потока. На суженых участках лотка скорости потока возрастают, но они не должны превышать максимально допустимые скорости для тех или иных видов рыб. Скорости в лотках достигают 0,8...2 м/с, глубина воды — 0,4...1,5 м. Для привлечения рыбы в рыбоходный лоток в нижний участок направляют дополнительный расход воды (0,6...0,7 м3/с) из специального лотка. Такие лотки применяются при напорах от 2 до 8 м, в основном для лососевых рыб. Лотки с повышенной шероховатостью. Шероховатость в лотке позволяет уменьшить скорость течения воды и увеличить наклон УВБ

I–I I УНБ

I

Рис. 10.15. Схема рыбоходного лотка

542

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

Рис. 10.16. Схема лоткового рыбохода с неполными перегородками

лотка, сократив его длину. Но в таких рыбоходах рыба не может передвигаться, так как образуется вихревое движение потока и рыба теряет ориентировку. Поэтому этот тип рыбоходов не получил распространения. Лестничные рыбоходы аналогичны лоткам с неполными перегородками, с той лишь разницей, что рыбоход полностью разбит перегородками на ряд камер (рис. 10.17). Вода из камер переливается через перегородки, образуя водопады. Для передвижения рыбы по такому рыбоходу в перегородках устраивают вырезы — вплывные отверстия (вверху и внизу). Для облегчения движения рыбы у вырезов со стороны верхнего бьефа перпендикулярно к перегородке устанавливают щиты. Гидравлический режим рыбохода зависит от поступающего расхода воды, который определяется отметкой уровня воды верхнего бьефа. Если уровень воды в верхнем бьефе подвержен значиУВБ 1

2

3 УНБ l

4

2

3

Рис. 10.17. Схема лестничного рыбохода:

1 — камеры; 2 — поперечные перегородки; 3 — продольные перегородки; 4 — вплывные отверстия

543

10.6. Рыбопропускные сооружения

тельным колебаниям, то в лоток будут поступать различные расходы, что может нарушить условия продвижения рыб по рыбоходу. Для обеспечения нормальной работы рыбохода необходимо использовать автоматические регуляторы, которые уравнивают амплитуду колебаний уровней верхнего бьефа и дают возможность постоянно пропускать воду по лотку. Напор воды между верхним и нижним бьефами колеблется от 2 до 31  м, ширина камер 2...9  м, длина 1,5...15  м, перепад между уровнями соседних камер составляет 0,13...0,75 м, расход воды, пропускаемый по рыбоходу, 0,5...7 м3/с. Лестничные рыбоходы предназначены для пропуска в  основном лососевых и пресноводных видов рыб. Эти рыбоходы получили широкое распространение. Они построены и успешно эксплуатируются на территории СНГ, в странах Европы и США. Прудковые рыбоходы состоят из ряда бассейнов, расположенных последовательно один выше другого и соединенных между собой лотками (перекатами). В прудковых рыбоходах создают условия, аналогичные естественным. Их строят при плотинах напором до 10 м. Простейший прудковый рыбоход представляет собой бассейны, соединенные канавами с достаточным уклоном (рис.  10.18). Такие конструкции рыбоходов устраивают в прочных скальных грунтах. Если рыбоход расположен на низовом откосе земляной плотины, то в противофильтрационных целях дно и откосы бассейнов покрывают глиняным экраном, защищенным слоем щебня. Прудковые рыбоходы целесообразнее всего располагать на береговых участках, что позволяет возводить устои и бычки минимальных размеров. Бассейны (прудки) прямоугольной формы обеспечи3

4

5

УВБ

Z

2

Z

1

Z

УНБ

3

Рис. 10.18. Схема прудкового рыбохода:

1  — плотина; 2  — выходной оголовок с затвором; 3  — прудки; 4  — соединительные каналы; 5 — устье рыбохода

544

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

вают необходимое направление потока и лучшее гашение энергии. Соединительные лотки следует выполнять по типу рыбоходов с неполными перегородками или лестничные.

10.6.3. Угреходы Угреходы — сооружения типа рыбохода, обеспечивающие проход молоди угря вверх по реке. Молодые угри длиной 5...9 см и толщиной 2...3  мм в апреле  — мае большими стаями поднимаются в  реки, где живут в пресноводной воде до достижения половой зрелости. Осенью (октябрь — декабрь) угорь спускается из рек в море. Молодь угря, поднимающаяся вверх по реке, очень слаба и обычно двигается вдоль берега. Встречая на своем пути пороги, запруды, плотины и другие естественные или искусственные преграды, угри переползают через них даже если стенки этих преград отвесные. Угри легче преодолевают преграду, если она смочена водой, а ее стенки шероховаты. Чтобы угрям было легче передвигаться через препятствие, на реках вблизи берега устраивают специальные сооружения — угреходы. Угреход представляет собой желоб или деревянный (бетонб

УВБ

а УВБ 1 2 3 УНБ

Рис. 10.19. Угреходы:

4 2

УНБ

а — при малой высоте плотины; б — при значительной высоте плотины; 1 — отверстия для прохода угрей в верхний бьеф; 2 — пучки хвороста; 3 — скобы; 4 — лоток

10.6. Рыбопропускные сооружения

545

ный) лоток, дно которого заполнено хворостом, мхом, гравием или галькой, поверх чего прибиты планки и  стенки, предупреж­ дающие скольжение материала, заполняющего желоб, в  нижний бьеф, и  устроены отверстия. Сверху желоб покрыт крышкой для затемнения и защиты угрей от вредителей. Нижний конец желоба расширяют и погружают в воду нижнего бьефа, а верхний — в верхний бьеф. В плотинах небольшой высоты угреход представляет собой уложенные у берега пучки хвороста. При значительной высоте плотины угреходы выполняются в виде нескольких ступеней, горизонтальная часть которых имеет вид лотков, а вертикальная застилается вертикально или наклонно поставленными фашинами (рис. 10.19). Часто угреходы делают в виде наклонного деревянного лотка, соединяющего нижний и верхний бьефы, шириной 15...30 см. Лотки заполняют мелким галечником (20...25  мм в диаметре). Угорь по такому угреходу передвигается через отверстия в перегораживающих стенках или сверху по гальке.

10.6.4. Рыбоподъемники Рыбоподъемники применяют при напорах более 30 м. Они имеют большое преимущество перед рыбоходами — преодоление напора в них не связано с затратой собственной энергии рыб-ми­ грантов. Кроме того, благодаря соответствующему гидравлическому режиму и применению побудительных устройств, становится возможным осуществлять контроль за движением рыб, их видовым составом и численностью на всем протяжении рыбопропускного сооружения от момента входа рыб в рыбонакопитель до выхода их в водохранилище. По принципу действия различают гидравлические и механиче­ ские рыбоподъемники. В настоящее время применяются различные конструкции вышеуказанных рыбоподъемников. Их устройство и принцип работы излагаются в специальной литературе.

546

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

10.7. Перспективы развития прудового рыбоводства В настоящее время практически половина потребляемого человечеством объема рыбы и рыбной продукции приходится на продукцию, выращенную в искусственных условиях или аквакультуре. Годовой прирост объемов производства продукции аквакультуры в мире составляет 8,3  %, существенно опережая приросты производства других видов продовольствия. Между тем спрос на рыбу на мировом рынке продолжает расти, особенно в развитых странах, что объясняется двумя важнейшими причинами: отсутствием реальных возможностей наращивания объемов вылова в Мировом океане и дальнейшим ростом населения. Приоритетным направлением развития товарного рыбоводства юга России является пастбищная аквакультура. Основной метод интенсификации прудового рыбоводства заключается в  подборе поликультуры рыб, наиболее полно использующих кормовую базу водоемов. Приоритетное значение при реализации продукционных возможностей водоемов отводится растительноядным рыбам как потребителям высшей водной растительности и фитопланктона. По экспертным оценкам, из внутренних водоемов России можно ежегодно получать не менее 1 млн т товарной продукции растительноядных рыб. При этом основная ее часть (не менее 500  тыс.  т) может быть получена из водоемов комплексного назначения путем создания хозяйств пастбищной аквакультуры. Для удовлетворения потребности населения России в рыбных продуктах необходимо повышение эффективности рыбного прудового хозяйства. Для развития рыбного прудового хозяйства к 2020  г. потребуется ориентировочно 5 км3 воды. В Республике Беларусь развитию рыбной отрасли государством уделяется большое внимание. Нормами рационального потребления пищевых продуктов, ут­ вержденными Министерством здравоохранения, предусмотрено среднегодовое потребление рыбы и морепродуктов (в зависимости от возраста и физической активности) от 16 до 24 кг в год на человека. Для устойчивого обеспечения потребности населения республики необходимо не менее 200 тыс. т рыбы и рыбной продукции в год.

10.7. Перспективы развития прудового рыбоводства

547

Всего в 2010 г. потреблено 160,5 тыс. т рыбы и морепродуктов, при этом личное потребление составило 149,6 тыс. т. Среднедушевое потребление рыбы и рыбной продукции увеличилось с 9,5 кг в 2000 г. до 15,8 кг в 2010 г. Доля потребления рыбы из внутренних водоемов республики составила 13,8 % от общего объема (2,4 кг на 1  человека). Государственной программой развития рыбохозяйственной деятельности на 2011–2015 гг. предусматривается реализовать комплекс мер, направленных на достижение в 2015 г. объема производства товарной рыбы до 25,2 тыс. т. Площадь прудового фонда республики, пригодного для использования в рыбоводстве, составляет 22,46 тыс. га, из которых 20,26 тыс. га находятся в специализированных рыбоводных хозяйствах Минсельхозпрода и 2,2 тыс. га в прудах организаций, имущество которых находится в коммунальной форме собственности. За время реализации Республиканской программы развития рыбной отрасли на 2006–2010  гг. объем производства товарной прудовой рыбы увеличился с 5,5 до 14,2 тыс. т, в 2011 г. он достиг 17,0 тыс. т. Для сохранения достигнутых показателей необходимо проводить ремонтно-эксплуатационные и агромелиоративные работы на прудах, выполнять лечебно-профилактические мероприятия, известкование прудов, применять минеральные удобрения, вести се­ лек­ционно-племенную работу, внедрять добавочные виды рыб. Прудовые хозяйства республики построены 50...80 лет назад. Для повышения эффективности производства рыбы необходима ежегодная реконструкция одного-двух хозяйств, что позволит в короткие сроки увеличить производительность прудов и объемы выращивания рыбы. В ближайшей перспективе основным валообразующим направлением развития аквакультуры в республике останется прудовое рыбоводство. Учитывая характер производственных мощностей рыбоводных организаций, карп будет являться базовым видом при выращивании. При ежегодном увеличении объемов производства прудовой рыбы главной задачей является снижение себестоимости выращиваемой продукции. Рыбопродукция нагульных площадей рыбоводных организаций достигла 13,6 ц/га, что соответствует нормативным величинам 11...13 ц/га.

548

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

В 2015  г. объем производства прудовой рыбы увеличится до 19,7 тыс. т (на 5,5 тыс. т выше к уровню 2010 г.), в том числе в рыбоводных организациях — 17,8 тыс. т, иных организациях — 1,9 тыс. т. При этом рыбопродукция в рыбоводных организациях составит 15...18  ц/га. Получение рыбопродукции 20 ц/га и выше на существующих площадях рыбоводных организаций затратно и экономически нецелесообразно. Для перехода на высокоинтенсивные технологии выращивания необходимы пруды площадью до 1 га, использование высокобелковых кормов, техническая аэрация воды и др., т.е. переустройство имеющихся прудов. Увеличение производства рыбы на имеющихся площадях рыбоводных организаций планируется за счет: ˆˆувеличения доли крупного товарного двухлетка карпа путем выращивания крупного сеголетка навеской 50 г; ˆˆоптимизации удешевляющей схемы кормления; ˆˆувеличения доли поликультуры до 30 %; ˆˆрасширения видового разнообразия прудового выращивания рыбы за счет таких видов, как сом европейский, буффало, линь, судак. Пруды организаций, имущество которых находится в коммунальной форме собственности, используются с низкой эффективностью. В  2011  г. в них произведено 0,88 тыс. т. товарной рыбы. Развитие до 2015 г. в таких прудах рыбоводства планируется за счет восстановления прудовых площадей, проведения ремонтноэксплуатационных работ, выполнения комплекса мероприятий, предусмотренных технологией выращивания рыбы. В мировом объеме аквакультуры значительная доля продукции производится фермерскими хозяйствами. Однако в  Беларуси на долю производимой фермерами рыбы приходится не более 5 % от общего объема производства. Эффективное ведение фермерского хозяйства невозможно без государственной поддержки. Для дальнейшего развития рыбоводства фермерской, коммунальной и других форм собственности необходимо предусмотреть выделение банками долгосрочных льготных кредитов на срок до 20 лет. При этом залогом должен являться строящийся объект. Республиканская программа развития рыбной отрасли на 2006–2010  гг. была направлена прежде всего на восстановление и развитие прудового рыбоводства, внедрение прудовой поликуль-

10.7. Перспективы развития прудового рыбоводства

549

туры и выращивание преимущественно традиционных объектов рыбоводства (карповых рыб). На современном этапе одной из основных задач отечественной рыбной отрасли является расширение видового ассортимента производства рыбы. Увеличение объемов производства рыбы в прудах имеет определенные естественные и экономические ограничения, обусловленные использованием земельных и водных ресурсов. В связи с этим актуальным является перспективное внедрение индустриального рыбоводства с применением передовых интенсивных технологий, позволяющих осуществлять выращивание ценных видов рыб вне зависимости от климатических условий при одновременном достижении максимальных показателей роста и продуктивности на фоне сбережения ресурсов и обеспечения экологической чистоты производственного процесса. В настоящее время на долю товарной продукции ценных видов рыб (лососевые, осетровые, сомовые) приходится около 1 % (140 т) от общего производства товарной рыбы в республике. Это связано с отсутствием в Беларуси специализированных хозяйств (производственных площадей) для их выращивания, так как существующие производственные мощности в рыбоводных организациях пригодны в основном для выращивания карповых рыб. Развитие индустриальных направлений аквакультуры в ближайшей перспективе будет способствовать качественному улучшению снабжения населения Беларуси отечественной продукцией, повышению объема среднедушевого потребления рыбной продукции, способствовать обеспечению продовольственной безопасности, оздоровлению населения. В 2015 г. планируется довести ежегодное производство ценных видов рыб до 3800  т (15  % от общего производства). Увеличение товарного производства ценных видов рыб в республике будет обеспечено за счет: ˆˆстроительства специализированных рыбопитомников для получения рыбопосадочного материала ценных видов рыб (преимущественно лососевых и сиговых рыб) общей мощностью до 300 т в  год (в  г.  Горки Могилевской области (построен в  2012  г.) и Логойском районе Минской области);

550

Глава 10. Рыбоводные хозяйства, пруды и сооружения

ˆˆреконструкции имеющихся в рыбоводных организациях (ОАО «Опытный рыбхоз “Селец”», ОАО «Рыбхоз “Днепробугский”», ОАО «ПМК-26», участок-рыбхоз «Новолукомльский») производственных площадей (садковые линии, бетонные бассейны) для обеспечения их максимального освоения под выращивание перспективных объектов рыбоводства (лососевых, осетровых, сомовых и др.), которая позволит увеличить производство товарной продукции на существующих площадях до 500 т в год (в 2015 г. — 420 т); ˆˆстроительства индустриальных специализированных комплексов по выращиванию лососевых рыб общей проектной мощностью 1650  т (в ОАО «Альба», ОАО «Рыбхоз “Волма”», ОАО «Рыбхоз “Новинки”», ОАО «ПМК-26», участок-рыбхоз «Новолукомльский», ОАО «Опытный рыбхоз “Селец”», СООО «Хазар Фиш», ОАО «Холдинг Могилевводстрой»), что позволит в 2015 г. достичь производства 1470 т товарных лососевых; ˆˆсоздания установок замкнутого водообеспечения по выращиванию осетровых и сомовых рыб общей проектной мощностью 2040  т в  ОАО «Рыбхоз “Волма”», ИООО «Рыбоводное хозяйство “Ясельда”» (первая и вторая очереди строительства с цехом по производству комбикормов для ценных видов рыб, мощность 20 тыс. т в год), КДУП «Светлогорское ПМС», ОАО «Рыбхоз “Полесье”»), что позволит уже в  2015  г. произвести 1910  т товарной продукции. Таким образом, реализовав указанные мероприятия, объем производства в республике ценных видов рыб с 2016 г. составит 4310 т. В заключении следует отметить, что Государственная программа развития рыбохозяйственной деятельности на 2011–2015 гг. преду­ сматривает комплекс мероприятий, обеспечивающих увеличение производства рыбы и рыбной продукции по доступным ценам, повышение уровня потребления рыбы и рыбной продукции на душу населения и достижение в 2015 г. полного импортозамещения пресноводной рыбы.

Глава

11 Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища 11.1. Гидроузлы и гидросистемы 11.1.1. Общие сведения о речных гидроузлах При использовании реки в тех или иных целях иногда приходится создавать несколько сооружений разного назначения, располагая их недалеко друг от друга. Особенно большое число гидросооружений получается в том случае, когда река перекрывается плотиной и имеет комплексное водохозяйственное использование. Из экономических и эксплуатационных условий отдельные сооружения целесообразно объединять в общий гидроузел. Гидроузлом называют совокупность гидротехнических сооружений, объединенных условиями совместной работы и местоположением. Речные гидроузлы — это комплексы сооружений, с помощью которых управляют водными ресурсами. По назначению различают гидроузлы водорегулирующие, водозаборные, воднотранспортные и комплексные; по виду водоисточ­ ника — речные, озерные, на каналах. По напору гидроузлы делятся на низконапорные — с напором воды в верхнем бьефе до 10...14 м, средненапорные  —  с напором 15...50  м, высоконапорные  — более 50 м. Речные низконапорные гидроузлы обычно состоят из водоподпорного сооружения в  виде грунтовой плотины, водосбросного сооружения, водоспуска (водозабора) и  других сооружений в  зависимости от назначения гидроузла (рис. 11.1).

81

77 76 75

О

71

УМ

74

75 76 77 79 80

НПУ ФПУ

Водозабор

72 73

71

Водохранилище

71

72

74 73

Ось ледозащит ного устройства

78

79

80

82

82 81 80 79

Магистральный канал

Рис. 11.1. Водохранилищный гидроузел

Насосная станция

75

Водоспуск

Входной оголовок водосброса

77

Сопрягающее сооружение

74

73

78

72

73 72 71

74

75

76

552 Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

11.1. Гидроузлы и гидросистемы

553

В состав гидроузла с водооборотной системой и системой с механическим забором и  подъемом воды входит также насосная станция. Состав и компоновка гидроузла зависят от назначения объекта, водоносности источника, величины напора, топографических, геологических и  гидрогеологических условий, эксплуатационных требований. Некоторые схемы низконапорных речных гидроузлов для прудов сельскохозяйственного назначения приведены в гл. 5. Как правило, гидроузлы и  создаваемые ими водохранилища имеют комплексное назначение. Они удовлетворяют требованиям различных отраслей водного хозяйства (мелиорации, рыбного хозяйства, водоснабжения, судоходства, энергетики и т.д.), а также автомобильного и железнодорожного транспорта. Гидротехническим комплексом или гидросистемой назы­ вают комплекс гидротехнических сооружений, обычно объединенных в несколько гидроузлов и имеющих «линейные» участки трассы (участки рек, каналы, туннели), которые могут располагаться со значительным отдалением друг от друга, но служат общим водохозяйственным целям. Как и  гидроузлы, гидросистемы бывают специализированными и  комплексными. В  Российской Федерации действуют крупные гидромелиоративные системы (Северо-Крым­ ская, Терско-Кумская, Ингулецкая, Андижанская), энергетические системы (например, каскад гидротехнических сооружений на р. Нарын), системы водоснабжения (канал Иртыш — Караганда), системы комплексного назначения (Волго-Донской комплекс, в  который входят Волго-Донской канал им. В.И. Ленина длиной 101 км, Цимлянский комплексный гидроузел на р. Дон и оросительно-об­ вод­ни­тельная система на ее левом берегу, захватывающая территорию протяженностью свыше 600  км). На Волго-Донском канале насчитывается до 100 различных гидротехнических сооружений, в  том числе 13 судоходных шлюзов, 3  насосные станции и  3  во­ дохранилища (Варваровское, Карповское и  Бореславское). Этот крупный гидротехнический комплекс решает вопросы водного транспорта, ирригации, водоснабжения, гидроэнергетики и  рыбного хозяйства. В Республике Беларусь действуют гидроэнергетические системы (каскад гидроэлектростанций на р. Днепр, Западная Двина и др.),

554

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

судоходные системы (Днепро-Бугский и Августовский судоходные каналы), системы водоснабжения (Вилейско-Минская водная система), осушительно-увлажнительные системы и др.

11.1.2. Основные требования к компоновке гидроузлов Под компоновкой подразумевают взаимное расположение основных и  второстепенных сооружений гидроузла. Она должна обеспечивать такие условия их совместной работы, которые наиболее полно удовлетворяют народнохозяйственным и  техническим требованиям. Основа выбора рациональной компоновки  — техникоэкономическое сравнение возможных вариантов. Предпочтение должно отдаваться тому варианту компоновки, который при прочих равных условиях и наилучших технических и экономических показателях надежно обеспечивает удобство эксплуатации основных сооружений, монтажа и ремонта их оборудования, минимальное расходование дефицитных строительных материалов, а также отвечает требованиям охраны окружающей среды. Район предстоящего строительства гидроузла выбирают исходя из общей схемы использования реки. При этом предварительно устанавливают местоположение створа гидроузла. Окончательно створ выбирают после изучения всех условий и рассмотрения нескольких вариантов его местоположения. По топографическим условиям различают узкие (коэффициент створа В/Н < 3) и широкие (В/Н > 3...5) створы (В и Н — соответственно длина створа и напор). В зависимости от назначения гидроузла в  его состав входят водоподпорные, водосбросные, водопроводящие, водозаборные, судопропускные, лесопропускные, рыбопропускные и рыбозащитные, энергетические и другие сооружения. На компоновку весьма существенное влияние оказывают топография и  геологические условия участка створа, водность реки, напор, степень зарегулированности стока, климатические характеристики всех времен года, условия пропуска строительных расходов, наличие природных запасов местных строительных материалов и т.д. Компоновка гидроузлов включает выбор створа подпорных сооружений, трасс судоходных, рыбопропускных и  водосбросных сооружений, площадки для строительства поселков, производст­

11.1. Гидроузлы и гидросистемы

555

венной базы и  др. При этом сопоставляют наиболее целесообразные в данных природных условиях варианты с определением для каждого из них наиболее рационального состава, типов и размещения сооружений. Компоновка гидроузла должна всесторонне учитывать природные, производственно-строительные, общехозяйственные условия района строительства, а также возможность использования существующих транспортных и  других коммуникаций. Особое внимание необходимо уделять: ˆˆгеологическому строению участка; ˆˆизменению бытовых гидрологических и  гидрогеологических условий при создании подпора и, в частности, изменению режима потока в верхнем и нижнем бьефах; ˆˆзаилению наносами водохранилища и  переформированию русла реки и  берегов в  подходах  к гидроузлу, подтоплению и  заболачиванию территории; ˆˆсохранению возможности разработки природных ресурсов в случае их затопления или подтопления; ˆˆустойчивости береговых склонов в верхнем и нижнем бьефах; ˆˆусловиям судоходства и лесосплава; ˆˆрыбоводству и рыболовству; ˆˆсанитарной обстановке в зоне влияния гидроузла; ˆˆвозможным нарушениям работы систем водоснабжения и мелиорации; ˆˆвлиянию подпора на транспортные связи между берегами в районе гидроузла и водохранилища и возможности их улучшения. Необходимо предусматривать сохранение природных условий (в том числе по возможности сохранять естественную растительность) и улучшение ландшафта в створе гидроузла, по трассе деривации, участку расположения напорно-станционного узла и  в  местах, имеющих мемориальное значение. Планировочные решения, размещение отвалов грунта и карьеров надлежит увязывать с окружающим ландшафтом. Генеральный план гидроузла следует увязывать с проектом развития района, в  котором располагаются гидроузел, промышленные объекты, поселки строителей и эксплуатационников и новые жилые образования. При этом необходимо учитывать магистрали, соединяющие этот комплекс с населенными пунктами, железнодо-

556

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

рожными станциями и  портами, и  предусматривать возможность расширения промышленных и жилых образований, возникающих в районе гидроузла. При выборе компоновочного решения необходимо обеспечить наиболее рациональные условия производства строительных работ: удобство подъездов к гидроузлу, целесообразную трассировку строительных дорог, благоприятные гидравлические режимы в  период пропуска строительных расходов и временной эксплуатации, максимально возможное сбалансирование объемов выемок и насыпей с  сокращением благодаря этому объема карьеров, резервов, отвалов и т.п. При организации и размещении строительного хозяйства и поселков следует иметь в виду необходимость обеспечения наибольших удобств для жителей и возможность последующего развития промышленного и гражданского строительства. При этом учитывается наличие населенных пунктов, объектов стройиндустрии и  других предприятий, которые могут быть использованы при строительстве гидроузла, а также расположение строительной площадки по отношению  к существующим подъездным путям и  источникам энергоснабжения. При сопоставлении вариантов компоновки гидроузла необходимо учитывать сроки и размеры затрат, необходимых по каждому варианту для первоочередного ввода объектов хозяйственного комплекса, а также выдачи мощности гидроэлектростанции на неполном напоре и др. В общем случае можно отметить, что строительство гидроузла должно иметь экономическое, инженерно-техническое и со­ци­аль­ но-­экологическое обоснование. Экономическая целесообразность строительства в  первом приближении оценивается коэффициентом эффективности, который равен отношению чистого дохода к величине капитальных вложений, и является величиной, обратной сроку окупаемости. Значение этого коэффициента должно соответствовать нормативным требованиям. Инженерно-техническую возможность строительства подтверждают гидрологическим и водохозяйственным расчетом, оценкой надежности геологии, анализом батиграфических показателей ложа.

11.2. Пруды

557

Водохозяйственное строительство должно иметь социально-эко­ логическое обоснование, т.е. выполнять нормативные требования к качеству воды, защите ее от загрязнения, глубине водоема, уровню подъема грунтовых вод и  подтоплению территории, обеспечению благоустройства и  т.д. При этом особое внимание уделяется разработке мероприятий по охране флоры и фауны, борьбе с водной эрозией берегов и  склонов, предупреждению заболачивания и  засоления почв. Непосредственное проектирование гидроузла как ответственного строительного объекта осуществляется в две стадии: 1) проект со сводной сметной стоимостью, в котором на основании инженерных изысканий и  вариантных проработок уточняют место размещения, проектную мощность, стоимость строительства и другие технико-экономические показатели; 2) рабочая документация со сметами. Следует отметить, что содержание проектной документации должно соответствовать СНБ 1.03.02–96.

11.2. Пруды 11.2.1. Общая классификация водоемов Искусственные водоемы различаются по следующим основным признакам: геометрическим размерам, местоположению, степени аккумуляции и регулированию стока, назначению. По геометрическим размерам выделяют: ˆˆпруды — водоемы с полным объемом воды до 1 млн м3, площадью зеркала до 1 км2; ˆˆмалые водохранилища  — водоемы  с полным объемом 1...10 млн м3, площадью зеркала 1...2 км2; ˆˆкрупные водохранилища  — водоемы, у  которых полный объем более 10 млн м3, а площадь зеркала более 2 км2. По местоположению водоемы классифицируют: ˆˆна долинные (русловые), устраиваемые путем затопления русла и долины рек, ручьев, балок; ˆˆналивные, создаваемые затоплением естественных понижений, искусственных углублений или участков обвалования территории;

558

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

ˆˆозерные, образуемые путем подпора естественных озер и водоемов. По степени аккумуляции и  регулированию стока водоемы бывают: ˆˆс годовым регулированием, обеспечивающим сезонное, суточное регулирование; ˆˆс многолетним регулированием, если наполнение и сработка полезного объема происходят в течение нескольких лет. По назначению выделяют водоемы: для рыборазведения, орошения, водоснабжения, благоустройства, судоходства и лесосплава, малой гидроэнергетики, спортивных целей, борьбы с наводнениями и паводками, а также для комплексных целей.

11.2.2. Характеристика водоемов Водоем характеризуют следующие показатели: ˆˆнормальный подпорный уровень (НПУ)  — расчетный уровень, устанавливаемый водохозяйственным расчетом; ˆˆфорсированный подпорный уровень (ФПУ) — уровень, до которого допускается временное затопление части территории (выше НПУ); Форсированными называют уровни выше нормального, возникающие в паводковые периоды. Форсировка уровня необходима при наличии автоматических (нерегулируемых) водосбросов в составе гидроузла. Применение автоматических водосбросов позволяет уменьшить основные и  поверочные расходы водосбросных сооружений путем трансформации гидрографа паводка в водохранилище. Отметку наибольшего форсированного уровня обычно принимают исходя из условий пропуска поверочного паводкового расхода водотока с  учетом ущерба от временного затопления территорий, прилегающих к водохранилищу. ˆˆуровень мертвого объема (УМО) — наинизший уровень, до которого допускается опорожнение водоема; Отметка УМО зависит от срока службы водохранилища и интенсивности его заиления, санитарных требований, требуемой отметки командования над орошаемой площадью (полезный объем

559

11.2. Пруды

воды используют в основном для самотечного орошения) или над рыбоводным хозяйством (полезный объем воды используют для замены воды в  рыбоводных прудах при самотечной водоподаче) и др. ˆˆполный объем водоема W — объем, заключенный между дном чаши пруда и зеркалом воды на отметке НПУ (равен сумме полезного объема Wп и мертвого объема Wмо); ˆˆполезный объем водоема Wп  — объем, заключенный между отметками НПУ и УМО, срабатывается для хозяйственных целей; ˆˆмертвый объем водоема Wмо  — объем, заключенный между дном чаши пруда и  отметкой уровня УМО; предназначен для осаждения в нем наносов; ˆˆнеопорожняемый объем Wно  — часть мертвого объема, расположенная ниже отметки порога водосливных (водоспускных) отверстий и поэтому не опорожняемая самотеком; ˆˆпротивопаводковый объем Wпп — часть полного объема, срабатываемая перед пропуском паводка и используемая для регулирования величины паводкового расхода; ˆˆобъем форсировки Wф (резервный объем)  — объем, заключенный между отметками НПУ и ФПУ; ˆˆкоэффициент емкости водоема — отношение полезного объема водоема Wп к объему среднего многолетнего стока Wо:

β=

Wп . Wо

(11.1)

Основными показателями водоема являются его полезный объем Wп и  площадь зеркала F. Для их определения используют батиграфические (топографические) характеристики водоема W = f1(Н) и F = f2(Н), где Н — отметка зеркала (глубина) водоема (рис. 11.2, б). Данные для построения батиграфических характеристик водоема и порядок их определения показаны на рис. 11.2, а и в табл. 11.1. Важными показателями водоема являются максимальная Н1 и средняя Нср = W/F глубина водоема, а также площадь мелководной зоны Fмел глубиной Н < 0,5 м. Из экологических условий площадь Fмел не должна превышать 10...15 % общей площади зеркала водоема.

560

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

а 6 W3

16 14

F2

4 W2

2

F1

12 W1 10

F3

F2

F1

14,0 10,0 10,0 14,0

Уровень воды, м

F3

h2 h2 h2

б

НПУ

16 15 14 13

W



) (H f1

H) f 2(  F

УМО

12 11 0

50

0

2

100 W, тыс. м3 4

F, га

Рис. 11.2. Определение размеров водоема (размеры в см):

а — схема для расчета объема водоема; б — топографические характеристики водоема

Таблица 11.1 Определение вместимости чаши водоема Показатель

Значение

Горизонталь Площадь по горизонтали, м2 Средняя площадь между горизонталями, м2 Сечение горизонталей, м Объем между соседними горизонталями, м3 Объем по данной горизонтали, м3

Следует отметить, что чем больше Нср, тем лучше характеристика водоема. Для равнинных водоемов Нср = 2...5 м, для горных — 8...15 м и более.

11.2. Пруды

561

11.2.3. Пруды Республики Беларусь Прудовой фонд Республики Беларусь в настоящее время составляет около 1500 единиц, в том числе примерно 500 в госрыбхозах и немногим более 1000 в колхозно-совхозном секторе. В это количество входят и пруды-копани с площадью зеркала менее 1 га. Назвать более точные цифры представляется сложным, так как пруды находятся на балансе различных ведомств, часть из них строится и реконструируется, а часть выходит из строя по причинам заиления, зарастания и  заболачивания, разрушения плотин из-за небрежности эксплуатации и др. Следует отметить, что пруды распределены по областям очень неравномерно. Так, в  Минской области их около 400, в  Гродненской — 300, Могилевской и Брестской — примерно по 270, Гомельской — 160 и Витебской — около 100. На рис. 11.3 показана густота прудов на 100 км2 площади водосбора. Неравномерна распределена и площадь прудов (рис. 11.4). По площади водного зеркала действующие пруды республики можно отнести к малым (до 10 га), средним (10,1...25 га) и большим (более 25 га). В основном пруды расположены в долинах малых рек, оврагах и балках, бывших карьерах, а также на месте торфоразработок. Поэтому по характеру размещения их можно разделить на четыре типа: речные, или русловые; овражно-балочные; наливные; карь­ ерные. Речные пруды  — наиболее распространенные, чаще всего лентовидной формы. Располагаются в  основном в  верховьях малых рек, в северной и центральной частях республики. Длина их в среднем достигает 1 км, ширина не более 100...150 м. Овражно-балочные пруды распространены в основном в местах, сильно подверженных воздействию водной эрозии. В Беларуси этот тип характерен для лёссового Оршанско-Могилевского плато. Они имеют форму удлиненного треугольника с основанием у плотины. Длина не превышает 500 м, ширина 150...200 м. Наливные пруды встречаются очень редко, обычно озеровидной формы. Их длина и средняя ширина в основном одинаковы. Вода различными механическими способами подается из озер, рек, каналов. Нередко эти водоисточники находятся на расстоянии 5...6 км друг от друга.

562

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

Витебск

Могилев

МИНСК Гродно

Гомель Брест

–1

–2

–3

–5

–6

–7

–4

Рис. 11.3. Густота прудов на 100 км2 площади водосбора:

1 — нет прудов; 2 — менее 0,1; 3 — 0,1...0,3; 4 — 0,3...0,5; 5 — 0,5...0,7; 5 — 0,7...1,0; 7 — более 1,0

Карьерные пруды располагаются, как правило, на месте торфоразработок или других выработок. Конфигурация в плане зависит от формы выработки.

563

11.2. Пруды

Витебск

Могилев

МИНСК

Гродно

Гомель

Брест

–1

–2

–3

–5

–6

–7

–4

Рис. 11.4. Распределение площади прудов (м2/км2) по районам Республики Беларусь: 1 — нет прудов; 2 — до 100; 3 — 100...300; 4 — 300...600; 5 — 600...1000; 6 — 1000...1500; 7 — 1500

564

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

11.3. Водохранилища 11.3.1. Общие сведения о водохранилищах Республики Беларусь В настоящее время на территории Беларуси действует около 120 водохранилищ различного хозяйственного назначения. В республике преобладают водохранилища речного типа. Наибольшие объемы зарегулированного водохранилищами стока рек приходятся на бассейны Западной Двины, Немана и Припяти. Наименьшая степень зарегулированности водохранилищами отмечается в  бассейнах Западного Буга, Сожа и Днепра. В зависимости от полного объема и  площади водного зеркала все водохранилища Беларуси делятся (по В.М. Широкову): ˆˆна средние — с объемом более 100 млн м3 и площадью зеркала более 50 км2; ˆˆмалые — объем 10...100 млн м3 и площадь зеркала 10...50 км2; ˆˆочень малые — объем 1...10 млн м3 и площадь зеркала менее 10 км2. В основном водохранилищный фонд республики представлен малыми водохранилищами. Наряду  с отраслевым использованием водохранилища имеют и комплексное назначение, например для рыбного хозяйства и орошения земель, рекреации и энергетики, водоснабжения и т.д. В табл. 11.2 приведены основные данные по крупнейшим водохранилищам Республики Беларусь. Таблица 11.2 Крупнейшие водохранилища Республики Беларусь Водохранилище

Площадь, км2

Полезный объем,. млн м3

Средняя глубина, м

Вилейское Заславское Краснослободское Солигорское Любанское

77,0 27,0 23,6 23,1 22,5

235,0 103,0 50,0 38,0 32,7

7,00 3,80 3,00 2,50 1,75

Площадь Длина, км водосбора, км2

30,0 9,2 5,5 24,0 11,0

4120 562 668 1685 812

565

11.3. Водохранилища

Окончание табл. 11.2 Водохранилище

Площадь, км2

Полезный объем,. млн м3

Средняя глубина, м

Площадь Длина, км водосбора, км2

Погост

16,2

44,8

3,40

6,1

939

Локтыши

15,9

29,8

3,20

6,0

940

4,7

11,3

3,20

11,5

214

Петровичское

11.3.2. Изменение гидрологического режима и его воздействие на природные условия зоны водохранилища Водохранилища создают для перераспределения речного стока в  многолетнем, сезонном, недельном или суточном разрезе. Происходящее при этом преобразование естественного гидрологического режима рек приводит  к изменению многих других природных процессов как в верхних, так и в нижних бьефах гидроузлов. В верхних бьефах изменения природных процессов зависят от размеров водохранилища (площади, объема, глубины), его конфигурации в плане, гидрографии района, состава пород, слагающих чашу водохранилища, характера регулирования, режима эксплуатации и климатических условий. В нижнем бьефе изменения природных процессов зависят в первую очередь от характера и размеров преобразования стока, а затем уже от других факторов, приведенных выше. Наибольшее изменение режима рек происходит при создании водохранилищ многолетнего и сезонного регулирования. Режим уровня водохранилища отличается от естественного режима реки, в  различной степени в  разных его зонах. Максимальное отличие наблюдается непосредственно у плотины; здесь уровни всегда выше естественных (бытовых), их колебание от максимального (УВВ) до минимального (УМО) может достигать нескольких десятков и даже сотен метров, поверхность воды у плотины практически не имеет уклона. По мере продвижения от плотины вверх по течению отличие колебания уровней водохранилища от бытового уровня реки уменьшается. Существенное влияние оказывают ветры, вызывающие нагонные явления.

566

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

Скорость течения в водохранилище меньше скорости течения в реке в бытовых условиях. Известно, что на равнинных реках бытовая скорость в  период паводка в  среднем составляет 1...3 м/с, тогда как средняя скорость в водохранилище в  десятки раз меньше. Скорость уменьшается по мере продвижения от верхней части водохранилища к плотине. Некоторое заметное увеличение скорости наблюдается в ограниченной зоне вблизи плотины при открытых затворах паводкового сброса. Волновой режим в водохранилищах также отличается от речного. Если высота волны в реке в бытовых условиях обычно не превышает 0,5...0,75 м, то в водохранилищах высота волны достигает 3 м и  более. Высота волны на разных участках одного и  того же водохранилища и  на разных водохранилищах изменяется очень существенно. Параметры волны зависят от скорости и продолжительности действия ветра, длины разгона, глубины водохранилища, конфигурации водохранилища, высоты берегов, рельефа и грунта дна, наличия или отсутствия древесной растительности, характера заполнения водохранилища и многих других факторов. По условиям волнообразования различают следующие участки водохранилища: озеровидные плесы, узкие речные участки, заливы. Термический режим водохранилища весьма неоднороден. В отличие от рек в  водохранилищах наблюдается существенное неоднородное распределение температур и не имеется свойственной озерам четкой связи между изменением глубин и температурами. Вследствие перемешивания воды ветровыми и русловыми течениями в придонных слоях водохранилищ температура относительно высока. Годовые изменения температур определяются сменой сезонов года. На мелководьях нагревание (и охлаждение) поверхностных слоев воды происходит гораздо быстрее, чем на глубоководных участках. Температура поверхностных слоев воды заливов и открытых участков различается иногда на несколько градусов. На глубоководных участках в тихое нештормовое время температура от поверхности ко дну понижается на 4...6 °С, в  период штормов температура выравнивается. В нижний бьеф осенью поступает более теплая, а  весной более холодная, чем в  бытовых условиях, вода (разница составляет 2...4 °С).

11.3. Водохранилища

567

Прогрев воды весной и охлаждение ее осенью в водохранилище отстает от аналогичных изменений в реке на 15...20 дней. По мере удаления от гидроузла по реке разница температур естественного водотока и зарегулированного участка уменьшается. Так как испарение  с водной поверхности значительно больше, чем испарение  с поверхности суши, при создании водохранилищ испарение в  окружающую среду резко увеличивается. Например, в Беларуси средняя многолетняя величина испарения с водной поверхности водоемов равна 575 мм, при этом на севере — 540, а на юге  — 620 мм, тогда как  с поверхности суши испаряется около 300 мм. При создании водохранилищ резко увеличивается поверхность акватории, что, в свою очередь, приводит к увеличению испарения. Льдообразование в водохранилищах зависит от метеорологических условий, глубин и скорости течения. Процесс начинается на мелководных заливах с образования заберегов. Последние, нарастая, превращаются в широкий береговой припай. Над глубоководными участками свободная от льда поверхность воды может сохраняться дольше. Сплошное ледовое покрытие образуется с  наступлением устойчивых морозов. На севере страны льдообразование в  водохранилищах происходит быстрее, чем на реках бытового режима, на юге  — медленнее. Толщина льда водохранилищ в  среднем на 15...20 % больше, чем в реках. Различия в толщине льда на отдельных участках водохранилищ более резки. У берегов лед толще, чем в открытой зоне водохранилища. Участки с тонким льдом или свободные от льда бывают в зоне водоприемников гидроэлектростанций, где наблюдаются большие скорости течения. Осенний ледостав в нижнем бьефе наступает позднее, чем в верхнем, вследствие поступления туда воды из водохранилища, где ее охлаждение замедлено, и больших скоростей течения. Кромка ледяного покрова образуется на расстоянии от нескольких сот метров до нескольких десятков километров за гидроузлом и по мере снижения температуры приближается к нему. Освобождение водохранилища от льда происходит под воздействием тепла окружающего воздуха, солнечной радиации, притока талой воды и  взлома льда при поднятии уровня. Эти процессы происходят тем интенсивнее, чем ниже уровень воды при наступлении ледостава. На больших водохранилищах лед тает на месте,

568

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

на средних и малых при больших половодьях лед сбрасывают в нижний бьеф. Гидрохимический и гидробиологический режимы водохранилищ также отличаются от речных. Резкое увеличение испарения с вод­ ной поверхности при создании водохранилищ и образование в нем льда могут увеличивать содержание солей в  воде, что приводит к повышению минерализации в реке ниже водохранилища (наименьшая минерализация наблюдается в период паводка, в дальнейшем она повышается). В результате изменения гидрологического режима реки значительные изменения претерпевает гидробиологический режим: ˆˆиз-за затопления больших площадей (лугов, пастбищ и даже лесов) образуются огромные запасы органических веществ, что благоприятно влияет на жизнь мельчайших организмов, являющихся пищей для рыбы; ˆˆв водохранилище поступают питательные вещества и  с водосбора (больше, чем в реку в бытовом состоянии); ˆˆорганические вещества поступают в воду вследствие жизнедеятельности микроорганизмов, синтезирующих органические вещества из неорганических. Под воздействием гидробиологических процессов изменяется газовый режим водохранилищ. Перемешивание воды способствует ее обогащению кислородом. Рыбное стадо изменяется: исчезают рыбы, привыкшие  к проточной воде и  большим скоростям, появляются породы озерного типа. Изменение гидрологического режима реки при создании водохранилища ведет к изменению режима наносов — водохранилище заиляется. В верхней (хвостовой) части водохранилища откладываются крупные наносы, по мере приближения к плотине размеры частиц уменьшаются. В нижнем бьефе наносный режим изменяется под влиянием его изменений в верхнем бьефе. Это приводит к соответствующим переформированиям русла: сначала наблюдается размыв и  понижение дна, затем процесс стабилизируется. К мероприятиям по борьбе  с заилением водохранилищ относятся: ˆˆудаление наносов из водохранилищ путем выпуска воды через донные отверстия  — при этом наносы смываются только

569

11.3. Водохранилища

с участка вблизи плотины; кроме того, для обеспечения необходимых скоростей приходится резко снижать уровень водохранилища; ˆˆмеханическое удаление наносов из водохранилища — например, землесосными снарядами (чрезвычайно дорогое мероприятие); ˆˆпредупредительные меры по предотвращению занесения водохранилища — наиболее эффективно зарегулирование стока верховьев реки и притоков; большое значение имеет борьба с водной эрозией на водосборной площади.

11.3.3. Изменение природных условий вокруг водохранилища Влияние подпора. Подпор (подъем уровня) от плотины и вызванное им затопление земель распространяются далеко вверх по течению реки. Приближенно длину участка (зоны) подпора можно вычислить по формуле L = КH , I



(11.2)

где К — коэффициент, учитывающий конструкцию плотины (К = = 5...2,2 для плотин с затворами и разборчатых; К = 4...5,7 для глухих плотин); Н  — напор на плотине; I  — средний продольный уклон потока до создания водохранилища (рис. 11.5). Затопление земель в верхнем бьефе бывает трех типов: ˆˆпостоянное, отвечающее уровню мертвого объема (УМО); ˆˆдолговременное, отвечающее нормальному подпорному уровню (НПУ);

БУ

В H

I

НПУ

H/I l

Рис. 11.5. Схема для приближенного определения длины участка подпора от плотины

570

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

ˆˆкратковременное, отвечающее периоду половодья и периодам форсировки уровней. Границы затопления могут изменяться (расширяться) под влиянием переработки берегов и отложения в водохранилище наносов. Инженерная защита объектов на территории вокруг водохранилища включает следующие мероприятия: ˆˆограждение объекта или ценных земель (иногда вредного мелководья) незатопляемыми земляными дамбами; ˆˆустройство дренажа и откачка воды с обвалованных или подтопляемых территорий; ˆˆукрепление берегов против разрушающего действия волн, оползней; ˆˆвертикальная планировка территорий. Изменение ландшафта речной долины. При создании плотин возникают озеровидные водоемы средней шириной в несколько километров. Максимальная ширина крупных водохранилищ достигает 30...60 км с площадью водного зеркала в сотни и даже тысячи квадратных километров. Подъем уровня воды приводит к затоплению пойменных и надпойменных террас, а иногда и коренных берегов. Под влиянием ветрового волнения, оползней и других явлений, вызывающих обрушение берегов и  образование отложений у их подножий вдоль линии берегового откоса, происходит переработка берегов водохранилища или переформирование склонов речной долины, превращенных в берега водохранилища. Переработка берегов водоемов (абразивная) происходит наиболее интенсивно в  первые 2...3  года эксплуатации, затем постепенно затухает. В результате образуется относительно пологая и  устойчивая береговая отмель (рис.  11.6), в  пределах которой 34,5 м

9м

12,4 м

НПУ

Рис. 11.6. Переработка берегов водохранилища и образование береговой отмели за 14...15 лет эксплуатации

571

11.3. Водохранилища

гасится вся волновая энергия, ранее переходившая в  работу разрушения берега. Сработка уровней больших водохранилищ ведет к сильному изменению ландшафта района. Обнажившиеся пологие берега частично зарастают, частично нет, представляя собой песчаные или илистые отмели. Изменение климатических условий. Водохранилища на крупных реках оказывают существенное влияние на климат окружающих районов. Это влияние обусловливается следующими факторами: ˆˆпоявлением большого объема водной массы  с высокой теплоемкостью, что несколько смягчает континентальный характер климата; ˆˆувеличением площади поверхности испарения; ˆˆподъемом уровня грунтовых вод; ˆˆвозникновением водной (гладкой) поверхности водохранилища взамен шероховатой поверхности суши, что способствует усилению ветров над водохранилищем и прибрежной зоной. Влияние водохранилища распространяется на все составляющие климата: континентальность, температурный режим, количество осадков, влажность воздуха, ветровой режим и  т.п. Оно проявляется в уменьшении амплитуд колебаний температуры, повышении влажности воздуха, скорости ветра и др. Изменение режима уровней грунтовых вод (подтопление земель). С созданием водохранилища существенно изменяется положение поверхности грунтовых вод (рис. 11.7) — она перемещается УВ

4

3

УВ УВ

1

2

5

Рис. 11.7. Изменение положения депрессионной поверхности грунтовых вод при создании водохранилища: 1 — уровень воды в реке до подпора; 2 — депрессионная поверхность грунтовых вод в  естественных условиях; 3  — уровень водохранилища; 4  — депрессионная поверхность грунтовых вод после подпора; 5 — водоупор

572

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

ближе к поверхности земли. И если, например, раньше река была дреной другого водотока, то после заполнения водохранилища направление движения грунтовых вод изменяется. Повышение уровня грунтовых вод и  скорость формирования подпора различны для разных водохранилищ и  даже для разных участков одного и  того же водохранилища. На характер и  интенсивность процесса подтопления влияют в основном величина подпора уровня воды в реке, механический состав и фильтрационные свойства грунтов, слагающих берега водохранилища, и  режим уровней водохранилища. Подъем уровня грунтовых вод при слабоврезанной долине может привести  к выходу их на поверхность земли и заболачиванию территории. Кроме того, повышение уровня грунтовых вод приводит к изменению почвенного покрова, растительности и  химического состава грунтовых вод. Если на подтопленной территории расположено какое-либо сооружение (например, здание насосной станции и  др.), то резко усложняются условия его эксплуатации и  в  ряде случаев оно может выйти из строя. Влияние водохранилищ на почвенный покров, растительность и  животный мир. Изменение режима паводкового затопления земель, уровней грунтовых вод и микроклимата приводит к изменению водного и теплового режимов почвы в прибрежных и других районах зоны подтопления, а тем самым к изменениям в ней биологических и физико-химических процессов. Эти изменения зависят от уровня грунтовых вод, удаленности от уреза водохранилища, уклона поверхности земли, механического состава почв, характера растительности и  других факторов. Общая ширина района влияния водохранилища на почвенный покров может составлять от нескольких десятков метров до нескольких километров. Расположение уровня грунтовых вод на глубине 2 м и более от поверхности земли ведет к увеличению подвижности гумусовых веществ и железа и оглеению этих горизонтов. Дальнейшее повышение уровня грунтовых вод (1...2 м от поверхности земли) вызывает процесс олугования подзолистых почв с повышением в них содержания гумуса, азота, фосфора, кальция и соединений железа. Еще большее повышение уровня грунтовых вод (до 1 м от поверхности земли) усиливает указанные выше изменения химических процессов и способствует переходу дерново-подзолистых почв в под­

11.3. Водохранилища

573

золисто-глееватые. Очень близкое к поверхности земли залегание уровня грунтовых вод, т.е. активное подтопление, приводит к заболачиванию с образованием торфяно-глеевых и торфянисто-под­зо­ листо-глеевых почв с сильноторфянистой дерниной; в засушливых районах наблюдается засоление почв. В зонах периодического затопления образуются торфяно-глеевые и болотные почвы. Под влиянием изменения гидрологического режима, микроклимата и  почвенного покрова существенно видоизменяется растительность как в водохранилище, так и на прибрежных территориях. На глубоководных и постоянно затопленных участках ранее существовавшая растительность (деревья, кустарники, травы, мхи) гибнет. Водные растения — тростник, камыш и т.п. — также не могут произрастать при глубине воды более 2...2,5 м. Как правило, не развивается растительность на участках большого волнобоя. С возникновением водохранилищ существенно изменяется животный мир. Вытесняются, гибнут ранее жившие здесь животные. В то же время происходит обогащение фауны водными видами животных (ондатра, выдра, норка, нутрия) и  птицами. Благоприятное развитие этих видов фауны характерно для водохранилищ с незначительными колебаниями уровней.

11.3.4. Изменение природных условий в нижнем бьефе гидроузлов В связи  с увеличением меженных расходов в  нижнем бьефе оказывается постоянно затопленной узкая прибрежная зона. Ширина этой зоны обычно невелика и составляет десятки, а иногда сотни метров. В результате постоянного и временного затопления земель и повышения уровня грунтовых вод в нижнем бьефе наблюдаются изменения почвенно-растительного покрова, аналогичные происходящим в верхнем бьефе. В то же время, вследствие уменьшения паводковых расходов потока, сбрасываемого в нижний бьеф, уменьшается по сравнению  с бытовыми условиями зона временных затоплений пойм. В связи  с этим для нижнего бьефа характерны следующие изменения природных условий. На пойменные земли, регулярно затапливаемые в  бытовых условиях, теперь уже не откладывается наилок, содержащий органические питательные вещества. Это ведет к резкому ухудшению

574

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

качественного состава лугового травостоя — пойменные луга в истинном понимании этого слова исчезают. Запасы влаги в пойменных землях уменьшаются, уровень грунтовых вод нередко снижается, что ведет к существенному обеднению этих земель. Это особенно существенно для засушливых южных районов, где весеннее увлажнение поймы создает базу для развития луговой и  древесной растительности в  течение всего лета. Влияние этого фактора для районов избыточного увлажнения (лесная зона) несколько иное. Русловые процессы и пойменные деформации в нижнем бьефе развиваются в  направлении размыва берегов, отмирания пойменных и  русловых рукавов, хотя эти процессы идут довольно медленно. Более активно, особенно в первые годы эксплуатации водохранилищ, проходят процессы руслоформирования в вертикальной плоскости. Вследствие задержания в водохранилище наносов и поступления в нижний бьеф переосветленной (по сравнению с бытовыми условиями) воды здесь отмечается активный размыв дна и понижение его отметок непосредственно вблизи гидроузла. Развитие этого процесса идет до установления равновесия, т.е. развитие процессов размыва по длине русла до насыщения потока наносами до его транспортирующей способности, после чего зона размыва и зона аккумуляции смещаются вниз по течению. На притоках, впадающих в реку ниже водохранилища, происходит активизация русловых процессов. Здесь вследствие снижения уровней половодья в  главной реке увеличиваются уклоны и  скорости, что ведет к усилению размывов русел и берегов. Эти процессы тем активнее, чем ближе устья притоков к створу гидроузла. Вследствие образования в нижнем бьефе незамерзающих участков (майн) изменяется микроклимат как над самой рекой, так и в прибрежной зоне: температура воздуха здесь несколько выше, чем над окружающей местностью, отмечается образование туманов.

11.3.5. Организация чаши водохранилищ и противомалярийные мероприятия Для обеспечения надлежащего хозяйственного использования водохранилища и  создания благоприятных санитарно-ги­гие­ни­че­ ских условий для населения проводят специальные мероприятия

11.3. Водохранилища

575

по подготовке его чаши (ложа). Эти мероприятия включают в себя работы по лесосводке, лесоочистке и  санитарной очистке загрязненных территорий, специальную санитарную обработку зон водозаборов, противомалярийные и другие мероприятия. При подготовке чаши водохранилища всю товарную древесину в зоне затопления, реализация которой экономически целесообразна, вырубают и доставляют потребителям. Кустарники и нетоварную древесину или вырубают в  соответствии  с требованиями отдельных отраслей народного хозяйства и  здравоохранения, или затопляют. Вырубку товарной древесины называют лесосводкой, а удаление нетоварной, включая дополнительную очистку товарных площадей от молодняка и  подростка, корчевку и  срезку пней,  — лесоочисткой. Состав и  объемы работ зависят от многих условий, главными из которых являются характер лесосырьевой базы в зоне затопления и требования различных отраслей народного хозяйства. Необходимость лесоочистки определяют требования рыбной промышленности, водного транспорта, а также требования здравоохранения по обеспечению нормальных санитарно-гигиенических условий для населения, проживающего на берегах и вблизи водохранилища. Кроме того, необходимость лесоочистки диктуется обеспечением надлежащего качества воды в местах водозаборов и возможностью использования водохранилища в  культурных и  спортивных целях. Состав и объем санитарно-гигиенических мероприятий определяются основными требованиями санитарных правил. Кроме кратко рассмотренных выше лесосводки и  лесоочистки  к ним относятся: ˆˆзапрещение сброса в водохранилище неочищенных сточных вод, обеспечение санитарной очистки территории населенных мест, животноводческих ферм, промышленных предприятий и мест спе­ цифического загрязнения, попадающих в зону воздействия водохранилища; ˆˆподготовка санитарных зон и прибрежных участков водохранилища вблизи населенных мест; ˆˆперенос кладбищ, братских могил и  скотомогильников или устройство сооружений (креплений), защищающих их от размыва;

576

Глава 11. Речные гидроузлы, гидросистемы, пруды и водохранилища

ˆˆспециальная санитарная подготовка зон водозаборов централизованного питьевого водоснабжения; ˆˆпрочие санитарно-гигиенические мероприятия (охрана грунтовых вод от истощения и загрязнения и т.д.). В нашей стране достигнуты большие успехи по борьбе с малярией, практически отсутствует первичное заболевание этой болезнью. Малярийный комар является только переносчиком (а не возбудителем) этого заболевания, поэтому там, где нет больных малярией, нет и  малярии. Однако учитывая передвижение населения и  возможность вспышки малярии при появлении в том или ином районе больных этой болезнью, необходимо в зонах мелководий и заболоченных районах вблизи населенных мест проводить весь комплекс лечебно-профилактических, энтомологических, гидротехнических и других противомалярийных мероприятий. Гидротехнические мероприятия включают углубление или засыпку мелководий 1,5...2,0 м, их обвалование, осушение заболоченных территорий и др. В нижнем бьефе гидроузлов санитарные мероприятия осуществляются путем попусков воды из водохранилища в  период малых расходов.

Глава

12 Развитие и исследование гидротехнических сооружений 12.1. Виды исследований гидротехнических сооружений Гидротехнические сооружения находятся в сложных условиях эксплуатации, обусловленных их значительными объемами, взаимодействием с  основанием, воздушной и  водной средой, воздействием волн, льда, атмосферных осадков, температуры, солнечной радиации, землетрясений и  т.д. Катастрофические последствия возможных аварий гидротехнических сооружений, особенно работающих под напором воды, также повышают ответственность при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений. Хотя в  развитии и  практическом использовании теоретических расчетов гидротехнических сооружений достигнуты большие успехи, в  значительной степени обусловленные широким применением компьютерных технологий, многие вопросы, возникающие при проектировании, строительстве и эксплуатации этих сооружений, еще не удается решить теоретически с достаточной точностью и  надежностью. Поэтому широко проводят исследования гидротехнических сооружений. Исследования гидротехнических сооружений бывают двух видов: лабораторные и  натурные. Последние теснейшим образом связаны с эксплуатацией сооружений. Лабораторные исследования на моделях и натурные наблюдения за реальными сооружениями являются важным и  надежным

578

Глава 12. Развитие и исследование гидротехнических сооружений

средством контроля результатов проекта и дальнейшего развития теории расчета гидротехнических сооружений — объективным критерием истины теоретических разработок. При относительно небольших затратах на опыты (не превышают обычно 0,2 % от стоимости сооружения) в гидротехнических лабораториях разрабатываются и  проверяются рациональные и  надежные в  эксплуатации формы сооружений, новые и  экономичные методы их возведения, с  избытком покрывающие затраты на модельные исследования. В  настоящее время ни  одно более или менее крупное строительство гидросооружений не  обходится без лабораторных гидротехнических исследований.

12.2. Лабораторное исследование гидротехнических сооружений 12.2.1. Общие сведения о лабораторных исследованиях Лабораторные исследования гидротехнических сооружений на моделях получили широкое распростронение. При надлежащей постановке они позволяют с достаточной достоверностью прогнозировать поведение будущего сооружения в натуре и при его проектировании найти оптимальные решения, отвечающие условиям надежности и  экономичности. Существует даже термин лабора­ торное проектирование, под которым понимается такой процесс проектирования сооружения, когда на основе результатов лабораторных опытов проектировщики совместно с  исследователями находят наиболее приемлемые технические решения. Кроме решения чисто прикладных задач непосредственно при проектировании того или иного конкретного гидротехнического сооружения лабораторные исследования позволяют изучать ряд общих явлений и закономерностей, проверять те или иные теоретические положения, собирать материал для соответствующих теоретических разработок и обобщений, совершенствовать методы расчета гидротехнических сооружений. При проектировании гидротехнических сооружений следует использовать разумное сочетание теоретических расчетов и лабораторных исследований. Практически ни одно ответственное гидро-

12.2. Лабораторное исследование гидротехнических сооружений

579

техническое сооружение сейчас не  строится без проведения при его проектировании ряда лабораторных исследований. В лабораториях изучают разнообразные вопросы применительно к гидроузлам и отдельным их сооружениям: ˆˆотыскание гидравлически рациональных компоновок гидроузлов, обеспечивающих предотвращение значительного попадания наносов в  водозаборы, благоприятные гидравлические режимы в  русле на подходах к  судопропускным сооружениям, отсутствие опасных размывов нижнего бьефа и т.п.; ˆˆотыскание рациональных конструкций устройств креплений нижнего бьефа (водобоев, гасителей энергии, рисберм) с  учетом пульсационных воздействий потока на них и размываемое русло; ˆˆисследование кавитации и вибрации элементов сооружений (в том числе затворов); ˆˆисследование русловых процессов и влияния на них регуляционных сооружений; ˆˆисследование фильтрации в основании сооружений и берегах; ˆˆизучение температурных полей в плотинах из грунтовых материалов и их основаниях; ˆˆисследование термонапряженного состояния бетонных плотин; ˆˆизучение напряженного состояния и  несущей способности различных бетонных плотин и  их оснований (в  том числе с  различными тектоническими нарушениями) при статических и динамических (сейсмических) нагрузках и многие другие. Кроме того, в лабораториях на образцах исследуют материалы, применяемые в гидротехнических сооружениях, и грунты оснований этих сооружений. В  настоящее время практически во всех экономически развитых странах мира имеются многочисленные научно-исследовательские институты и  отдельные лаборатории разных направлений (в  том числе при высших учебных заведениях), занимающиеся изучением различных вопросов водохозяйственного строительства. Лабораторные исследования бывают трех видов: стандартные, модельные и общие. Стандартные исследования позволяют судить о  качестве материалов сооружений и  их оснований, их физико-технических характеристиках, признаках и  свойствах, которые определяют по  образцам и  пробам стандартными методами и  аппаратурой в соответствии с нормативными требованиями.

580

Глава 12. Развитие и исследование гидротехнических сооружений

Модельные исследования в лабораториях проводятся на макетах, действующих моделях и стендах. Макеты сооружений используют при объемном проектировании — исследовании компоновок сооружений и  оборудования. Широкое развитие в  лабораторной гидротехнической практике получил метод моделирования на физических моделях*. Стенды используют для изучения фильтрационных, кавитационных и  других явлений, работы сложного механического оборудования плотин, шлюзовых камер, испытания и исследования гидромашин. Общие исследования на специальных установках проводят в  лабораториях с  целью изучения общих закономерностей явлений и решения общенаучных проблем, имеющих принципиальное значение как для развития теории и практики гидротехнического строительства, так и для эксплуатации сооружений. В лабораториях проводятся гидравлические исследования, в  том числе кавитационные и фильтрационные; статические и динамические исследования прочности и деформации сооружений, их элементов и оснований; изучаются термические, ледовые и волновые воздействия на сооружения; явления вакуума, кавитации и аэрации потока.

12.2.2. Гидравлические лабораторные исследования Основы теории подобия и  размерности. Моделирование механических явлений ведется на основе теории подобия и  размерности. Чтобы по данным лабораторных исследований с  достаточной достоверностью прогнозировать соответствующие характеристики работы сооружения в натуре (например, значения скоростей потока в  нижнем бьефе, напряжений в  теле плотины и  т.д.), надо знать законы подобия, на основе которых проектируются модели и делается пересчет в натуру результатов опытов, полученных на модели. Согласно теории подобия, подобными называются явления, протекающие в геометрически подобных системах, в которых про*

Моделирование — замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях.

12.2. Лабораторное исследование гидротехнических сооружений

581

исходят процессы одинаковой физической природы и  одноименные величины (линейные размеры, скорости течения и пр.) имеют постоянное соотношение. Подобие обеспечено, если значение любой физической величины в  натуре Аi может быть получено путем умножения ее модельного значения аi на постоянный множитель:

Аi = λаai,

(12.1)

где λа — масштабный коэффициент. Различные физические величины связаны между собой определенными соотношениями, которые обусловлены природой явления, а  их значения зависят от системы единиц измерения. Для механических систем достаточно назначить единицы измерения для трех основных величин (длины L, времени Т, массы М), чтобы выразить единицы измерения всех других механических величин (площади, объема, скорости, ускорения, силы, энергии и т.п.). Размерности основных физических величин называют основными, а всех других величин — производными. Выражение производной единицы измерения через основные называется размерностью. Размерность силы [F] = ML/Т2 в системе СИ составляет 1 Н = 1 кг ⋅ м/с2. Формулы размерности всех физических величин имеют вид степенного одночлена:

[A] = LlMmT t.

(12.2)

Формулу размерности можно рассматривать как сжатое определение и  характеристику физической природы производной величины. Подобие двух механических систем определено, если установлены связь (закон моделирования) и подобие (маштаб моделирования) для основных величин: длины, времени и массы. На  основании второго закона Ньютона сила инерции для натуры и модели dv dv F = M н н   и  f = M м м , (12.3) dtн dtм где Мн, Мм, vн, vм, tн, tм — масса, скорость и время соответственно для натуры и модели.

582

Глава 12. Развитие и исследование гидротехнических сооружений

Если в  уравнение для натуры (12.3) ввести с  учетом выражения (12.1) масштабные коэффициенты, то получим равенство

λ f f = λm Mм

λ v dvм , λ t dtм

которое будет тождественно второму уравнению (12.3) (для модели) лишь при условии

λ f λt = 1. λm λv

(12.4)

Комплекс сомножителей (12.4) называется индикатором подо­ бия, который при моделировании отражает связь между масштабными коэффициентами размерных физических величин. Если подобие двух явлений обеспечено, то индикатор подобия равен 1. Из уравнения (12.4) масштаб сил инерции

λρ λ l3 λ v λm λv λf = = = λρ λ l2 λ 2v , λt λt

(12.5)

где r  — плотность; lr, lв, lv  — масштабные коэффициенты соответственно плотности, длины и скорости. Масштабные коэффициенты в формуле (12.5) можно заменить соотношениями размерных величин:

2 2 F = ρн lнVн f ρм lм2 vм2

(12.6)

и  установить безразмерные характеристики (критерии), которые в подобных системах имеют одинаковые числовые значения:

F l = = Ne . ρн l н2Vн2 ρм lм2 vм2

(12.7)

Безразмерный комплекс Ne называется общим критерием ме­ ханического подобия Ньютона. В динамически подобных явлениях критерии подобия равны:

Neн = Neм (Ne = idem).

(12.8)

Частные законы подобия. Универсальными характеристиками изучаемого явления, не зависящими от системы единиц измерения,

12.2. Лабораторное исследование гидротехнических сооружений

583

являются безразмерные соотношения  — параметры, существенно упрощающие исходные уравнения и отражающие причинные свя­ зи между размерными величинами. Чем меньше величин требует­ ся для описания явления, тем более простыми оказываются моде­ ли и измерения и более обобщенными практические результаты. Записывая отношение сил инерции к  силам различной физи­ ческой природы, получаем критерии подобия: ˆˆкритерий Фруда — Fr =



ˆˆкритерий

ˆˆчисло



Eu =

We = ˆˆкритерий



v l v l Силы инерции = н н = м м; Силы трения vн vм

Эйлера —

ˆˆкритерий



Рейнольдса —

Re =



v2 v2 Силы инерции = н = м ; Силы тяжести g н lн g м lм

ρ v2 ρ v2 Силы инерции = н н = м м; Силы давления Pн Pм

Вебера — ρ l v2 ρ l v2 Силы инерции = н н н = м м м; Капиллярные силы сн см Коши —

Ca =

ρ v2 ρ v2 Силы инерции = н н = м м, Силы давления Eн Eм

где g  — ускорение свободного падения; v  — кинематическая вяз­ кость; Р  — давление; с  — поверхностное натяжение; E  — модуль упругости. При неустановившемся движении жидкости условия подобия устанавливаются с учета критерия Струхаля:

Sh = vнTн/lн = vмtм/lм.

Правила пересчета результатов модельных исследований на натуру. При гидравлическом моделировании полученных крите­ риев подобия (lg  =  lr  = lv  = 1) вполне достаточно, чтобы пол­

584

Глава 12. Развитие и исследование гидротехнических сооружений

ностью определить значения других масштабных коэффициентов (ll, lt, lv, lr, ...). Масштабные коэффициенты физических величии принято выражать в  зависимости от линейного (геометрического) масштаба модели. Рассмотрим простейшие случаи моделирования. 1. Моделирование явлений с  преобладающим действием сил тяжести (Fr = idem) при условии gн = gм (lg = 1) приводит к соотношению v vн2 l = н = λ l   или  н = λ v = 2 vм lм vм



λ l .

(12.9)

Масштаб времени при этом λ t = λ l . Необходимо также соблюдать условие сохранения физической сущности явления, обеспечивая для модели и натуры одинаковый режим движения потока (турбулентный или ламинарный) и  его характер (бурный (Fr > 1) или спокойный (Fr