/
Tags: гидротехническое строительство строительство каналов мелиоративное строительство
ISBN: 985-475-147-3
Text
М.В. НЕСТЕРОВ
УЧЕБНОЕ ПОС
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИ
СООРУЖЕНИЯ
УДК626(075.8)
ББК38.77я73
Н56
Серия основана в 2005 tody
Рецензенты:
кафедра гидротехнического и энергетического строительства
Белорусского национального технического университета
(зав. кафедрой — кандидат технических наук, доцент ГТ. Круглов);
заведующий лабораторией гидротехники Института мелиорации
и луговодства Национальной академии наук Беларуси,
кандидат технических наук ВЛ. Карнаухов
Нестеров, М-В-
Н56 Гидротехнические сооружения: учеб, пособие / М.В. Не-
стеров. — МГн. : Новое знание, 2006. — 616 с. : ил. — (Тех-
ническое образование}.
ISBN 985-475-147-3.
Рассмотрены основные разделы курса. Изложены основы конструирова-
ния и проектирования гидросооружении,, а также даны детальные примеры
их расчетов. Приведены действующие нормативны, документы, справочны--
материалы и современные научные данные. Отдельная глава посвящена
осн овным требованиям к курсовому и дипломному проектированию. Каче-
ственные иллюстрации значительно облегчают усвоение материала.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль-
ности «Мелиорация в водное хозяйство». Может быть ,олезно для учащих-
ся средних специальных учебных заведений, а также специалистов, зани-
мающихся проектированием, строительством и эксплуатацией гидросоору-
жений
УДК 626(075.8)
БВК 38.77я73
ISBN 986-475-147-3
С Нестеров М.В., 2006
С Оформление. ООО «Новое знание», 2006
Предисловие
Управление водными ресурсами и ил использование в тех или
иных целях осуществляется посредством гидротехнических соору-
жений, эффективность и надежность работы которых зависят во
многом от качества разработки проектов. Для успешной разработ-
ки проекта специалист должен уметь анализировать исходные дан
ные (рельеф, геология, гидрология и др.), знать конструкции соору-
жений. возможности применения и технологию их возведения,
владеть методами расчета выбранных конструкций. щю>позиро-
вать последствия, вызванные их строительством и эксплуатацией.
Для решения указанных задач будущий инженер-гидротех-
ник должен обладать обширными теоретическими знаниями и
иметь соответствующие практические навыки, которые он пер-
воначально приобретает в процессе курсового и дипломного про-
ектирования.
Цель настоящего пособия — дать необходимые знания в об-
ласти конструирования и проектирования гидротехнических со-
оружений. Так как пособие рассчитано на студентов последнего
курса, в нем изложены лишь те теоретические положения, кото-
рые необходимы при расчетах и проектировании конкретных
гидротехнических сооружений. Приведены детальные примеры
расчетов, которые чаще всего встречаются в практике проекти-
рования гидротехнических сооружений, а также необходимые
для этого справочные данные. Наряду с широко известными
рассмотрены и сравнительно новые методы расчета. Представле-
ны наиболее распространенные конструктивные решения гидро-
сооружений, а также примеры их компоновок в составе гидроуз-
лов. Материал изложен на основе действующих нормативных
документов. Отдельная глава поснящена основным требованиям,
предъявляемым к курсовому и дипломному проектированию.
Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам: заве-
дующему кафедрой гидротехнического и энергетического строи-
тельства Белорусского национального технического университета,
кандидату наук, доценту Г.Г. Круглову и заведующему лаборато-
рией гидротехники РУП ♦Институт мелиорации и луговодства АН
Беларуси», кандидату технических наук В.Н. Карнаухову за вни-
мательное прочтение и ценные советы по улучшению содержания
учебного пособия.
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 рыбно-
го 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 повсе-
дневной жизни она почти ничего не стоит, но бывают моменты,
когда за глоток воды мы готовы пожертвовать всем. Человече-
ский 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 необхо-
димы 200 л воды).
Вода играла важнейшую роль в возн икнове иии жизни на Земле.
Основоположник учения о биосфере, выдающийся русский уче-
ный, 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 определя-
ются. в самых существенных своих проявлениях, ее существова-
нием 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 ни х зависит уровень жизни и здоровье на-
селения. Поэтому получение достаточного количества воды, при-
годной для питья, удовлетворения культурно-бытовых и произ-
водственных потребностей населения, волнует человечество на
протяжении всего его существования.
А достаточно ли вод ны х ресурсов для конкретной стран ы. зави -
сит от численности населения, видов промышленного производст-
ва, специализации сельского хозяйства, повторного использова-
ния воды и других факторов.
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 горь-
ко-соленая вода морей и океанов, покрывающая почти 71 % всей
поверхности планеты. На долю пресной воды приходится около
90 млв км3 (6 %), причем основной ее запас — это подземные
«моря* и ледники. Ученые подсчитали, что природные льды со-
держат более 24 млн км" воды — объем стока всех рек Земли за
500 лет. Если попытаться равномерно распределить лед по по-
верхности Земли, то он покроет ее слоем толщиной 53 м. Однако
добраться до этих запасов не так-то легко. Реки, озера и доступ-
ные 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 подзем-
ных вод.
Объем речного стока, формирующегося на территории Рос-
сии, составляет 4043 км3/год, что в удельных показателях со-
ставляет 237 тыс. м3/год на 1 км2 территории и 27,8 тыс. м*/год
на одного жителя. Дополнительный сток из сопредельных госу-
дарств составляет 227 км*/год. Кроме крупных рек по террито-
рии 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 обеспече-
ние экономики необходимым количеством воды. Эта проблема
’»еш1нтся за счет регулирования сгока. рек водохранилищ, сум-
марный объем которых составляет 793 км’ при площади зеркала
65 тыс. км2. В России насчитывается более 2,3 млн озер, статиче-
ские запасы воды в которых составляют 26 068 кмл. Озера слу-
жат естественными регуляторами речного стока, обеспечивают
защиту территории от затопления во время половодий и павод-
ков, используются для целей водного транспорта, рыбного хозя й-
ства, водоснабжения населения, промышленности и сельского
хозяйства.
Болота и заболоченные участки занимают свыше 10 % терри-
тории и в основном расположены на северо-западе и севере евро-
пейской части страны, а также в северных районах Западной Си-
бири. В болотах сосредоточено около 3,0 тыс. км8 статических и
1,0 тыс. км3 ежегодно возобновляемых запасов воды. Болота игра-
ют важную роль в формировании гидрологического режима рек,
регулируя продолжительность и высоту половодий и паводков.
Основная масса ледников сосредоточена на арктических ост-
ровах и в горных районах. Их гидрологическая роль заключается
в - ерераспределении стока атмосферных осадков внутри года и
в сглаживании колебаний годовой водности рек. Для водохозяй-
ственной практики особый интерес представляют ледники и
снежники горных районов, определяющие водность горных рек.
В ледниках сосредоточено 39 890 км3 «истой преспой воды, при-
мерно 110 км3 формируется ежегодно.
Подземные воды распространены по всей территории России и
являются одним из основных источников питания рек. Большая
их часть непосредственно связана с речным стоком и озерными
котловинами. Объем естественных ресурсов подземных вод оцени-
ваегся в 787 км’/год при статических запасах 2К тыс. кмя. На тер-
ритории России разведано более 3370 месторождений подземных
вод, из которых эксплуатируется лишь 48 %. Эксплуатационные
запасы разведанных месторождений составляют 28,5 км8/год,
степень их использования не превышает 33 %.
Распределение водных ресурсов по территории страны отлича-
ется крайней неравномерностью. Основной их объем (около 80 %)
приходится на зоны тундры и лесную, неблагоприятные для
сельскохозяйственного производства по ресурсам тепла. Дан-
ные о запасах и суммарных водных ресурсах пресных вод Рос-
сии приведены в следующей таблице1.
Таблица
Ресурсы Средвежноголетпжй объем стока, км*.'год Статические запасы, хм3
Речной сток* 4270 —
Омра 532 26 068
Болота 1000 3000
Ледники 110 39 820
Подземные воды 787 28 О00
Всего 4915** 96 958
* Включая 227 км’ / год речного стока, поступающего с территории со-
предельных государств; 674.5 км’/год подземного, дренируемою река-
ми; КИЮ им1'год болотш-го, дренируемorо реки ми., 110 км’/год ледни-
кового. питающего реки.
** В том числе речной сток (4?7О км’/год), езкеголнс возобновляемый
приток в озера (532 км*/год) и эксплуатационные ресурсы подземных
вод, не связанные с речным стоком (113 км*/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 ли п ией с северо-востока на и>го
запад по Оршанской и Минской возвышенностям и дальше по се-
веро-западной окраине Полесья.
Всего на территории республики имеется более 20 тыс. рек об-
щей длиной 90 тыс. км.Намалыереки, длина каждой из которых
не более 10 км, приходится 19,3 тыс. км, что составляет 96 %
от всего количества рек. Только 7 основных рек превышают дли-
ну 500 км каждая [5]. Средняя густота речной сети составляет
0,44 км на 1 км® территории. Этот показатель постепенно пони-
жается из-за спрямления и канализирования русл рек в бассейнах
с интенсивным мелиоративным преобразованием территории,
что особенно характерно для бассейна Припяти.
Мелиоративная энциклопедия / вост. Б.С. Маслов. М., 2003.
Среднегодовая величина речного стока уменьшается в направ-
лении с севера на юг. Так, на севере республики модуль годового
стока достигает 8 л/с с 1 км3, а на roi'e, 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 км . Из этого объема с территории соседних
государств поступает 20,7 kmj. В многоводные годы транзитный и
местный объем речного стока при 1%-ной обеспеченности может
составлять 96 км3, а в особо маловодные при 95% -ной обеспечен-
ности — снижаться до 39 км3.
Удельная водообеснеченность составляет в среднем для рес-
публики 175 тыс. м3 на 1 км2, при этом на юге она снижается до
130 тыс. м*, а на севере увеличивается до 200 тыс. мА на 1 км2.
На одного жителя в год приходится 4 тыс. м’ воды, формирую-
щейся в пределах республики.
Наибольшая водообеспеченность отмечается на севере респуб
лики в бассейнах Западной Двины, Немана и верхней части бас-
сейна Днепра. Здесь формируется более 7(1 % местного стока рек.
Западная Двина и Неман в средний по водности год дают 14 км3
воды. Эти реки отличаются устойчивым и равномерным распреде-
лением стока по сезонам и малой изменчивостью в течение дли-
тельного времени.
Велик в республике озерный фонд. Общее количество озер дос-
тигает 10 770 с суммарной площадью водного зеркала 2258 км’
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 км7 каждое.
Нг эту группу приходится 9429 озер, хотя суммарный объем вод
в них не превышает 1,32 км' Широко используются в народном
хозяйстве крупные озера (Нарочь, Браславские и др.), особенно
в рекреационных целях.
Для водообеспечения хозяйства республики большое практи-
ческое значение имеют подземные воды. Расчеты ресурсов почвен-
ной 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 слабом инерал иэонлнны хт которые находятся
2. Водные ресурсы России и Беларуси, водное хозяйство и его отрасли 9
в пределах зоны интенсивного водообмена, по опенкам гидроло-
гов достигают38...44 млн м3/сут,чтосоставляетвгод 14...16 км .
Значительная часть этих вод дренируется речной сетью и включа-
ется в оценку ресурсов речных вод. В результате мижно рассчиты-
вать на использование примерно 4 км’ 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 оценива-
ется следующим образом. При условии периодической сработки
верхней части призмы крупных озер (в пределах О,35...0,40 км3
в маловодные годы), а также за счет зарегулированного полезно-
го объема в прудах и водохранилищах можно получить в год не
более 1,6 кма воды. Глубокие подземные воды и зарегулирован-
ные поверхностные воды представляют собой наиболее ценную и
устойчивую часть водных ресурсов. Дополнительно к ним для
использования без каких-либо существенных мероприятий при-
годен только меженный речной сток, гарантированная величина
которого с 95% -ной обеспеченностью составляет в расчете на наи-
более напряженные летние месяцы 1 км' воды.
Следовательно, наиболее устойчивая часть водных ресурсов
республики оценивается в 6,5 км’ воды. Эти ресурсы являются
основой водообеспечения тех отраслей промышленности, кото-
рые предъявляют жесткие требования к бесперебойности снаб-
жения водой и стабильности в их подачи (нефтеперерабатываю-
щая, пищевая, целлюлозно-бумажная), а также в целях посто-
янного обеспечения питьевого водоснабжения населения.
Отрасль народного хозяйства, в задачи которой входят учет,
изучение и комплексное использование поверхностных и под-
земных вод (включая охрану вод и борьбу с ущербом, причиняе-
мым народному хозяйству наводнениями, а также вопросы вод-
ного 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 хозяйст-
венного использования требуется сознательное вмешательство
человек а в естественные условия режима рек, что требует в боль-
шинстве случаев постройки ряда искусственных сооружений.
Инженерные сооружения, с помощью которых осуществляет-
ся использование водных ресурсов и борьба с их вредным дейст-
вием (наводнения, разрушения берегов и т.п.), называют гидро-
техническими сооружениями.
Наука, изучающая гидротехнические сооружения, устанав-
ливающая методы их проектирования и разрабатывающая прие-
мы их постройки и эксплуатации, называется гидротехникой.
Водное хозяйство охватывает следующие основные направле-
ния или отрасли:
* гидромелиорация — использование воды для орошения зе-
мель, отвод избыточных поверхностных и подземных вод с тер-
ритории (осушение), мероприятия по борьбе с подтоплением зе-
мель, эрозией почв и т.п.;
• водоснабжение и очистка сточных вод — обеспечение на-
селенных мест, промышленных и транспортных предприятий
водой надлежащего качества и в необходимом количестве, а так-
же очистка и отвод сточных и отработанных вод;
• рыбное хозяйство — освоение водохранилищ, строительст-
во и реконструкция прудов и водоемов специального назначения,
пропуск рыбы через гидроузлы при помощи рыбопропускных со-
оружений;
• гидроэнергетика — строительство сооружений, в которых
энергия падающей воды преобразуется в механическую, а затем
в электрическую;
* водный транспорт — использование рек, озер, водохрани-
лищ для судоходства и лесосплава;
• рекреация — строительство вдоль рек и водоемов объектов
для отдыха и развития туризма и др.
Водные ресурсы в настоящее время, как правило, используют
комплексно с учетом запросов различных отраслей водного хо-
зяйства.
Огромное значение в последние годы приобрели вопросы ох-
раны водных ресурсов от загрязнения отходами промышленно-
сти. нерационального использования и пр. У нас в стране этой
проблеме уделяют большое внимание.
Необходимо сказать, что Республика Беларусь i «ервой на пост-
советском пространстве в 1999 г. приняла «Закон о питьевом во-
доснабжении», который гарантирует обеспечение населения во-
дой в достаточных объемах и соответствующего качества.
В заключение следует отметить, что всеми отраслями хозяй-
ства в 2002 г. было использовано 1691,5 млн м1 свежей воды.
По сравнению с 1991 г. суммарное водопотребление снизилось
почти на 40 %. Годовой объем водоотведения в 2002 г. составил
1288.8 млн м1 сточных вод [5].
Методы проектирования
гидротехнических сооружений
При проектировании гидротехнических сооружений приме-
няют следующие методы: метод теоретических исследований;
экспериментальный лабораторный; экспериментальный натур-
ный; вариантного проектирования; статистический; аналогий и
повторения решений.
Метод теоретических исследований является основным. Он
устанавливает зависимости и закономерности, которые позволя-
ют рассчитывать гидротехнические сооружения, т.е. определять
их форму и размеры, не прибегая к эксперименту, устройству мо-
делей и т.п.
Экспериментальный лабораторный метод и мест большое зна-
чение в гидротехнике. Он применяется в двух видах: общем, ко-
гда специальным опытом проверяются те или иные положения
теории или когда на основе системы опытов строится теория. и ла-
бораторного моделирования сооруженийи конструкций, когда по-
следние выполняются в виде геометрически подобных или с зара-
нее заданными искажениями моделей, на которых замеряются
искомые величины (давления жидкости, скорости течения, де-
формации и пр.). Моделирование играет большую роль в гидро-
технике, позволяя находить правильные решения при невозмож-
ности использовать теоретические решения или при отсутствии
последних.
Экспериментальный натурный метод отличается от преды-
дущего тем. что опыты и наблюдения проводятся не в лаборато-
рии, а на строящихся, построенных и эксплуатируемых гидро
технических сооружениях, а иногда и на специальных опытных
сооружениях, выполненных в натуральную величину. При по-
мощи этого метода проверяется правильность теоретических
расчетных данных, положенных в основу проекта сооружений,
и накапливаются новые данные для разработки теорий.
Метод вариантного проектирования заключается в рассмот-
рении ряда вариантных решений задачи и их технико-экономи-
ческом сопоставлении и позволяет найти наиболее целесообраз-
ное в техническом и экономическом отношении решение.
Статистический метод применяется для обобщения дан-
ных по многократно использовавшимся типам конструкций и
получения статистических зависимостей, которые могут быть
использованы в дальнейшем. Пользоваться этим методом сле-
дует с осторожностью, так как он отражает «вчерашний день»
гидротехники, ее прог лое. Используя его, необходимо учиты-
вать тенденции дальн йшего развития теории и практики в дан-
ной области.
Метод аналогий и повторения решений — наиболее прими-
тивный, но при правильном применении надежный. Он заклю-
чается в использовании решения или конструкции, уже приме-
ненных на практике в сходных условиях. Метод этот следует
применять очень осторожно, так как, с одной стороны, в гидро-
строительстве природные условия для сооружений редко повто-
ряются, а с другой — легко впасть в консерватизм, отказываясь
от поисков новых решений. Одним из полезных проявлений ме-
тода аналогий является разработка типовых решений для конст-
рукций или их деталей, часто повторяемых в узле или системе.
Краткие сведения о развитии
гидротехнического строительства и его
перспективы1
Строительство гидротехнических сооружений развивалось
в разных странах в соответствии с общим развитием в них водно-
го хозяйства. Искусство строить гидротехнические сооружения
известно с древнейших времен, причем довольно крупные соору-
жения создавались уже при рабовладельческом строе. В Египте
1 При написании данного параграфа использованы следующие источники: Гри-
шин ММ. Гидротехнические сооружения: В 2 ч. Ч. 1. М., 1954; Гидротехниче-
ские сооружения / Н.П. Розанов [и Др-1; под ред. Н.П. Розанова. М., 1985.
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 государст-
вах, которые находились на территории бывшего СССР. За
500 лет до н.э. проводились работы по регулированию русл рек
Тигр и Евфрат.
В Европе в период феодальной раздробленности, когда из-за
частых войн и междоусобиц экономика не могла широко разви-
ваться, гидротехническое строительство сводилось к устройству
малых сооружений — водяных мельниц, небольших сооруже-
ний для регулирования русл рек, водоснабжения городов и зам-
ков. Развитие торговли и ремесел потребовало улучшения судо-
ходных условий рек, и в XIV в. были построены первые судоход-
ные шлюзы.
В Киевской Руси водяные мельницы были известны в IX-
ХШ вв. Устав великого князя киевского Ярослава Мудрого (ок.
978-1054) регулировал вопросы затопления, вызываемого мель-
ницами, следующим образом: каждому предоставлялось право
строить мельницы, но владелец мельницы обязан был «соблю-
дать беспакостное», т.е. не чинить ущерба соседям.
Водный путь «из варяг в греки» существовал издревле. В ХШ в.
для улучшения судоходства строили каналы для спрямления
речных излучин, а при осаде городов применяли отвод воды из
реки в другое русло с пересыпкой старого русла запрудой (на-
пример, 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 Ярославо-
вом Дворище (Новгород) существовал водопровод из деревян-
ных труб, а также водосточный канал, облицованный пласти-
нами из бересты, а на случай осады сооружали оригинальные
водяные тайники, позволявшие осажденным получать воду.
В Московской Руси гидротехника получила дальнейшее раз-
витие, особенно в части водоснабжения. Известны примеры гид-
ростроительства 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 де-
ревянными трубами для добычи воды (г. Старая Русса) и соля-
ных растворов, из которых соль затем выпаривалась (на реках
Кама, Северная Двина, Урал). Известно, что в 1633 г. в Москов-
ском Кремле действовал напорный водопровод.
Развивавшееся водное хозяйство Московской Руси потребова-
ло законодательного регулирования. Поэтому в «Соборном Уло-
жении » (1649) царя Алексея Михайловича были помещены соот-
ветствующие статьи: например, об устройстве «езов» (речных
заграждений для рыбной ловли) и водяных мельниц и об обеспе-
чении 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 гидро-
технического строительства в мире.
Работы Г. Галилея, С. Стевина, Б. Паскаля, И. Ньютона, М. Ло-
моносова, Л. Эйлера и Д. Бернулли значительно подняли теорети-
ческую базу гидротехники, что позволило перейти к строительст-
ву более крупных и сложных гидротехнических сооружений.
В XVIII—начале XIX в. большое развитие получили водные
пути (как самые дешевые) для перевозки крупных грузов. Много
судоходных каналов было построено во Франции, Германии.
Англии и других странах. Усиленными темпами шло портовое
строительство (лондонские и ливерпульские доки, волноломы
в Шербурге и Генуе, Эдистонский маяк и др.).
В России этот период также был периодом расцвета гидротех-
ники. В XVII в. появились «бумажные», «пильные» водяные
мельницы, установки для меде- и железоплавильных заводов на
Урале, под Москвой, Тулой. Эпоха Петра I ознаменовалась мощ-
ным подъемом русской промышленности, техники и науки. Чис-
ло промышленных предприятий к концу XVHI в. достигло 3000.
Практически все они базировались на гидравлической силе боль-
ших заводских плотин и прудов, которых в России было построе-
но более 200.
Русскими «плотинными мастерами» были выработаны ориги-
нальные конструкции плотин так называемого «русского типа»:
земляных с деревянным водосбросом и деревянных водоподъем-
ных плотин, прекрасно приспособленных к природным услови-
ям русских рек.
Выдающимися русскими гидротехниками того времени были
А. Ярцев, Е. и М. Черепановы, И. Ползунов, Бадьин и др. Особо
следует сказать о К. Фролове (1728-1800). Созданная им в 1763-
1765 гг. гидравлическая установка на р. Корбалиха (Алтай) пре-
взошла все подобные зарубежные установки того времени, в том
числе и знаменитую Марли (снабжала водой дворцы Марли, Вер-
саля и Трианона). Сооружение было устроено таким образом, что
вода последовательно проходила три установки с водяными ко-
лесами диаметром 17 м (на установке Марли — 12 м), которые
помещались в подземных камерах высотой до 21 м. Это был пер-
вый в мире гидросиловой каскад. Фролов присоединил к каждо-
му колесу целый 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 строи-
тельство крупных водных путей. При Петре I было осуществлено
соединение Оки с верховьями Дона Ивановским каналом, Волги
с Балтийским морем Вышневолоцкой водной системой и др. По-
следняя была построена одним из сподвижников Петра I — круп-
нейшим гидротехником М. Сердюковым.
В конце ХУШ—начале XIX вв. был построен еще ряд судо-
ходных соединений, водные системы Огинская (Неман—Днепр),
Мариинская, Тихвинская, Северо-Екатерининский канал и др.
Первая книга по гидротехнике — «Книга о способах, творя-
щих водохождение рек свободное» — вышла по распоряжению
Петра 1в 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 гидроси-
ловых установок.
В 1810 г. в Петербурге был учрежден Институт корпуса инже-
неров путей сообщения, готовивший инженеров по строительству
водных путей и шоссейных дорог, а также прочих сооружений.
Промышленный переворот в мире, связанный с изобретени-
ем паровой машины и железных дорог в начале XIX в., привел
к ослаблению интереса к громоздким гидравлическим установ-
кам и водным путям, которые стали вытесняться более совер-
шенными и гибкими источниками энергии и быстрыми средст-
вами сообщения.
Новый и резкий подъем гидротехнического строительства от-
носится 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 коли-
чеством доброкачественной воды и удаления сточных вод. Необхо-
димость расширения сельскохозяйственной базы привела к ши-
рокому развитию ирригационных и осушительных работ.
В России развитие капитализма запаздывало по сравнению
с западными странами. Лишь в последней трети XIX в. наблю-
дался заметный рост производительных сил и промышленности.
В связи с этим снова приобрели значение водные пути сообще-
ния, водоснабжение городов и промышленности, орошение зе-
мель в Закавказье и Средней Азии (под хлопок и другие техниче-
ские культуры), расширился земельный фонд за счет осушения
земель. Было составлено много проектов улучшения водных пу-
тей и их соединений: Волго-Донского (Н. Пузыревский), Камско-
Иртышского (А. Фидман), Обь-Енисейского (Е. Близняк), Черно-
морско-Балтийского (О. Тейхман) и др. Однако реализация этих
проектов шла в России исключительно медленными темпами и
по сути ни один крупный проект не был осуществлен до конца.
Несколько более интенсивно в России велось морское портовое
строительство, так как развивалась и международная торговля,
требующая благоустроенных портов. В этот период были построе-
ны и реконструированы главнейшие русские порты на Балтий-
ском (Ревель, Рига, Либава, Виндава) и Черном морях (Одесса, Но-
вороссийск, Туапсе, Поти, Батум и др.), а также Владивостокский
порт на Тихом океане. Следует отметить большую роль в развитии
портостроения М. Герсеванова, А. Нюберга, Н. Вознесенского,
В. Тимонова, Б. Кандиба и др.
В период с 1880-х гг. и до 1917 г. на помещичьих или государ-
ственных (царских) землях после земельной реформы 1861 г. ве-
лись крупные оросительные и осушительные работы (в Голодной
степи — 45 тыс. га, в долине р. Маргуб — 22 тыс. га).
Водоснабжение быстро растущих при капитализме городов
в России развивалось медленно. В1911 г. только в 20,6 % горо-
дов с населением более 10 000 человек был водопровод и только
в 1,8 % — канализация. В связи с этим многие реки были за-
грязнены стоками городов, заводов и фабрик.
Использование водной энергии в этот период носило крайне
ограниченный характер. Существовали десятки тысяч водяных
мельниц довольно примитивного типа. Гидроэлектроустановок
имелось мало, в основном это были мелкие маломощные стан-
ции, сооруженные в конце XIX—начале XX в. Отсутствие ка-
питалов в этой отрасли водного хозяйства и частная собствен-
ность на землю делали зачастую невозможным осуществление
подпора рек и затопления земель, необходимого для гидроэлек-
троустановок.
Русские гидротехники (В. Добротворский, Н. Лелявский, В. Ти-
монов, Г. Графтио и др.) разрабатывали проекты крупных оте-
чественных гидроэлектростанций. Несмотря на то что реальное
гидростроительство в царской России эпохи капитализма было
крайне малым, научно-техническая мысль опережала не только
западную науку, но и реальные возможности того времени (труды
Н. Жуковского, Д. Бобылева, С. Чаплыгина и др.). Основы речной
гидрологии были заложены В. Лохтиным, Н. Лелявским и др.
Разнообразные вопросы гидротехники трактовались в трудах
русских ученых и инженеров Д. Неелова («Устройство плотин»,
1884), М. Герсеванова («Лекции о морских сооружениях*, 1892),
Ф. Зброжека («Курс водяных сообщений *), Н. Пузыревского (о но-
вых типах судоподъемников), А. Нюберга (курс портовых соору-
жений) и др.
В 1910-1920-е гг. уделяется огромное внимание мелиоратив-
ному строительству, В декабре 1920 г. был утвержден комплекс-
ный план развития народного хозяйства страны на основе элек-
трификации — ГОЭЛРО. В соответствии с этим планом были
построены такие гидроузлы, как Волховский, Нижне-Свирский
на слабом глинистом основании, Земо-Авчальский, Днепрогэс
2 М. В. Нестеров
(1927-1932) с самой крупной для того времени гидроэлектростан-
пией 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 (Ивань-
ковский, Рыбинский, Угличский гидроузлы), были построены
канал им. Москвы, ряд гидроэлектростанций на Кавказе и Сред-
ней Азии, Большой Ферганский канал, Северный Ферганский и
Южный Ферганский каналы. Ташкентский канал и ряд других
Средней Азии, Самур-Апшеронский канал в Азербайджане и др.
Гидротехнические строительство не прекращалось и во время
Великой Отечественной войны. В этот период было построено
много небольших гидроузлов, особенно энергетического назначе-
ния, на Урале и Средней Азии — для обеспечения энергией «эва-
куированной» промышленности.
После окончания войны гидротехническое строительство при-
обрело исключительно широкий размах: создание каскада ком-
плексных гидроузлов с крупными гидротехническими сооруже-
ниями на Волге (Горьковская, Волжская ГЭС и др.) и Днепре
(Каховская, Кременчугская ГЭС и др.), достроены Волго-Дон-
ской и Волго-Балтийский каналы, осуществлено строительство
мощных гидроэлектростанций и высоких плотин на крупных си-
бирских реках Оби (Новосибирская ГЭС), Иртыше (Усть-Камено-
горская, Бухтармннская ГЭС), Ангаре (Иркутская, Братская и
Усть-Илимская ГЭС), Енисее (Красноярская, Саяно-Шушенская
ГЭС). В 1960 -70-е гг. возведены крупные гидросооружения на
Кавказе (земляная плотина высотой около 80 м для Мингечаур-
ской ГЭС, самая высокая в мире арочная плотина — Ингурская);
в Средней Азии созданы ирригационные водохранилища Анди-
жанское и Кировское с массивно-контрфорсными плотинами,
а также самая высокая в мире плотина из грунтовых материалов
(ВуреКскаЯ ГЭС) И Цр.
Особое значение для развития гидромелиоративного строи-
тельства имели решения майского (1966 г.) Пленума ЦК КПСС,
посвященного мелиорации. В ходе их выполнения были осуще-
ствлены водохозяйственные гидромелиоративные работы на ог-
ромной территории СССР.
Только лишь в Беларуси было мелиорировано около 3 млн га,
что позволило удвоить производство животноводческой продук-
ции и решить многие социальные и экономические задачи рес-
публики.
В конце XX в. в Российской Федерации ввиду экономического
и политического кризиса темпы гидротехнического строительст-
ва резко снизились.
Следует отметить, что в 1995 г. был принят второй в истории
России Водный кодекс Российской Федерации (первый был при-
нят в РСФСР в 1972 г.), который имеет сложную структуру. Он
подразделяется на Общую и Особенную части. В нем закрепляют-
ся единые для отрасли водною законодательства терминология,
цели, задачи и принципы правового регулирования водных отно-
шений1. Нынешнее положение водохозяйственного строительства
Российской Федерации оставляет желать лучшего.
Начало гидротехнических работ на территории Беларуси от-
носится к первой половине XVI в., когда в Кобринском старое-
тве, принадлежавшем королеве и великой княгине Боне, был
прорыт осушительный канал. Он берет начало у д. Павлополь и
впадаете р. Мухавец чуть ниже г. Кобрин Его длина 20 км, пло-
щадь водосбора 52 км2.
Во второй половине XVIII в. были построены два крупных ка-
нала: Огинский и Днепровско-Бугского. Они оказали значитель-
ное влияние на водный режим прилегающих территорий, хотя и
предназначались для сплава леса и навигации. Огинский канал,
который через Припять, Ясел ьду и Щару соединил Неман с Днеп-
ром, был построен в 1765-1784 гг. Его длина (с пятикилометро-
вым Выгоновским озером) составила 54 км.
Строительство Днепровско-Бугского (бывшею Королевского)
канала было начато в 1750 г., а через 68 лет он был сдан в экс-
плуатацию. 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 Бе-
лого озер с помощью водопроводов. По нему пропускались не-
большие суда и сплавлялся лес. После воссоединения западных
областей Беларуси с основной ее частью Днепровско-Бугский ка-
нал был углублен, расширен и спрямлен. Было построено восемь
Мелиоративная энциклопедия / сост. Б.С. Маслов. М., 2003. Т. 1.
2*
новых гид|н-узлмв с плотинами и подог пускам и. Канал стал ин
тенсивно использоваться для перевозки различных грузов.
В период с 1874 по 1897 г. в Беларуси Западная экспедиция
под руководством полковника (впоследствии генерала) И. Жи-
линского выполв яла осушител ьные работы на Полесье: было про-
ложено 4367 верст осушительных каналов, расчищено 127 верст
речных русл, построено 549 мостов.
Что кас ается 11рудового строительства, то на террин>рии Бела-
руси 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
трудов. Часто один мельничный пруд приходился в среднем ня
4...5 км русла реки. Так, на р. Лебедка (правом малом притоке
Немана) действовали три водяные мельницы. В 1926 г. насчиты-
валось 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 20—30-е гг. XX в. началось массовое строительство малых
водохранилищ и к началу 1941 г. в Беларуси было создано 32 во-
дохранилища при колхозных гидроэлектростанциях. Во время
Великой Отечественной войны большинство их былс разрушено.
В послевоенный период началось восстановление и строительст-
во новых межколхозных ГЭС и водохранилищ, особенно интен-
сивно 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 бо-
лее интенсивным развитием теплоэнергетики и строительством
крупных ГЭС мелкие гидроэлектростанции закрывались, водо-
хранилища либо спускались, либо реконструировались и расши-
рялись.
Начиная с 1960 г. строительство прудов и водохранилищ пре-
следовало главным образом мелиоративные, а затем и рыбохо-
зяйственные цели.
К началу 90-х гг. XX в. в Республике Беларусь было построе-
но более 100 водохранилищ и около 1500 прудов. Затем темпы
гидротехнического строительства по отдельным причинам нача-
ли резко снижаться.
На данный момент гидроэнергетический потенциал республи-
ки освоен лишь на 3 %. Если на Днепре и в бассейне Припяти воз-
можности строительства гидроэлектростанций ограничены из-за
необходимости затопления -г ромных площадей, то на притоках
Днепра, а также в бассейнах Западной Двины и Немана есть усло-
вия для создания достаточно экономичных и экологически безо-
пасных гидроэлектростанций.
В последние годы в Республике Беларусь для решения энер-
гетической и продовольственной программ восстанавливаются,
реконструируются и проектируются малые ГЭС и рыбоводные
хозяйства. Так, уже действуют Добромыслянская и Полоцкая
гидроэлектростанции в Витебской области, Яновская и Ольхов-
ская в Гродненской, Вил ейская — в Минской, Тетеринская —
в Могилевской области и др.
В перспективе гидротехническое строительство в Беларуси мо-
жет развиваться в фирме строительства гидроузлоь комплексного
использования — создания водохранилищ для регулирования
стока при одновременном использовании их в энергетике, для во-
дообеспечения. рекреапии, водного транспорта, мелиорации и ох-
раны вод.
Следует отметить, что в Государственной программе возрож-
дения и развития села на 2005-2010 гг. планируется обеспечить
поддержание в нормативном состоянии мелиоративных и водо-
хозяйственных систем на площади 2,2 млн га и в первоочередном
порядке выполнить восстановление гидротехнических сооруже-
ний водохранилищ.
ФИЛЬТРАЦИЯ В ОСНОВАНИИ
ВОДОПОДПОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
И В ОБХОД ИХ
1.1.
Общие сведения о фильтрации
1.1.1. Филь грационный поток в основании сооружений
Понятие о фильтрации- Под фильтрацией понимают движе-
ние жидкости в пористых и трещиноватых (скальных) породах.
Пространство, занятое фильтрационным потоком, в таких грун-
тах называют областью фильтрации.
Движение фильтрационного потока обусловлено рядом при-
чин — разностью давлений, температурным перепадом, элек-
трическим потенциалом и др. В водоподпорных сооружениях
причиной фильтрации в грунтовом основании служит разность
уровней воды между бьефами.
По хнра к теру да и ж»чтия фил ьтрип ионн ый поток может бы ть не
установившимся, когда скорости и пьезометрические давления,
а следовательно, и расходы изменяются во времени, и устано-
вившимся, когда эти величины постоянны. В дальнейшем будет
изучаться только установившееся движение.
Фильтрационные расчеты выполняют для постоянной разно-
сти уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, хотя их величи-
ны изменяются во времени. Для этого принимают расчетную
схему с максимальным значением разности уровней при уста-
новившейся фильтрации.
Потоки в водонапорных сооружениях. При разности бьефов
в сооружениях возможны два вида потоков воды — поверхност-
ный и фильтрационный. Эти потоки могут протекать одновре-
менно 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 по-
ток (рис. 1.1, а). При открытых затворах и значительной разно-
сти уровней будут оба потока — поверхностный и фильтрацион-
ный (рис. 1.1, б).
Рис. 1.1. Потоки в водоподпорных сооружениях:
а — поверхностный поток, в основании однородно-изотропные грунты; б —
поверхностный и фильтрационный потоки, ь основании однородно-анизо-
тропные грунты; У ВБ — уровень верхнего бьефа: УНБ — уровень нижнего
бьефа; Ну — глубина воды ь верхнем бьефе; Ht — глубина воды в нижнем
бьефе
Если сооружение маловодопроницаемо (бетон, железобетон,
камень), а грунт представляет собой легкопроницаемую для воды
среду, то грунтовой поток не имеет свободной поверхности и яв-
ляется напорным (рис. 1.2). Такой поток оказывает на подошву
сооружения гидродинамическое (фильтрационное) давление, из-
меняющееся от максимальной величины (разность уровней воды
в бьефах Н плюс глубина воды в нижнем бьефе Ht) до минималь-
ной (глубина воды в нижнем бьефе Н2). При отсутствии воды
в нижнем бьефе фильтрационное давление будет равно нулю.
Рис. 12. На первое движение фильтрационного потока:
1 — понур; 2 — затвор; 3 — линия пьезометрических напоров вдоль флютбе-
та; 4 — водобой; 5 — слив (рисберма); 6 — подошва; 7 — водоупор
Если же сооружение само является фильтрующим (грунто-
вая плотина, дамба), то движение воды происходит через тело
сооружения, при этом образуется свободная поверхность и дви-
жение будет безнапорным (рис. 1.3). Поверхность воды в грун-
товом теле называется депрессионной поверхностью, а линия
пересечения этой поверхности с вертикальной плоскостью —
депрессионной кривой, или кривой депрессии.
Рис. 1.3. Безнапорное движение фильтрационного потока:
1 — верховой откос; 2 — гребень плотины; 3 — низовой откос; 4 — депресси
онная кривая
В основании водоподпорных сооружений также возможны два
основных режима фильтрационного потока — безнапорный и на-
порный. Его характер определяется положением уровня грунто-
вых вод. Если он расположен ниже подошвы сооружения, будет
безнапорный режим. Фильтрация воды будет происходить из
верхнего бьефа в нижний в направлении, близком к вертикаль-
ному. Такое движение потока называют инфильтрацией. Если
уровень грунтовых вод поднимется до дна нижнего бьефа, в осно-
вании появится напорный режим. Фильтрационные расчеты во-
доподпорных сооружений ведут при напорном режиме, причем
уровень грунтовых вод, в зависимости от конкретных гидрогео-
логических условий, принимают или совпадающим с дном ниж-
него бьефа, или расположенным выше его.
В этой главе будет рассмотрено напорное движение грунто-
вых вод под гидротехническими сооружениями, а безнапорное
движение (через тело и в основании грунтовых плотин) — пара-
графе 3.3.
Понятие о напоре фильтрационного потока. Под напором.
фильтрационного потока для любой точки области фильтрации
понимают потенциальную энергию, которая выражается сум-
мой двух линейных величин — геодезической и пьезометриче-
ской:
Л,=±г,+ — I, (1.1)
ил
где hx — напор относительно принятой плоскости сравнения в рас-
сматриваемой точке области фильтрации; z, — расстояние от
плоскости сравнения до рассматриваемой точки («+» — точка рас-
положена выше плоскости сравнения, «—» — ниже); (P/y„)x — пье-
зометрическая высота в этой же точке (вертикальное расстояние
от рассматриваемой точки до уровня воды в пьезометре, всегда по-
ложительно).
При фильтрационных расчетах за плоскость сравнения может
быть принята любая горизонтальная плоскость, относительно ко-
торой и вычисляется напор (рис. 1.4). Для упрощения расчетов за
плоскость сравнения принимают плоскость, проходящую по уров-
ню 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 про-
сто напором.
Следует подчеркнуть, что нельзя смешивать напор с гидроста-
тическим давлением. Последнее, как известно, определяется глу-
биной погружения рассматриваемой точки под уровень воды, а на-
пор отсчитывается от плоскости сравнения.
РязвернУГИЯ ч-ТИЯа ЛОдаЭСмЯшО КоВтуро
Рис. 1.4. Схема к определению напоров в водоподпорных сооружениям
При плоскости сравнения, проходящей по уровню воды ниж-
него бьефа, дно верхнего бьефа будет представлять собой линию
(плоскость) равного напора, соответствующее Н (действующе-
му напору). Дно (плоскость) нижнего бьефа, как и любая другая
плоскость, расположенная выше него и ниже уровня воды, бу-
дет иметь нулевой напор. Любая точка в области фильтрации
под сооружением будет иметь напор меньше Н. Потерянный на-
пор АН расходуется на преодоление сопротивлений при движе-
нии фильтрационного потока.
1.1.2. Расчетные условия при фильтрации
Расчетные схемы напластования грунтов. В естественных ус-
ловиях в основании сооружений можно встретить самые разно-
образные грунты во всевозможных сочетаниях. Поскольку тео-
рия фильтрации не дает решения для всех случаев взаимного
расположения грунтов, принимают расчетные схемы напласто-
ваний, для которых имеются готовые решения по определению
параметров фильтрационного потока.
Примеры расчетных напластований грунтов в основании водо-
подпорных сооружений, наиболее часто встречающихся в практи-
ке фильтрационных расчетов, приведены на рис. 1.5. В схемах, где
водопроницаемое основание распространяется до бесконечности
(рис. 1.5, а...г), имеется в виду, что в результате разведочного бу-
рения не был достигнут грунт, имеющий другие характеристики.
Расчетные уровни воды в бьефах. Уровни воды в сооружениях
изменяются во времени, поэтому параметры фильтрационного по-
тока определяют для расчетных уровней, при которых значения
параметров максимальны. При этом режим фильтрационного по-
тока должен быть установившимся.
Рис. 1 £. Расчетные схемы напластований грунтов в основаНИИ сооружений:
а — водонепроницаемый грунт неограниченной мощности; б — под флютбе-
том водопроницаемый грунт ограниченной мощности, ниже водонепрони-
цаемый грунт; в — водопроницаемый грунт неограниченной мощности; г —
под флютбетом водонепроницаемый грунт ограниченной мощности, ниже
водопроницаемый грунт; д — слоистое основание из водопроницаемых грунтов
с различными значениями коэффициентов фильтрации; е — слоистое основа-
ние с чередующимися водопроницаемыми и иодовепроиицаемыми грунтами;
Кф — коэффициент фильтраци и
Разность уровней воды в гидромелиоративном сооружении
определяют исходя из их физически возможного одновременно-
го положения. Обычно расчетный уровень в верхнем бьефе соот-
ветствует пропуску по каналу старшего порядка нормальных
расходов, а в нижнем бьефе в это время вода отсутствует. Следу-
ет учесть, что отсутствие воды в нижнем бьефе понимается как
совпадение ее уровня с дном русла нижнего бьефа, а грунтовые
воды находятся не ниже его.
В речных водоподпорных сооружениях вода в нижнем бьефе
отсутствует редко. Для таких сооружений за расчетный уровень
воды в верхнем бьефе принимают нормальный подпорный (НПУ),
в нижнем бьефе — уровень воды, соответствующий сбрасываемо-
му расходу через плотину (бытовому расходу).
1.1.3. Составные части флютбета и силы,
действующие на него
Флютбет и его составные части. Напорное движение грунто-
вых вод под гидротехническими сооружениями происходит в не-
посредственном контакте с флютбетом — основной частью гид-
ротехнического сооружения, образующей ложе для проходящего
через него потока. Флютбет сооружения служит для двух целей:
• безопасного пропуска поверхностного потока из верхнего
бьефа в нижний;
• гашения напора фильтрационного потока.
В речных сооружениях составными частями флютбета явля-
ются понур, тело плотины, водобой, рисберма и концевой участок
(ковш) (рис. 1.6, а). Такой состав флютбета характерен для водо-
сбросных плотин с повышенной глубиной воды в верхнем бьефе.
В сооружениях с низко расположенным порогом вместо тела
плотины будет водосливной порог, расположенный на уровне по-
нура или несколько выше его (рис. 1.6, б).
В гидромелиоративных сооружениях на каналах водосливной
порог и водобой объединяются в единую массивную плиту. Для
таких сооружений считается, что флютбет состоит из трех час-
тей — понура, водобоя и рисбермы (рис. 1.6, в).
Понур укрепляет русло перед сооружением от размыва по-
верхностным потоком и служит связующим звеном между есте-
ственным ложем реки или канала и собственно сооружением. Его
устраивают из водонепроницаемого материала: глины, глинобе-
тона, бетона, железобетона, полимерных материалов и др. Вслед-
ствие водонепроницаемости понур удлиняет путь фильтрацион-
ного потока под сооружением, является средством гашения напо-
ра, снижает его действие на водобойную часть флютбета, за счет
чего уменьшает расход и скорости фильтрации.
участок
Рис. 1.6. Составные часта флютбета:
а в высоконапорных и средненапорных сооружениях; б—в сооружениях
с низким порогом; в — в гидромелиоративных сооружениях на каналах
Толщину понура назначают по конструктивным соображени-
ям, так как он находится под двусторонним воздействием воды:
подземному’ давлению, направленному снизу вверх, всегда проти-
востоит большее по величине воздействие воды, направленное
сверху вниз. Минимальную толщину глиняного и глинобетонного
понура принимают при Я < 5 м — 0,4...0,5 м; при Н= 5...10 м —
0,5...0,6 м; при Я > 10 м — 0,75 м. В крупных сооружениях тол-
щину понура в месте сопряжения с телом плотины увеличивают
до 1...2 м. Наибольшую толщину понура иногда принимают по
формуле = 0,75+0,05Н. Толщину понура из суглинка прини-
мают на 20... 30 % больше толщины глиняного.
Следует отметить, что толщина понура уточняется после гидро-
технического расчета сооружения из условия обеспечения фильт-
рационной прочности материала понура. Расчет ведут по формуле
tn (1.2)
ГСР "
кр
где t, — толщина понура; АЛ — потери напора на понуре; Кв — ко-
эффициент надежности, учитывающий степень ответственности
и значимости последствий при наступлении тех или иных пре-
дельных состояний (принимают по табл. 6.8); — критический
средний градиент напора (принимают по табл. 3.20).
Длина понура определяется двумя условиями: неразмываемо-
стью русла перед понуром при пропуске воды через сооружение
(водослив, щит, трубу) и гашением напора фильтрационного по-
тока. При предварительной компоновке флютбета длину понура
назначают в зависимости от глубины воды и типа сооружения
в следующих пределах:
• регуляторы-водовыпуски и подпорные сооружения —
(0...2)Н,;
• сопрягающие сооружения — (2...3)И,;
• промывные сооружения — (1...4) Нх\
• водосливные плотины — (0...2) Нх.
Длина понура также уточняется после выполнения фильтра-
ционного расчета сооружения с учетом гидравлического расчета.
Для лучшего сопряжения понура с подводящим руслом в его
начале рекомендуется устраивать шпунт или верховой зуб глуби-
ной не менее толщины понура. Шпунтовая стенка в начале пону-
ра (понурный шпунт) устраивается только при анкерном понуре.
Сверху понур прикрывают защитным слоем из местного грун-
та. При больших донных скоростях ближайшую к сооружению
часть понура укрепляют мостовой, бетонными или железобетон-
ными плитами на слое гравия или песка.
Водобой представляет собой собственно сооружение. Его на-
значение — 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 так-
же служит средством гашения напора фильтрационного потока.
Вследствие того что давление снизу всегда больше давления
сверху, толщину водобоя рассчитывают из условия устойчиво-
сти против всплытия под воздействием подъемного потока. Длину
водобоя назначают по гидравлическому расчету и по условиям
размещения затворов, подъемников, служебного и проезжего мос-
тов. При необходимости ее увеличивают как противофильтраци-
онное средство для подземного потока.
Ориентировочно длину водобоя назначают в таких пределах:
• водовыпуски и подпорные сооружения — (2...4) Н,;
• водосливные плотины и промывные сооружения — (3...5)HV
Сливная часть (слив), или рисберма, предназначена для вы-
полнения следующих четырех задач:
• укреплять русло потока за водобоем от размыва;
• создавать свободный выход подземному потоку (т.е. она
должна быть водопроницаемой);
• тормозить донные скорости и тем самым приближать рас-
пределение скоростей по живому сечению к бытовому в конце
рисбермы;
• защищать лежащий под ней грунт от размыва подземным
потоком и повышать его устойчивость против выпирания.
Для лучшего выполнения этих задач рисберму при необходи-
мости усиливают в нижней части обратными фильтрами, а по-
верхность устраивают по возможности более шероховатой.
Конструкцию сливной части принимают из условия устойчи-
вости против размыва и вымыва поверхностным и фильтрацион-
ным потоком.
Длина слквн 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 руково-
дствоваться гидравлическим расчетом растекания потока.
Концевой участок устраивается в речных сооружениях, что-
бы не допустить подмыв рисбермы.
Чтобы увеличить длину фильтрационного пути и тем самым
уменьшить уклон подземного потока, в пределах понурной и во-
добойной части флютбета устраивают зубья и шпунтовые стен-
ки. 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 под-
земной частью флютбета.
Подземный контур в соответствии с его назначением имеет уча-
стки водонепроницаемые и водопроницаемые. Однако в фильтра-
ционных расчетах принято относить к подземному контуру только
водонепроницаемые части, на длине которых происходит гаше-
ние напора.
В пределах подземного контура различают горизонтальные и
вертикальные пути фильтрации. Подземный контур, вытянутый
в одну горизонтальную линию, называют развернутой длиной
подземного контура (см. рис. 1.4).
Силы, Действующие на флютбет. К основным силам, действую-
щим на флютбет, относят собственный вес флютбета, силу гидро-
статического давления воды, силу фильтрационного и взвеши-
вающего давлений, трение по боковым поверхностям флютбета,
сцепление между подошвой флютбета и грунтом основания, а в от-
дельных случаях силу дефицита давления. Не все перечисленные
силы учитывают одновременно. Например, при определении коэф-
фициента устойчивости флютбета в гидромелиоративных сооруже-
ниях обычно пренебрегают последними тремя силами.
Сила фильтрационного давления на флютбет направлена нор-
мально к линии подземного контура, следовательно, она может
быть как горизонтальной, так и вертикальной. При другом на-
правлении сИЛа фильтрационного давления МОЖет быть разЛО
жена на две составляющие — горизонтальную и вертикальную.
Составляющую вертикального направления называют фильт-
рационным противодавлением.
На флютбет, погруженный в воду, действует сила взвешиваю-
щего давления. Она определяется глубиной погружения подош-
вы флютбета под уровень воды нижнего бьефа. Эта сила направ-
лена вверх и ее называют взвешивающим противодавлением.
Общее противодавление W, действующее на горизонтальные
участки подошвы флютбета, складывается из двух частей —
фильтрационного и взвешивающего Wa:
W = W*+W*. (1.3)
Эта сила учитывается при определении устойчивости флютбета
на всплывание.
Рис. 1.7. Силовое воздействие воды на подземный контур водоподпорных
сооружений:
а — разрез по водоподпорному сооружению; б — эпюра фильтрационного
противодавления на горизонтальную проекцию флютбета; в — эпюра взве-
шивающего 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
3 М. В. Нестером
Горизонтальная составляющая силы фильтрационного давле-
ния учитывается при расчете флютбета на сдвиг.
Графически фильтрационное и взвешивающее давление изо-
бражают в виде эпюр, построенных на горизонтальной проекции
подземного контура или на его развернутой длине (рис. 1.7). Ор-
динаты эпюр фильтрационного давления определяются расчетом,
л ординаты эпюры взвешивающего давления — глубиной погру-
жения рассматриваемой точки (плоскости) под уровень воды ниж-
него бьефа. Сила фильтрационного и взвешива ющего давлений (на
1 м длины сооружения) равна площади эпюры рассматриваемого
участка подземного контура, умноженной на плотность воды. Ор-
динатами в эпюрах могут быть как давление (Па), так и напор (м),
применяемый чаще. Отсюда и понятие «эпюра напоров».
Методы фильтрационных расчетов
1.2.
1.2.
1. Понятие о фильтрационных расчетах
Задачи фильтрационных расчетов. На основании фильтраци-
онных расчетов нужно так запроектировать подземное очертание
гидротехнического сооружения, чтобы оно было способно:
• уменьшить расходы воды под сооружением:
• снизить вели ч ину выходной скорости фильтрации;
• уменьшить расчетное давление на подошву флютбета до тре-
буемых значений.
То есть необходимо запроектировать так называемый рацио
нальный подземный контур, у которого при обеспечении прочно-
сти 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 малопрони-
цаемых грунтах может не играть существенной роли, и определе-
ние его в таком случае носит лишь проверочный х арактер. 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 необ-
ходимо.
Скорость фильтрации при выходе потока в нижний бьеф нуж-
но 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 за-
дачи при проектировании подземного контура нужно решить все
вопросы, связанные с движением фильтрационного потока под
сооружением, т.е. определить:
• расп ределение давлений по подзе миому контуру сооружения;
• выходную скорость фильтрации (градиент напора);
• расход фильтрационного потока.
Главной задачей при фильтрационных расчетах можно счи-
тать определение давлений, так как скорость фильтрации (гради-
ент напора) в расчетной области фильтрации и фильтрационный
расход сравнительно легко определить, если известно распреде-
ление давлений в области фильтрации пчд сооружением.
Уравнения фильтрационного потока. Основой фильтрацион-
ных расчетов в пористой среде сл ужит закон Дарси:
и = Кф/, (1.4)
где у — скорость фильтрации; Кф — коэффициент фильтрации;
I - градиент напора.
Отсюда расход фильтрационного потока определяется по фор-
муле
<?=Кф(оД (1.5)
где (и — площадь поперечного сечения, включая поры и частицы
грунта.
Закон Дарси справедлив для ламинарного потока и соблюдает-
ся в весьма широкой области изменения скоростей. Для установ-
ления применимости закона Дарси на основании характеристик
грунта (диаметра частиц, пористости, коэффициента фильтрации)
существует ряд формул, приводимых в специальной литературе.
3*
Допущения при фильтрационных расчетах. Все разнообразие
факторов, встречающихся при движении фильтрационного потока
в реальных условиях, расчетными формулами учесть невозможно.
Эю заставляет вводить некоторые упрощения и допущения.
Основные допущения при фильтрационных расчетах сводятся
к следующему:
- прин имеется плоское движен ие фильтрационного потока;
• грунт в основании сооружений считается однородно изотроп-
ным. При однородно анизотропных грунтах переходят к эквива-
лентной в фильтрационном отношении схеме с однородно-изо-
тропным грунтом, изменяя при этом размеры флютбета;
• заданный напор на сооружение не изменяется во времени,
а это значит, что рассматривается установившаяся фильтрация:
• коэффициент фильтрации остается постоянным;
• тем пература воды считается неизменной;
• принятая пористость грунта не изменяется со временем.
Основные методы расчета. К настоящему времени теория дви-
жения фильтрационных вод и методы фильтрационных расчетов
получили широкое развитие. Предложенные многочисленные
приемы и методы расчета по степени полноты и достоверности ре-
зультатов можно разделить на следующие группы.
1. Эмпирические — в них дается весьма приближенным ре-
зультат определения давления грунтовых вод на отдел ьные части
сооружений. Сюда относятся так называемый способ линейно-
контурной фильтрации (Л КФ) и все его разновидности. В настоя-
щее время используют метод удлиненной контурной линии.
2. Гидравлические — основаны на приближенном решении
задачи. Эго наиболее ]шспространенные методы, используемые
в практических расчетах.
3. Экспериментальные — среди них наибольшее распростране-
ние получил метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА).
При помощи этого метода строят гидродинамическую сетку для
любых подземных контуров флютбета. Гидродинамическую сет-
ку можно построить и графическим способом («вручную»), зная
свойства гидродинамической сетки и имея определенные навы-
ки. Применяют также экспериментальный метод исследования
фильтрации в грунтовых лотках на моделях гидротехнических
сооружений.
4. Приближенные гидромеханические — основаны на упро-
щении аналитических решений. Сюда относятся метод фрагмен-
тов, метод коэффициентов сопротивлений и др.
В настоя шее время метод удлиненной контурной линии и метод
коэффициентов сопротивлений расчета фильтрации рекомендова-
ны нормативными документами к применению для сооружений
Ill и IV классов.
1.2.2. Определение минимальной допустимой длины
подземного контура
Следует отметить, что размеры подземного контура фактиче-
ски определяются в результате гидравлического расчета водо-
подпорных сооружений. Однако в процессе гидротехнического
расчета может оказаться, что принятые ранее размеры не обеспе-
чивают прочность и устойчивость сооружения и его основания от
воздействия фильтрационного потока.
Для различных схем подземного контура его минимальную
длину можно предварительно (после гидравлического расчета со-
оружения) определить по следующим зависимостям.
Минимальная допустимая длина подземного контура для рас-
пластанной схемы (Iq/S0 > 5 и Тя < 0,5Z0) определяется по форму-
ле) 62]:
=-^-038^, (1.6)
где Н — расчетный напор на сооружении; — расчетный ос-
редненный критический градиент напора (принимаемый по
табл. 3.20); <0 — проекция подземного контура на горизонталь;
So — проекция подземного контура на вертикаль; Тя — действи-
тельное заглубление водоупора; Т.Г — средняя глубина залегания
расчетного водоупора, положение которого определяется разме-
Т _ 1 Таf-- -1 (1.7)
m
где Т, — заглубление расчетного водоупора под дном верхнего
бьефа; Т2 — то же под подошвой понура и т.д.; m — число значе-
ний Т, введенных в формулу.
При глубоком залегании водоупора (Тя> 0,510) для определе-
ния минимальной длины подземного контура можно использо-
вать зависимость [62]:
Lmin =b.+l,5Lr=4r. (1-8)
где £в и LT — суммарные длины соответственно вертикальных и
горизонтальных элементов контура.
Разумеется, уравнения (1.6) и (1.8) в некоторых случаях фильт-
рационного расчета гидросооружений приходится решать подбо-
ром в связи с отсутствием в начале расчета данных о величинах
10 и So.
Окончательно размеры подземного контура будут приняты
(определены) после выполнения фильтрационного (гидротехни-
ческого) расчета.
1.2.3. Расчеты по гидродинамической сетке
Элементы гидродинамической сетки. С помощью гидродина-
мической сетки можно определить все параметры фильтрацион-
ного потока — напоры, гидравлические градиенты, скорости и
расходы. Достоинство сеток: все параметры легко вычисляются
и, что очень существенно, их можно определить в любой задан-
ной точке области фильтрации.
Рассмотрим элементы гидродинамической сетки (рис. 1.8).
Семейство линий, идущих от поверхности дна верхнего бьефа к
поверхности дна нижнего бьефа, представляет собой линии то-
ков, а семейство линий, идущих от подземного контура к водо-
упору — линии равного напора (уровни воды в пьезометрах, ус-
тановленные 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 яв-
ляется первой линией тока, а водоупор — последней, т.е. верхней
граничной линией тока является водонепроницаемая часть под-
земного контура флютбета, нижней — водоупор. Верхняя гра-
ничная линия равного напора (с напором hx=H) находится на по-
верхности дна верхнего бьефа, нижняя (с напором Лх = О) — на
поверхности дна нижнего бьефа и линии дренажей в основании
(если они есть).
Рис. 1 Я. Гидродинамическая сетка:
1,2 — линии токов и равных напоров; 3—лента расхода; 4 — пояс давления;
5,6 — эпюры соответственно фильтрационного противодавления и выход-
ных градиентов фильтрационного потока в нижнем бьефе, построенные по
гидродинамической сетке; 7 — водоупор; I — выходной градиент напора
Число лент расхода и поясов равных напоров выбирают в зави-
симости от требуемой точности решения. Чем меньше шаг AS и Д2,
тем точнее можно определить параметры фильтрационного пото-
ка. Отношение AS/Д/ называют коэффициентом формы сетки.
При AS/Л/ = 1 сетка будет квадратной, при &S/AL * 1 — неквадрат-
ной. 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 фильтра-
ции при любом числе лент расхода и поясов давления модуль сет-
ки М должен быть постоянным.
Способы построения гидродинамических сеток. Гидродина-
мическую сетку можно построить по уравнениям для простых
очертаний подземного контура, экспериментально, на приборе
ЭГДА и приближенно графически.
При построении гидродинамической сетки методом ЭГДА ис-
пользуется аналогия между движением грунтового потока в по-
40 1. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений и в обход их
ристой среде и движением электрического тока в токопроводящей
среде. При соблюдении граничных условий гидродинамические
сетки фильтрационного и электрического потоков будут одина-
ковы.
В основу графического метода построения гидродинамической
сетки положена ортогональность, непрерывность и плавность ли-
ний тока и равного напора. При графическом построении гидроди-
намической сетки необходимо соблюдать следующие основные
требования:
• линии 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;
• линии равных напоров в точках примыкания к контуру со-
оружения и линии водоупора должны быть ортогональны;
• линии токов в точках примыкания к линиям дна верхнего и
нижнего бьефов также должны быть ортогональны;
• сетка 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 криво-
линейные ячейки сетки — квадраты с принятым соотношением
AS/AZ и одновременно корректируют положение линий токов.
Вблизи уступа или шпунтовой стенки (в особых областях подзем-
ного контура) ячейки сетки будут не криволинейными квадрата-
ми, а криволинейными многоугольниками (см. рис. 1.8).
Если фактический водоупор залегает глубоко, при построении
гидродинамической сетки принимают условный водоупор на глу-
бине Т = 2,5/0, где Zo — горизонтальная проекция водонепроницае-
мой части флютбета.
Определение элементов фильтрационного потока по сетке. На
пор в любой точке области фильтрации определяется по формуле
гг
<19)
где п — число поясов давлении, отсчитываемых от конца водоне-
проницаемой части флютбета; Н — действующий напор; П — об-
щее число поясов давлений в сетке.
Если пояса давления отсчитывать со стороны верхнего бьефа
(от начала флютбета), то формула (1.9) определяет потерю напора
до рассматриваемой точки. Сумма оставшегося и потерянного на-
пора всегда равна действующему напору.
В практических случаях напор обычно определяют в харак-
терных точках по подземному контуру для построения эпюры на-
поров.
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 эти-
ми точками, измеряя его по линии тока. При действующем напо-
ре Н средний градиент напора между соседними линиями равно-
го напора определяют по формуле
ПА/ (1.Ю)
где А/ — расстояние между рассматриваемыми точками.
Скорость движения определяют по формуле Дарси:
оф=К/=К-^-, ♦ ПА/ (1.11)
где К — коэффициент фильтрации грунта основания.
Фильтрационный расход через одну ленту шириной AS на
один погонный метр ширины сооружения (в условиях плоской
схемы фильтрации) будет равен
„ASH а. = о4®, = К , * ПА1 (112)
а в случае квадратной сетки, когда AS = AZ, а, = К—. 41 П (113)
При числе лент Л фильтрационный расход под сооружением,
в случае квадратной сетки, на единицу ширины будет равен
д=КН—. 4 П (114)
Полный расход под сооружением шириной В составит:
Л
Q^KH&S—В, <1-35)
1LV
а в случае квадратной сетки, когда AS = AZ,
= (1.16)
Если при фильтрационных расчетах нельзя ограничиться ре-
шением плоской задачи, а нужно решать пространственную, то
пользуются пространственным прибором ЭГДА, где грунт обыч-
но заменяют жидкостью — электролитом. В некоторых случаях,
когда гидротехническое сооружение имеет значительную протя-
женность, можно по нескольким характерным поперечникам ре-
шить плоскую задачу, а потом подсчитать осредненные значения
расчетных величин для перехода к пространственным условиям.
В заключение следует отметить, что метод ЭГДА был предло-
жен академиком Н.Н. Павловским в 1921 -1922 гг. Также боль-
шая заслуга в разработке этого метода принадлежит профессору
Е.А. Замарину, который ввел в расчетную практику сетку дви-
жения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями,
разработав технику ее использования. В настоящее время этот
надежный, дешевый и простой метод широко применяется при
проектировании гидротехнических сооружений.
1.2.4. Расчет фильтрации методом коэффициентов
сопротивления Р.Р. Чугаева
Общие указания. Метод к<«мрфициентов сощютивления являет-
ся дальнейшим развитием известного метода фраг ментов Н.Н. Пав-
ловского. Он был предложен Р.Р. Чугаевым в 1953-1955 гг. во
Всесоюзном научно-исследовательском институте гидротехники
(ВНИИГ) им. Б.Е. Веденеева |63]. Сущность его состоит в том,
что область фильтрации с резкоизмепяющимся движением фильт
рационного потока приближенно заменяется областью фильтра-
ции с плавно изменяющимся движением в виде трубы с эле-
ментами подземного контура сооружения, характеризуемыми
коэффициентами местных сопротивлений £>„ пропорционально
которым распределяются фильтрационные потери напора. Что-
бы главные параметры фильтрационного потока могли быть рас-
считаны при такой замене с приемлемой точностью, вводится по-
нятие активной зоны фильтрации, характеризуемой глубинами
Т^,Т*,Т"[63].
Активной зоной фильтрации является глубина, за предела-
ми которой положение водоупора уже не оказывает влияния на
параметры фильтрационного потока (фильтрационное давле-
ние W, гидравлический градиент? и фильтрационный расходу).
В общем случае каждому из них соответствует своя глубина ак-
тивной зоны; Иг - , I- Т.", q - Т,"', причем = 2Т'К, а Т™ = Тя
или Т'" - ЗТ^,(при бесконечном залегании водоупора).
Рассматриваемый метод разработан для плоской схемы фильт-
рации. Он позволяет решить следующие основные задачи:
• построить эпюру противодавления W на флютбет сооруже-
ния, найти остаточный напор hx на нижнем конце низового (вы-
ходного) зуба, а следовательно, определить средний гидравличе-
ский градиент I на упомянутом элементе контура;
• рассчитать максимальный выходной градиент фильтрации
в плоскости дна нижнего бьефа;
• определить фильтрационный расход.
Для решения вышеперечисленных задач дополнительно необ-
ходимо:
• установить положение поверхности расчетного водоупора
Т
* р«сч>
• определить на основании найденных величин чпслен-
ные значения коэффициентов сопротивления с,, для отдельных
элементов подземного контура.
В общем случае отметка поверхности расчетного водоупора
не совпадает с глубиной залегания действительного водоупо-
ра Тя. Как правило, трем различным параметрам фильтрационно-
го iioT'jKa (противодавлению И', выходному 1идравлическому гра
диенту 1^ и расходу фильтра ции q) соответствуют три различи не-
расчетные глубины залегания водоупора: и Т^,, при-
чем ^сч * и Тд всегда измеряются по вертикали
от поверхности водоупора до наиболее высоко расположенной точ-
ки подземного контура (обычно до дна канала). Глубины залега
ния расчетных водоупоров определяются следующим образом.
* При построении эпюры фильтрационного давления (проти
водавления): •и если Тя <Т^, тоТД^, = Тд; (1-17) еслиТя >Т^, тоТД^ = . (1-1В)
• При определении максимального выходного градиента
е плоскости дна нижнего бьефа:
если Т, <Т*, тоТ^ = ТЯ; (1.19)
=Т". (1.20)
С известным прибл жением принимается, чти « 2Т^.
• При определении расхода фильтрации всегда исходят из
действительной глубины залегания водоупора, т.е. Т^, = ТД.
При Т>2^/0, что эквивалентно бесконечному залеганию водо-
упора, можно принять Т^, = З7','х .
Глубина активной зоны фильтрации определяется по
следующим формулам:
• для распластанного подземного контура:
если —>5, то =0,5 Zo, (1-21)
где lG и So — проекция подземного контура сооружения на гори-
зонтальную и вертикальную оси;
• для промежуточной схемы подземною контура:
если 3,-1 с — < 5, тоТ^ =2,5S0;
So
• для заглубленного подземного контура:
если 1 < — < ЗА тоТ'№ = 0^So
Sq
• для весьма заглубленного подземного контура:
если 0 < — <1, тоТ'„ = So +О,31о.
So
(1.22)
(1.23)
(1.24)
Общий порядок гидротехнического расчета по методу коэф-
фмонептов сопротивления.
1. Составляют расчетную схему подземного контура. В ходе
работы отбрасывают отдельные конструктивные детали. элемен -
ты, практически не влияющие на параметры фильтрационного
потока, в результате чего получают подземный контур, состоя-
щий из вертикальных и горизонтальных путей фильтрации.
2. Определяют' вертикальную So и горизонтальную /0 проек-
ции подземного контура. По отношению /0/5и устанавливают
активную зону фильтрации и расчетное положение водоупора
в зависимости от того, какой параметр фильтрационного пото-
ка будет в дальнейшем определяться (потери напора (для эпюры
фильтрационного давления), максимальный выходной гради-
ент или расход фильтрации).
3. Расчетный подземный контур разбивают на отдельные эле-
менты. Согласно рассматриваемому методу, любой подземный
контур может быть разбит на три типовых отдельных элемента,
характеризуемых соответствующими коэффициентами сопротив-
лений^:
• входной (Е^) и выходной (E^J элементы подземного конту-
ра 1-2 и 8“ 10 (см. рис. 1.25);
внутренний шпунт (Е, J или вертикальный уступ (Е,,.) (при
S = 0) 3-5 и 6- 7;
• горизонтальные элементы контура (^) 2-3, 5-6 и 7-8.
Численные значения коэффициентов сопротивления при пло-
ской задаче фильтрации для всех выделенных элементов контура
не зависят от направления фильтрационного потока, т.е. при гео-
метрическом подобии области фильтрации можно записать, что
4. Определяют численные значения коэффициентов сопротив-
ления при соответствующем расчетном положении водоупора.
Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта или ус-
тупа (рис. 1.9. а) определяется по формуле
Т, Тг l-0,75S/Ta
(1.25)
где а — высота уступа; S — глубина шпунта; 7\ и Т2 — заглубле-
ния расчетного водоупора под подошвой сооружения соответст-
венно перед шпунтом и за шпунтом (всегда = Тг + а).
I
б
/-//Л.
Рис, 1.9. Расчетные элементы подземного контура и фрагменты основания:
а — внутренний шпунт или вертикальный уступ; б — входной (выходной);
в — горизонтальный
Зависимость (1.25) применяется при условии 0Д> S/T3 >0.
При отсутствии шпунта, т.е. когда S = 0, коэффициент сопро-
тивления уступа определяют по формуле
(1.26)
Если же отсутствует уступ (а = 0), то в формуле (1.25) Т, = Т2 = Т.
Для определения коэффициента сопротивления входного и
выходного элементов подземного контура (рис. 1.9, (!) к значе-
нию коэффициента или прибавляют значение коэффициен-
та сопротивления на чистый вход или выход (поворот потока).
Тогда + и,44.
Если же S' = 0, остается только уступ и ^жх = + 0,44.
Когда же S = 0 и а = 0. имеет место так называемый плоский
вход или выход и =£,,UJ = 0,44, т.е. входной и выходной элемен-
ты обращаются в точку.
Значение — 0,44 считается коэффициентом сопротивления
чистого поворота фильтрационного потока на 90'’.
Для горизонтального элемента длиной I между двумя шпунта-
ми глубиной S, и S, (рис. 1.9, в), если
(>0,5(S) + Sj,
(1.27)
коэффициент сопротивления горизонтального участка опреде-
ляется по формуле
= l-OffSt+S,)
~ гор гр ' '
Когда Sj = St -0, = l/T.
При/<0,6(82 +S2)
Это указывает на то, что при проектировании подземного кон-
тура, а точнее при предварительном назначении глубин шпун-
тов Sj, S2 и расстоянии между ними /, следует учитывать усло-
вие (1.27).
5. Зная величину коэффициентов сопротивления рассчиты-
вают все основные параметры фильтрационного потоки (потери
напора на отдельных элементах подземного контура й( для по-
строения эпюры фильтрационного давления, максимальный вы-
ходной градиент 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 оп-
ределяют численные значения коэффициентов сопротивления.
Л
4. Вычисли ют сумму всех коэффициентов сопротивления У .
«1
5. Для каждого элемента подземного контура прямо пропор-
ционально численным значениям их коэффициентов сопротив-
ления определяют потери напора й, по формуле
Л, =-вЯ-^. (1-29)
*=1
где Н — напор на сооружении; — коэффициент сопротивления
i-го элемента подземного контура; — суммарный коэффици-
ент сопротивления всего подземного контура.
п
Следует отметить, что й( = Н.
1-1
6. По известным потерям напора на каждом элементе подзем-
ного контура й, строят эпюру фильтрационного давления на по-
дошву сооружения (см. рис. 1.25, в) и при необходимости
эпюру взвешивающего давления (см. рис. 1.25, а).
Следует отметить чти при построении эпюры фильтрационно-
го давления различают случай так называемого плоского входа
или выхода (рис. 1.10), когда входной или выходной элемент
контура характеризуется соотношением [46]
— <
(1.30)
т.е. когда подземный контур с входным или выходным элемен-
том близок или совпадает с плоским входом или выходом.
Рис. 1.10. Расчетная схема концевого участка подземного контура при
наличия условия (] .30) (выходной элемент Близок к «плоскому выходу»);
1 — флютбет
При наличии этого соотношения найденная выше потеря на-
пора на входном или выходном элементе контура (Ли или Л^,) мо-
жет иногда значительно отличаться от действительной потери
напора на входви.ч пли выходном элементе, обозначаемой далее
йв„ или
Расхождение в значениях Ли и Л„ д или и „ носит ме-
ст ный характер, причем им часто можно пренебречь (особенно
для входного элемента, относящегося к понуру). Однако при же-
лании эту погрешность, возникающую при наличии соотноше-
ния (1.30), можно легко устранить. Для этого поступают следую-
щим образом:
1) вычисляют действительные значения потерь напора hn ж и
Л^.дПО формулам
АЮид = 5ЛшиЛмлх.в*=8ЛМ«« (!-31)
где при 0,7 < T’j/Tj < 1,0 поправочный коэффициент 5 равен
3 =
(132)
2) имея пьезометрическую линию РЛ/'Р(рис. 1.10) и рассмат-
ривая, например, выходной элемент контура, откладывают, как
показано на рисунке, значение Л1ьи д, получают точку N. Затем
точку соединяют прямой линией с точкой ЛГ на линии РЛ/'Рна
расстоянии 0,1/ от конца флютбета (/ — длина флютбета). Соеди-
нив точки М и N и отбросив площадь MN'N, получают скоррек-
тированную эпюру фильтрационного давления в области выхода
(или входа).
Определение фильтрационного расхода. В соответствии с ме-
тодом коэффициентов сопротивления величину удельного фильт-
рационного расхода определяют ио формуле
я
(1.33)
л
где \ Е,, — суммарный коэффициент сопротивления, определен-
-I
ный при Т^, = иля 37^; К — коэффициент фильтрации грунта
'•снэаипия.
Определение остаточного напора на выгодном элементе- под-
м-мвчгоконгура Для оценки местной фильтрани шной прочности
грунта основания в эоне выхода потока в нижний бьеф необходи-
мо знать величину остаточного напора на выходном элементе под-
земного контура.
Остаточный напор на выходном элементе (на острие выходно-
го (низового) зуба или шпунта) определяют по зависимости
(134)
4 М В. Нестеров
где — потери напора на выходе (определяют по эпюре фильт-
рационного давления без учета поправки 8); е — коэффициент,
для случая 0,7 < Тг /1\ < 1,0 и S/T > ОДе определяют по приближен-
ной формуле
е« 0,8-0,3S/Tj,
(1.35)
где Т, и Т, — расчетное заглубление водоупора перед зубом (шпун-
том) и за зубом (рис. 1.11); S — глубина зуба (шпунта).
б
Т,
т,
6
ь
а
Рис. 1.11. К определению напора на нижнем конце выходного шпунта:
а — с выходным зубом; б — без выходного зуба
При выходном элементе, не имеющем выходного зуба (или
шпунта), остаточный напор в точке Ь определяется по зависимо-
сти (1.31).
Определение градиентов в плоскости дна нижнего бьефа.
В месте выхода фильтрационного потока в нижний бьеф в точке
примыкания водобоя к рисберме (точка 7 на рис. 1.7), будет макси-
мальный выходной градиент Исходя из величины этого гради-
ента ведут расчет поверхностной суффозии (см. п. 1.3.2) и проекти-
руют обратные фильтры, покрывающие дно нижнего бьефа.
Для определения его численного значения прежде всего необ-
ходимо найти глубину залегания расчетного водоупора по вы-
ходному градиенту Т^, в соответствии с которой вычисляются
значения коэффициентов сопротивления отдельных элементов
Л
контура и их сумма £1;,. Величина максимального выходного
градиента рассчитывается по формуле С.Н. Нумерова:
4— <1зб>
т,«£5,
1-1
где а — коэффициент, определяемый в зависимости от отноше-
ний S/Ti и T2/Tj по формуле
' . л | S Т2
sin - - -- --
2(7; Tt
а =
(137)
где Л и Т2 — соответственно глубины водоупора справа и слева от
шпунта глубиной S.
Коэффициент а можно также определить и по графику [63],
приведенному на рис. 1.12.
При расположении водоупора на большой глубине, когда
=Т^, в формулу (1.36) вводят коэффициент 1,1, в против-
ном случае она дает несколько заниженные значения:
4— (1-38)
Дополнительная шкала для кривой S/T\ — О
Рис. 1.12. График для определения коэффициента а
4*
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
фильтрации в плоскости дна нижнего бьефа на любом расстоя-
нии от края флютбета можно вычислить по графикам С.Н. Нуме-
рова в зависимости от отношения x/S^ я StuJT для приведенно-
го выходного элемента контура (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Зависимость = Пх/S^, S^/T) для плоской схемы
фильтрации (по С.Н. Нумерову)
Величина среднего градиента фильтрации на выходе (выход-
ном зубе или шпунте) определяется по формуле
(1.39)
где hx — величина остаточного напора, определяемая по формуле
(1.34); — величина заглубления выходного зуба или шпунта
в грунт основания ниже отметки слоя фильтра со стороны ниж-
него бьефа (рис. 1.14) [46].
Рис. 1.14. Конструкция выхода фильтрационного потока в нижний бьеф:
а — рекомендуемая, с уступом без выходного зуба; б — рекомендуемая, с ус-
тупом с выходным зубом; в — не рекомендуемая, без уступа и выходного
зуба; t — не рекомендуемая, без уступа с выходным зубом
Определение осредненного градиента фильтрации подземного
контура. Величины осредненных градиентов фильтрационного
потока Г* необходимы для оценки обшей фильтрационной проч-
ности основания сооружения в плоскости контакта водонепро-
ницаемой части подземного контура.
Для обычно встречающегося случая подземного контура, ко-
гда I > S, где S — глубина шпунта; I — расстояние между шпун-
тами (длина наибольшего горизонтального участка подземного
контура при одном шпунте), величины осредненных градиентов
фильтрации вычисляют по формуле
где (Т^ )ср — средняя глубина расчетного водоупора по напору,
устанавливаемая по формулам (1.17) или (1.18) при определении
коэффициентов сопротивления элементов подземного контура,
m
(T4e,)e₽=—. (1.41)
т
frt =T1+T2+T3+...+r„,,
1-1
где 7\ — заглубление расчетного водоупора под дном верхнего
бьефа; Та — под подошвой понура и т.д.; m — число значений Т,
Л
введенных в формулу; — суммарный коэффициент сопро-
1=1
тивления элементов подземного контура, определенный при Т^,.
В случае распластанного подземного контура, удовлетворяю*
щего условиям
Tt '’Тг-Т, -...»Т1Я и l-0^(S1+S2)-l, (1.42)
м
величина осредненного градиента фильтрации определяется по
зависимости
Г’ =------£----г—, (1.43)
£ 4033(7^ )"
где L — развернутая длина подземного контура.
1.2.5. Расчет фильтрации методом удлиненной
контурной линии
В основу метода, разработанного Р.Р. Чугаевым, положено до-
пущение о линейном изменении напора по длине подземного кон-
тура с учетом более эффективных потерь на вертикальных путях
фильтрации при входе и на выходе. Этот метод позволяет постро-
ить эпюру напоров и определить градиенты на отдельных участ-
ках контура (входе, выходе и подлине между ними). При опреде-
лении напоров расчет ведут при Т^,, выходного градиента — при
Т" с использованием виртуальной длины подземного контура
L,, определяемой по зависимости
L, = Ьл +20,4^
(1.44)
где Ьж — действительная длина подземного контура.
Графически виртуальная длина получится, если в обе сторо-
ны от концов действительной длины развернутого подземного
контура отложить отрезки, равные 0,447^,. Этими отрезками
учитывают потери напора на входных и выходных участках кон-
тура.
Эпюру напоров вначале строят на виртуальной длине (линия
А'В), а затем в пределах действительной длины на входных и
выходных вертикальных участках исправляют (см. рис. 1.26).
Во входной части исправление сводится к следующему. Из точ-
ки А', отвечающей действующему напору, проводят горизон-
тальную линию до пересечения с вертикалью, опущенной из
точки 1. После этого точку 1' соединяют с точкой 2', лежащей
на прямой А'В. В концевой части исправление сводится к про-
ведению наклонной линии 8'-10, где точка 8' лежит на прямой
А'В. После такой перестройки ординаты эпюры напоров на дей-
ствительной длине контура будут находиться на ломаной ли-
нии Г-2-8-10-1-Г.
Градиент напора вдоль горизонтальных участков контура оп-
ределяют по формуле
Максимальный выходной градиент можно приближенно оп-
ределить так:
(1.46)
где — длина концевого вертикального участка контура (8-10
на рис. 1.26); — потеря напора на этой длине (8-8' на
рис. 1.26, вычисленная при Т^,).
1.2.6. Расчет фильтрации с учетом анизотропии
и неоднородности грунта основания
В случае анизотропного или неоднородною (в фильтрацион-
ном отношении) основания вначале нужно определить глубину
активной зоны фильтрации по напору Т,'к. Грунты, залегающие
на глубине больше Т,',., не влияют на картину фильтрапии в об-
ласти подземного контура сооружения, т.е. анизотропию или не-
однородность грунта основание следует учитывать только в пре-
делах активной зоны фильтрации.
Учет анизотропии основания. В случае однородного анизо-
тропного грунта основания, когда экстремальные значения ко-
эффициента фильтрации соответствуют горизонтальному и вер-
тикальному направлениям, расчет можно выполнить способом
Дахлера [63].
1. Все горизонтальные размеры рассматриваемой схемы под-
земного контура умножают на величину
(1.47)
где Кь — коэффициент фильтрации грунта в вертикальном на-
правлении; К. — коэффициенты фильтрации грунта в горизон-
тальном направлении.
2. Полученную искаженную схему сооружения рассчитыва-
ют как схему сооружения, расположенного на однородном изо-
тропном основании, в результате чего определяют напор фильт-
рационного потока в различных точках основания искаженной
схемы.
3. Полученные напоры относят к действительному сооруже-
нию (к действительной схеме) путем деления всех горизонталь-
ных размеров искаженной схемы на величину а.
4. Зная напоры в отдельных точках основания, находят про-
тиводавление, необходимые пьезометрические уклоны и другие
гидродинамические элементы потока.
Учет неоднородности основания. <юнсьшнпе сооружения мо
жет быть образовано различными грунтами в самых разнообраз-
ных комбинациях. Здесь будет рассмотрено только основание, об-
разованное горизонтальным напластованием различных грунтов.
В случае, когда сравнительно тонкие прослойки маловодо-
проницаемого грунта с коэффициентом фильтрации Kj переме-
жаются со сравнительно тонкими прослойками сильноводопро-
ницаемого грунта с коэффициентом фильтрации К2 (рис. 1.15),
действительное основание заменяется основанием, выполнен-
ным из однородного грунта, характеризуемого «вертикальным
коэффициентом фильтрации»
К
+ tjK ]
(1-48)
и «горизонтальным коэффициентом фильтрации»
где и t2 — толщины отдельных слоев.
Полученное анизотропное основание рассматривается, как ука-
зано выше.
В случае двухслойного напластования грунта (рис. 1.16,1.17)
следует различать четыре варианта.
1. К2 < 0,1К, (Кг — коэффициент фильтрации нижнего слоя;
К, — коэффициент фильтрации верхнего слоя).
В данном случае нижний слой можно рассматривать как водо-
упор (линия MN).
2. K1>Kt>O,lKI.
В этом случае поверхность водоупора можно принимать по ли-
нии, лежащей ниже линии MN на величину
If
= (1.50)
где t2 — мощность нижнего слоя.
Основание в данном случае следует рассматривать как одно-
родное с коэффициентом фильтрации Kj.
З.К^ЮК,.
Здесь нижний слой грунта практически можно рассматривать
как абсолютно водопроницаемый слой, т.е. К, = °®. При этом об-
ласть нижнего слоя грунта должна рассматриваться как область
постоянного напора, равного Н/2.
Рис. 1.15. К расчету ыногислойвмго напластования грунтов:
а — действительная схема; Й — расчетная
Картина фильтрации в данном случае приобретает вид. пока-
занный на рис. 1.17. Граничная линия тока, которая отделяет
верхний поток воды, движущийся только в пределах верхнего
слоя грунта, имеет вид кривой abc. При расчете эта кривая могла
бы быть принята за расчетную поверхность водоупора. Однако ее
положение нам неизвестно,. Поэтому фильтрационный расчет не-
возможно выполнить по методу коэффициентов сопротивления,
а следует обращаться к экспериментальному методу ЭГДА. Вы-
ходной градиент (в области нижнего бьефа) вдали от плотины
в данном случае равен
7 = Я/(Й1).
(1.51)
Рис. 1.16. К расчету двухслойного напластования грунтов
(Кг < O,lKj и Kj > Kj > 0,1 К,)
Рис. 1.17. К расчету двухслойного напластования грунтов (К, > lOKj)
4. Kt < К2 < 10К.
Здесь искомые данные лежат в промежутке между данными,
найденными для случая, когда грунт однороден и поверхность во-
доупора совпадает с линией АА, и для случая, когда грунт одноро-
ден и поверхность водоупора совпадает с кривой abc В этом случае
при расчете также следует обращаться к экспериментальному ме-
тоду ЭГДА.
В случае большого числя напластований грунта (трехслойного,
четырехслойного и т.д.) надлежит следовать указаниям, приве-
денным выше применительно к двухслойному напластованию:
• при расчете верхних слоев грунта считать абсолютно водо-
непроницаемыми те нижние слои грунта, коэффициент фильтра-
ции которых весьма мал (менее 0,1 коэффициента фильтрации
верхних слоев);
• считать абсолютно водопроницаемыми те подстилающие
слои грунта, коэффип гент фильтрации которых весьма велик
(более чем в 10 раз < личается от коэффициента фильтрации
верхних слоев);
* применять поясненное выше правили приведения неодно-
родных грунтов к однородным (когда нижележащие слои грунта
являются менее водопроницаемыми, чем вышележащие слои).
Однако при выполнении окончательных расчетов ответствен-
ных сооружений в данном случае приходится пользоваться экс-
периментальным методом ЭГДА.
1.3.
Дренажи, шпунтовые стенки
и фильтрационные деформации
13.1. Роль дренажей и шпунтовых стенок в подъемном
кожуре
Понятие о дренажах. Устройства, обеспечивающие прием и
«ивод профильтровавшейся воды и снижение фильтрационного
давления, если они расположены в пределах водонепроницаемой
части подземного контура, называют дренажами.
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
к< юффициентом фил ьтрации 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 мате-
риалы.
В водоподпорных сооружениях находят применение два типа
дренажей: плоский — горизонтальный и глубинный — вертикаль-
ный. Плоские дренажи представляют собой постель из грунтовых
материалов со значительным коэффициентом фильтрации. Верти-
кальные дренажи представляют собой буровые скважины. В ред-
ких 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 фильтрацион-
ный поток, и водоотводящей, предназначенной для отвода воды за
пределы дренажа. Не во всех дренажах эти две части явно выраже-
ны, но они обязательно имеются. В некоторых случаях водоприем
ная 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 дре-
нажа. Для предупреждения такого перемещения по линии кон-
такта грунта с дренажем укладывают обратные фильтры, распо-
лагая их в один или несколько слоев.
В многослойных обратных фильтрах частицы грунта после-
дующего слоя будут больше частиц предыдущего слоя. Этим
обеспечивается непроникновение мелких частиц в более круп-
ные поры последующего слоя под воздействием фильтрационно-
го потока. Частицы грунта в обратных фильтрах подбирают по
графикам или рассчитывают по формулам.
Обратный фильтр выполняет функцию прослойки, сопрягаю-
щей крупнообломочный (щебеночный) или гравийный материал
дренажа с защищаемым грунтом основания. Он также предохра-
няет грунт основания от опасного развития суффозии, устраняет
возможность его разрушения деформациями контактного выпо-
ра и вместе с дренажем и водопроницаемыми плитами крепле-
ния рисбермы является пригрузкой, обеспечивающей местную
Устойчивость грунта основания в нижнем бьефе против выпора.
При проектировании надо добиваться того, чтобы точки резко-
го перелома подземного контура не лежали в области поверхност-
ного слоя основания, так как в последних градиенты и скорости
фильтрации теоретически стремятся к бесконечности (точка b на
рис. 1.14, в, г). Иначе, несмотря на устройство фильтра, в защи-
щаемом грунте неизбежно развитие деформаций суффозии и кон-
тактного выпора (о фильтрационных деформациях будет сказано
ниже). Поэтому конструкция плоского выхода недопустима. Сле-
довательно, острие зуба или шпунта должно располагаться на не-
которой достаточной глубине, обеспечивающей конечные (допус-
тимые) значения выходных градиентов на контакте грунта и
фильтра (рис. 1.14, а, б).
По данным исследований Белорусского научно-исследователь-
ского института мелиорации и луговодства (БелНИИМиЛ), тол-
щина слоя обратного фильтра додж не быть такой, ’гтобы в нем
сформировался грунтовой скелет соответствующего грануломет-
рического состава. По фильтрационным условиям она принимает-
ся не менее = (5. .7)1)^.
В зависимости от способа производства работ минимальную
толщину слоя фильтра принимают:
* при ручной укладке, разравнивании и уплотнении — 10 см;
• механической укладке, разравнивании и уплотнении —
20 см;
* отсыпке фильтра в текущую воду — не менее 75 см (для од-
нослойного фильтра) и не менее 50 см (для каждого последующе-
го слоя двухслойного и более фильтра).
Минимальная толщина дренажа по конструктивным и произ-
водственным соображениям принимается равной 0,2 м.
Число слоев обратного фильтра определяют в зависимости от
конкретных условий, однако всегда нужно стремиться к мини-
мальному их количеству.
Длина укладки фильтра (пригрузки) в нижнем бьефе опре-
деляется графоаналитически на основе сопоставления эпюры
выходных (максимальных) градиентов фильтрации по оси со-
оружения и допускаемого выходного градиента для грунта ос-
нования.
Методика подбора обратных фильтров более подробно изложе-
на в п. 3.2.).
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 соору-
жениях располагают за пределами водонепроницаемой части под-
земного 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 ос-
нования фильтрационным потоком под рисбермой укладывают
дренаж, защищенный обратным фильтром, или используют об-
ратные фильтры в качестве дренажа.
Дренажи (обратные фильтры), располагаемые под водонепро-
ницаемой 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 водо-
бойной плитой (рис. 1.18. 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. 1.18, в). В этом случае на обоих
участках контура фильтрационное противодавление будет снято.
Применяют и схемы с дренажем в конце понура (рис. 1.18, а),
когда в качестве дренажа используют галереи.
Устраивая дренаж под водобоем или под подошвой плотины,
необходимо обеспечить беспрепятственный отвод профильтро-
вавшейся воды в нижний бьеф. Для этого дренажи соединяют
с рисбермой или в плитах водобоя устраивают сквозные отвер-
стия, через которые и выпускают воду. Флютбеты со сквозными
отверстиями для выпуска воды в нижний бьеф называются сквоз-
ными.
Устройство дренажей (обратных фильтров) в пределах водоне-
проницаемой части подземного контура наряду с уменьшением
или полным снятием фильтрационного противодавления ведет
к увеличению гидравлических градиентов. Если эти градиенты
превосходят допускаемые, подземный контур удлиняют.
Рис. 1.18. 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
Шпунтовые стенки и их местоположение. Для увеличения
длины подземного контура, когда градиенты напора превосходят
допускаемые для грунта основания, применяют вертикальные
нротивофильтрационные элементы — шпунты, завесы, диафраг-
мы и зубья. Эти элементы, удлиняя путь фильтрации, снижают
фильтрационное давление на расположенные за ними горизон-
тальные элементы флютбета.
Шпунтовые ряды (завесы) в зависимости от глубины залега-
ния поверхности водоупора устраивают висячими (не доведенны-
ми до водоупора) или совершенными (доведенными до водоупора).
Их выполняют из дерева, металла и железобетона. Глубина их за-
бивки определяется прежде всего материалом, из которого они
сделаны. Деревянные шпунтовые стенки можно забивать на глу-
бину до 5...6 м, металлические — до 20..,30 м, но это не является
пределом их погружения. Забивать шпунтовые стенки на глуби-
ну меньше 2 м не рекомендуется.
В тех случаях, когда забивка шпунтов по каким-либо причи-
нам затруднительна или невыгодна, устраивают зубья, проти
вофильтрационные завесы методом «стена в грунте» или диа-
фрагмы.
Перед жестким понуром (обычно в анкерных понурах) для пе-
рекрытия возможной щели между ним и основанием всегда пре-
дусматривают зуб или шпунтовый ряд. Примыкание шпунтовых
рядов к бетонным элементам должно обеспечивать горизонталь-
ное перемещение и самостоятельную осадку сооружения без дав-
ления 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 водо-
бойную часть, в конце водобоя: (низовая шпунтовая стенка) —
для уменьшения выходных скоростей фильтрации или выход-
ных градиентов напора.
Глубина шпунтовых стенок определяется гидротехническим
расчетом. Шпунтовые стенки рекомендуется предварительно раз-
мещать на расстоянии, равном или большем суммы глубин сосед-
них шпунтов, т.е. I > (S, + Sa), где и S2 — соответственно глубина
шпунта в начале и конце горизонтального участка длиной I. При
более близком расположении шпунтов их эффективность резко
падает, и давление на горизонтальные элементы, расположенные
между ними, возрастает по сравнению с давлением, возникаю-
щим 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 соору-
жения от подмыва поверхностным потоком . В то же время он под-
пирает фильтрационный поток и вызывает увеличение фильтра-
ционного давления на водобой сооружения. Поэтому его длину.
$ М В. Нестерра
как правило, необходимо назначать оптимальной, в пределах ре-
комендованных БелНИИМиВХ1 значений по зависимости =
= (0,05...0,1)Т, но не более 5ШХ = (0,05...0,1)^.
Отклонение в меньшую сторону от рекомендованных значений
вызывает резкое возрастание выходных градиентов (причем
при /„-»«), в большую — ведет к возрастанию противо-
давления на флютбет и относительно незначительному уменьше-
нию максимальных выходных градиентов фильтрации.
На основании анализа работы и оценки положительного и от-
рицательного эффектов шпунтовых стенок П.Ф. Фильчаков пока-
зал, что устройство небольшого шпунта или зуба в конце водобоя
весьма желательно и не вызывает опасного повышения суммарно-
го противодавления на водобойную часть, когда его глубина нахо-
дится в следующих пределах:
S, = (0,02...0,05) 10, (1.52)
где 8И — глубина низового шпунта или зуба, м; 10 — горизонталь-
ная проекция водонепроницаемых частей флютбета, м.
Толщину низового зуба назначают конструктивно и обычно
принимают равной толщине плиты в конце водобоя.
Низовой шпунт обычно устраивают щелевым, чтобы не допус-
тить повышения давления фильтрационного потока на водобой и
защитить грунт основания от фильтрационных деформаций.
Шпунтовые стенки в подземном контуре могут быть в один,
два и реже три ряда. Их целесообразно применять при повышен-
ной водопроницаемости грунта основания. В глинистых грунтах
их забивать не рекомендуется, а недостающую длину подземного
контура следует развивать за счет горизонтальных путей фильт-
рации, увеличивая прежде всего длину понура.
Однорядные шпунтовые стенки в гидромелиоративных соору-
жениях можно расположить по различным схемам (рис. 1.19). По
величине фильтрационного давления на водобои схемы, изобра-
женные на рис. 1.19, а, б, равнозначны, но на практике применяют
схему 1.19, б, так как она в эксплуатационном отношении более
надежна. Забивка шпунтовых стенок в конце водобоя (рис. 1.19, а)
приводит к искусственному увеличению фильтрационного про-
тиводавления на водобой, а следовательно, толщина его будет
1 Позднее переименован в БелНИИМиЛ.
1.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации 67
больше. Исходя из этого шпунтовые стенки в конце водобоя заби-
вать не следует.
Схемы забивки двухрядных шпунтовых стенок приведены на
рис. 1-19, г...е. Из условия наименьшего противодавления на во-
добой схему 1.19, г следует считать наилучшей. В бетонных гид-
ромелиоративных сооружениях двухрядные шпунтовые стенки
применяют редко.
Рис. 1.19. Схемы расположения шпунтовых стенок в подземном контуре:
а, б, в — в один ряд; г, д, е — в два ряда
Борьба с контактной фильтрацией. Контактная фильтрация
представляет значительную опасность для прочности и устойчи-
вости 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 сле-
дует опасаться. В этом случае прочность контактного слоя грунта
является такой же, как и фильтрационная прочность грунта ос-
нования.
Чтобы предотвратить контактную фильтрацию, необходимо
соблюдать следующие правила.
1. Тщательно контролировать качество работ, связанных со
строительством элементов подземного контура регулирующего
сооружения.
6*
2. Строго соблюдать рекомендации инструкций по подготовке
поверхности основания сооружения (дна котлована). Ни в коем
случае не устраивать подготовку под бетонирование и понур в ви-
де слоя щебня или гравия. Для этого в зависимости от вида грунта
в основании сооружения, уровня грунтовых вод и прочих обстоя-
тельств следует использовать тощий бетон или плотный глинобе-
тон. Только при залегании в основании глинистых или суглини-
стых грунтов и разжижении их поверхности допускается устраи-
вать подготовку втрамбовыванием слоя щебня или гравия до тех
пор, пока поверхность основания не сделается плотной. В песча-
ных, песчано-гравелистых и глинистых грунтах в случае пони-
жения уровня грунтовых вод ниже дна котлована надо уклады-
вать бетонные и прочие водонепроницаемые элементы сооруже-
ния непосредственно на дно котлована.
3. Нельзя опирать дншце сооружения на шпунты и сваи. Замки
свай и металлических шпунтов необходимо заполнять утрамбо-
ванным грунтом, чтобы свести к минимуму их проницаемость и
исключить возможность возникновения сосредоточенной верти-
кальной 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) кон-
такт сопряжения должен проектироваться по возможности на-
клонным с устройством в месте примыкания шпунта водоне-
проницаемого фартука, уложенного с вертикальной складкой-
компенсатором с таким расчетом, чтобы при осадке исключить
раскрытие шва примыкания.
5. При использовании бесшпунтовой схемы флютбета жела-
тельно 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 водонепрони-
цаемы. Практически же между отдельными сваями из-за неплот-
ности замков имеются небольшие щели, через которые фильтру-
ется вода. Поэтому шпунтовые стенки в большей или меньшей
степени водопроницаемы. Материал флютбета также может быть
водопроницаем. Фильтрация воды через шпунтовые стенки и
флютбет ведет к изменению эпюры напоров.
Водопроницаемость шпунтовых стенок учитывают для двух
схем:
• водопроницаемый слой основания прорезается на всю глу-
бину шпунтовой стенкой;
• шпунтовая стенка является висячей в водопроницаемом
слое основания [63].
Проницаемость шпунтового ряда (стенки), доведенного до
водоупора, по Е.А. Чугаевой, может быть учтена путем замены
шпунтового ряда горизонтальным земляным массивом толщи-
ной /вр при условии, что и в том и в другом случае будут получены
одинаковые фильтрационные расходы. На рис. 1.20, а, б пред-
ставлена схема замены совершенного шпунта горизонтальным
элементом длиной /пр и построены эпюры напоров на сооружении
с учетом водопроницаемости шпунта. В результате обработки на-
турных данных установлено, что приведенную длину горизон-
тального элемента 1^, вводимого в расчет вместо водопроницае-
мого шпунта, можно назначать при хорошо кольматируемом
шпунтовом ряду в пределах 150...180 м, а при отсутствии уве-
ренности в кольматации щелей — 50 м.
Проницаемость висячего шпунтового ряда (по данным ВНИИ!’
им. Б.Е. Веденеева) рекомендуется учитывать в том случае, если
на графике lav/T=f(S/T) (рис. 1.20, в) точка пересечения коорди-
нат попадет в зону А. Учет водопроницаемости висячего шпунта
заключается во введении в расчетную схему укороченного шпунта
с помощью коэффициента о, определяемого по графику С.Н. Ну-
мерова зависимости а от отношений S/Ти q/T, где S — фактиче-
ская длина шпунта, м; <р — коэффициент, м (ср = 150...180); Т —
толщина основания до водоупора, м (рис. 1.20, г).
Для учета водопроницаемости бетонных, буробетонных и
других аналогичных завес И.С. Ронжиным составлен график
(рис. 1.20, д), позволяющий определять коэффициент приведе-
ния а,, который учитывает коэффициент фильтрации материала
завесы и основания. Расчетная глубина завесы Звр в этом случае
будет равна:
Snp = a3S, (1.53)
где S — фактическая глубина завесы.
Рис. 1.20. Учет водопроницаемости вертикальных элементов:
а — подземный контур с водопроницаемым шпунтом, доведенным до водо-
упора; б— приведенный подземный контур; в — график проверки водопрони-
цаемости висячего шпунта; г — график учета водопроницаемости висячего
шпунта; 9 — график учета водопроницаемости завесы; А — зова проницаемо-
сти шпунта; Б — эона практически непроницаемого шпунта; В — эона абсо-
лютно проницаемого шпунта
Полученную расчетную глубину включают в расчетную
схему для дальнейшего решения задачи.
Фильтрационные расчеты с учетом водопроницаемости флют-
бета . когда его коэффициент фи льтрации равен или бол ьше коэф-
фициента фильтрации грунта основания . L выполняют
по методике, излагаемой в специальных пособиях по фильтраци-
онному расчету.
Практически водопроницаемость флютбета можно не учиты-
вать, если исключить фильтрацию из него. Для этого по подошве
флютбета укладывают водонепроницаемый слой, например ас-
фальтобитумпую стяжку. В этом случае расчет ведут по схеме
с водонепроницаемым флютбетом.
1.3.2. Фильтрационные деформации
Понятие о фильтрационных деформациях. Фильтрационны-
ми деформациями называют деформации, возникающие в грун-
тах под действием фильтрационного потока., Способность грунта
сопротивляться фильтрационным деформациям называют фильт-
рационной прочностью грунта.
Различают безопасные фильтрационные деформации, кото-
рые с течением времени прекращаются и не влияют на цель-
ность сооружения, и опасные, в результате которых сооруже-
ние может деформироваться. При проектирования сооружений
на грунтовых основаниях, подверженных фильтрационным де-
формациям. ставится условие, чтобы опасных (недопустимых)
фильтрационных деформаций не было.
В нескальных грунтах возможны четыре вида фильтрацион-
ных деформаций: суффозии, фильтрационный выпор, контакт-
ный 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, коэффициен-
том неоднородности). Оценка возможности появления недопус-
тимых фильтрационных деформаций проводится для каждого
вида деформаций по своим показателям.
Суффозии. Различают механическую и химическую суффо-
зии. Механическая суффозия — это перемещение мелких час-
тиц 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 фильтраци-
онным потоком из грунтового массива. Химическая суффозия
характеризуется растворением содержащихся в грунте водорас-
творимых солей и выносом их фильтрационным потоком. В даль-
нейшем будем рассматривать только механическую суффозию
(сокращенно — суффозию).
Выносимые частицы могут свободно располагаться в порах
грунта или быть частично зацепленными. Более крупные части-
цы (частицы скелета грунта), хотя и претерпевают некоторые
повороты и микросдвиги, не совершают поступательного пере-
мещения под воздействием гидродинамических сил. В этом ко-
ренное отличие суффозии от деформаций выпора, для которого
характерно взвешивание и перемещение некоторой массы грун-
та 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 коэф-
фициентом неоднородности ц < 10...20. Экспериментальные ис-
следования показали, что суффозия в несвязных грунтах зави-
сит от коэффициента неоднородности грунта и гидравлического
градиента. На рис. 1.21 приведена кривая связи коэффициента ц
и минимальных (разрушающих) градиентов при которых
обеспечивается устойчивость грунта основания против суффозии.
Допускаемые градиенты Гт принимают меньше предельных раз-
рушающих градиентов, вводя коэффициент запаса.
Фильтрационный выпор. Этот вид фильтрационных деформа-
ций характеризуется отрывом и перемещением грунта восходя-
щим фильтрационным потоком. Отрыв и перемещение грунта
при выпоре происходит со всеми слагающими его фракциями.
Рис. 1.21. График зависимости = f(x\)
Встречаются две разновидности выпора:
• общее взвешивание, при котором взвешивается весь объем
грунта или же значительная его часть;
• выпор на небольших по площади участках, проявляющий-
ся в виде «ключей» или грифонов.
Хотя внешне обе разновидности значительно отличаются друг
от друга, в принципе они представляют собой две разновидно-
сти одного и того же явления. Деформации выпора имеют место
только при восходящем движении фильтрационного потока и
отсутствии пригрузки на поверхности грунта (недостаточной ее
величины для обеспечения общей устойчивости рассматривае-
мого объема грунта). Они присущи как связным (глинистым,
торфяным), так и несвязным (песчаным, песчано-гравелистым)
грунтам.
Фильтрационный выпор может происходить в месте примы-
кания водонепроницаемой части флютбета (например, водобоя)
к водопроницаемой части (рисберме), где наблюдается макси-
мальный градиент напора и фильтрационный поток направлен
снизу вверх (рис. 1.22).
В грунтовом массиве, в котором протекает фильтрационный
поток, фильтрационную силу Ф определяют по формуле
Ф = ужУГ, (1-54)
где — плотность воды; V — объем грунтового массива, в кото-
ром определяется фильтрационная сила; Р — градиент напора
в пределах рассматриваемого объема.
7Я 6Н 5Я П
П П П
Рас. 1.22. Схема к расчету выпора грунта
Если принять объем грунта равным единице (например, одно-
му кубическому метру), формула (1.54) примет вид Ф=и сила
будет выражена в Н/м* (тс/м*).
Фильтрационной силе, стремящейся поднять грунтовой мас-
сив, противодействует его собственный вес. Из условия равенства
этих сил определяется критический градиент напора I *р, превы-
шение которого повлечет к выпору грунта.
/Д>=^-(1-л),
Y-
(1.55)
где Угр — плотность грунта; п — пористость грунта (в долях еди-
ницы).
Критическое значение градиента напора обычно находится
в пределах 0,9...1,5, а иногда и больше. Это следует из форму-
лы (1.55), если в нее подставить значения уф и п, встречающиеся
в практике.
Фильтрационные расчеты сооружений проводят с учетом до-
пускаемого градиента на выпор, равного
/•
»р
К.’
где К, — коэффициент запаса (принимают равным 1,3...1,5).
Отсутствие выпора при фильтрационных расчетах сооруже-
ний оценивается условием 1*^ < 1т. Если условие /*р < 1^ не
обеспечивается, на слой обратного фильтра укладывают водопро-
ницаемую пригрузку из плит, камня или увеличивают длину
пути S. Толщину пригрузки можно определить по формуле
Abp=S(^-^)y1p/y^K.,
где 1*р — средний градиент напора в месте выхода фильтрацион-
ного потока в нижнем бьефе на вертикальных путях фильтрации
(определяют по формуле (1.39); у — плотность материала при-
грузки, взвешенного в воде.
Контактный выпор. Явление контактного выпора может иметь
место на выходе фильтрационного потока в нижний бьеф под рис-
берму, в дренаж, в крупнозернистую прослойку, а также при дви-
жении фильтрационного потока через слои обратного фильтра,
т.е. контактный выпор — это разрушение грунта на контакте
с более крупнозернистым материалом (фильтром) из-за выдавли-
вания фильтрационными силами некоторого его объема в поры
фильтра. При этом перемещаются все слагающие грунт частицы
(скелет и заполнитель).
Деформации контактного выпора присущи как связным (глини-
стым, торфяным), так и несвязным (песчаным, песчано-гравели-
стым) грунтам и могут иметь место при нормальном к плоскости
контакта (близком к нему) направлении движения фильтраци-
онного потока.
Различают контактный выпор в несвязных и связных грунтах.
В несвязных грунтах оценку возможности появления контакт-
ного выпора проводят по графику, на котором дана связь допус-
каемого градиентаи соотношения —------1— при различных
значениях коэффициента неоднородности крупнозернистого слоя
Т| = Dw/Dxq (рис. 1.23, а). Значения градиентов, расположенные
ниже соответствующей кривой ц, считаются допустимыми.
В связных грунтах при контактном выпоре наблюдается от-
слаивание глинистых частиц на некоторую глубину. Для оцен-
ки контактного выпора используют график, приведенный на
рис. 1.23, б. По горизонтальной оси этого графика отложен ко-
эффициент неоднородности пригрузки или обратного фильтра
т] =D^/D[0, а по вертикальной — средний диаметр частиц этого
грунта. Поле графика разделено кривой на две области — допус-
тимых 1 и недопустимых 2 характеристик. Если параметры
грунта окажутся в зоне допустимых характеристик, контакт-
ного выпора не будет.
Рис. 1.23. График для оценки условий контактного выпора:
а — песчаных грунтов; б — глинистых грунтов (7 — область недопустимых
характеристик; 2 — область допустимых характеристик)
При использовании графика ставится условие: при верти-
кальной фильтрации снизу вверх (I < 3) коэффициент влажно-
сти связного грунта должен равняться или быть больше 0,95,
а минимальный размер пор более крупного грунта jD„,. < 3 мм.
Контактный размыв. Этот вид фильтрационных деформаций
возникает под действием фильтрационного потока на контакте
двух различных по крупности грунтов (например, песка и гравия
или глины и смежного гравелистого грунта).
Происходит разрушение поверхности мелкозернистого грун-
та на контакте с более крупнозернистым в результате размыва
фильтрационным потоком, продольным к плоскости соприкос-
новения. Деформации контактного размыва характерны как для
связных, так и несвязных грунтов.
Контактный размыв может иметь место в обратных фильт-
рах и естественных основаниях сооружений при наличии про-
слоек из крупнозернистого материала, а также по контакту по-
дошвы сооружения с основанием. Возникает он в том случае,
если фактические градиенты напора на контакте двух грунтов
превосходят разрушающий градиент При расчетах допус-
тимый градиент принимают с учетом коэффициента запаса рав-
ным 1,5.
Значение зависит от соотношения диаметров двух смеж-
ных слоев £>10 и dl0 и коэффициента трения более мелкого грунта
tg<p. Исследования показали, что при &1-— < 10 допустимые гра-
dioW*
диенты фильтрации вдоль контакта > 1Д при ——>10 ве-
**
личина 1*'^ снижается до 0,1...0,02.
Для связных грунтов (например, глинистых) разрушающий
градиент 1^, при коэффициенте влажности, равном или больше
0,95, и минимальном диаметре смежного гравелистого грунта
•= 3 мм имеет величину — 0,6...0,8.
На рис. 1.24 представлен график ВНИИ ВОДГЕО для опреде-
ления =!«/ в зависимости от dl0 и В10(действующих диамет-
ров смежных слоев) и тангенса угла внутреннего трения более
мелкого грунта tgq>.
Рис. 1.24. Зависимость от Л,о /(сАоМ/ф)
Пример 1.1. Выполнить фильтрационный расчет флютбета методом
коэффициентов сопротивлений [1 4).
Исходные данные. Флютбет ш.дюза-регулятора приведен на рис. 1.25, а.
Грунт в основании сооружения — песок средней крупности с Т) = 8, коэф-
фициент фильтрации песка Кф = 5 м/сут, пористость грунта п = 0,42,
плотность твердых частиц грунта у, = 26,09 кН/м* (2,66 тс/м*), плот-
ность грунта уф = 15,13 кН/м’.
1. Заданный подземный контур упрощают (схематизируют): в нем
должны быть только вертикальные и горизонтальные пути фильтрации,
а основание должно быть разбито На фрагменты, как это показано на
рис. 1.25, б.
Необходимо заметить, что для подземного контура и фрагментов ос-
нования при П1) дгчете коэфф и ццентов :опр>it ивленнн по ни нору, вы х.од-
ному градиенту и фильтрационному расходу переменной величиной бу-
дет только .
Проекции СхемаТИзиронинНоГО поджимного контура равны: горизон-
тальная 1а = 19,0 м, вертикальная So = 4,8 м, их отношение lfr'S0 = 3,96-
Активвая эона во напору будет равна (1.22) Т'„ -2^SC, отсюда
43=12,0 м. Так как Тя = 30,0>Т^„ =12,0, расчет ведем при
= 12,0м. Активная зона по выходному градиенту принимается
7^ =27^, или 7^ =2 12,0 =24,0 м. Так как Тл =30,0 >Т^ =24fi м, рас-
чет ведем при =Т*кг =24,0 м, фильтрационный расход определяем
при 7^ =ТД =30,0 м.
2. Схематизированный подземный контур имеет 7 элементов: вход-
ной (I), шпунтовый (Ш), уступ (V), три горизонтальных (П, IV, VI) и вы-
ходной (VII) (рис. 1.25, б).
Коэффициенты сопротивления по напору при =Т^ет =12,0 м для
каждого элемента вычислены по формула м и сведены в табл .1.1. Сумма
всех коэффициентов сопротивления составит
££ = 0.48 + 0.42 + 0.74+0,44+0,10 + 0,45 + 0,64 = 3,27.
Таблица 1.1
Значения коэффициентов сопротивлений для отдельных участков
контура при активной зоне по напору
Участки контура Финч-'пы Расчетные формулы и значения коэффициентов гонротивагннЯ
Входной 1-2 If ^> = L_lLl + o,44 т, ^=«^« + 044 =0,48 12,0
I
Участия
контура
Горизон-
2-3
Шпунте
выА 3-5
Горизон-
тальный
5-6
Уступ 6-7
Горизон-
тальный
7-8
Выходной
8-10
Ф^*1венты
ill3»
3
I - ' Зщ,= 4,3
nmifnrmnnmi
5
:5
СЯ
_______ Окончание табл. 1.1
Расчаггыъи- форму.щ заяченяя коэффвцментов
ct-upOTKRieHnl
+ 9^1
т
7Л-0Д0 + 4,3)_
115
т.
h
ьГ
Z7Z
! -
; 5»зо г-
7777777777777777
115-10.2
11,5
= 0.74
S + 0J5S/T,
Г, ’ 1-0,75 S/T,
. . 33 05 3.0Д03
102 1-0,75 3.0.10,2
^ = 6,0
5
сч
*
и I
Ь‘ж,=3,0г5, ।
HtmmhwiinA.
Т
6.0-05(3J)t0)_
1и,2
7
3
т,
-1
5,
11,3
-0ДВ„ + Я„)
=6,(1
= 113_Ж2=0,1
Т
6,0 0Д1Д + 03)
mminnimnint
/‘""У/ро^
«
3;
и
м '/
(м 'tS - О^4
imiiiminini/n
ИЗ
= 0,45
т,-т
Т(
+l,5A+_W^l_+0,44
Т, 1-0,75 SIT,
= Иг?
12.0
03 0,5 0,841,3
11,3 1-0,75 0,8 11.3
+0,44=0,64
Рис. 1.25. К расчету флютбета по методу коэффициентов сопротивлений:
а — заданная геометрическая схема флютбета; б — схематизированный кон-
тур флютбета; в — эпюра фильтрационного противодавления; г — эпюра
взвешивающего противодавления
3. По (1.29), в которой Н/ХЕ, величина постоянная и для данного
примера равна 1,22, определяем потери напора в каждом элементе под-
земного контура. Они равны: на вход (I) = 1,22-0,48 = 0,59 м; на шпун-
товой стенке (III) Лшл= 1,22-0.74 = 0,90 м; на горизонтальном участке (II)
Л,_,= 1,22-0,42 = 0,51 м; на горизонтальном участке(IV) As_g= 1,22-0,44 =
= 0,54 м; на горизонтальном участке (VI) = 1,22-0,45 = 0,55 м; на ус-
тупе (У)кг<я= 1,22-0,10- 0,12 м; на выходе (VII) htm= 1,22-0,64 =0,78 м.
Эпюры фильтрационного и взвешивающего давлений показаны соот-
ветственно на рис. 1.25, 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
— 6 ]9 31 = 16334 кН (16,65 тс).
Сила взвешивающего противодавления на водобой
W, = (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 ув = 23,54 кН/м* составит:
G = (5-1,8 + 2-1,25 + 4,20-0,7 + 0,81,5) 23,54 = 368,17 кН (36,82 тс).
Коэффициент запаса устойчивости водобоя на всплывание
0.78+1ДЗ в 1,45 +
—-----— 6+ —----
2 2
Допускаемый коэффициент запаса Кд = 1,10. Так как Кд = 1,10 < К, =
= 1,19, устойчивость флютбета обеспечена.
5. Коэффициенты сопротивлений при =Т^т = 24,0 м подсчитаны
по тем же формулам, что и при определении напоров, результаты вычис-
лений их приведены в табл.1.2.
Максимальный выходной градиент по уровню дна нижнего бьефа оп-
ределяют по (1.36), при этом а = 0,33 берут по графику (см. рис. 1.12):
4
=-----------=0,27.
““ 24 0,33 1,89
Допускаемый градиент из условия отсутствия суффозии Гт =0,33
(см. график на рис. 1.21). Так как 1^, =0,33 >/м =0,27, фильтрацион-
ных деформаций не будет.
6 М. В. Нестарое
Значения коэффициентов сопротивлений
Таблица 1.2
______Участок контур*
Вход (Г)
Горизонтальный (ГГ)
Шпунтовый (/ГГ)
Горизонтальный (ГУ)
Уступ (V)
Горизонтальный (КГ)
Выход (КГ Г)
ц
0.43
0,21
0.33
0,20
0,06
0,20
0,46
1,89
6. Критический градиент на выпор при = 15,13 кН/м* и =
= 9,81 кН/м* определим по (1.50):
/’*=Wr'(1~0’42)=0’96-
При коэффициенте запаса К, = 1,8 допускаемый градиент составит
Средний фактический градиент по (1.39) будет равен
Так как =0,74>/ф =0,36, фильтрационного выпора не будет.
7. Удельный фильтрационный расход, проходящий в основании со-
оружений, определяем по (1.33):
4
7=5-1-=11,17м*/сут.,
А , • У
где = 1,79 вычислена при действительном значении водоупора, т.е.
=ТЯ =30,0 м (вычисления £ опущены).
Пример 1.2. По данным примера 1.1 (см. рис. 1.25, а) провести фильт-
рационный расчет по методу удлиненной контурной линии [14].
1. Для расчета используем схему флютбета (см. рис. 1.25, б). Действи-
тельная длина подземного контура по этой схеме ЬЛ=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
^=^ + 2,0 0,44^,
где — вычисляем как среднюю глубину при ГД, =12,0 м:
12,0+11,5 + 10,2+11,7+12,0 _
5
отсюда виртуальная длина = 30,2 + 2-0,44*11,48 = 40,3 м.
3. Градиенты напора по длине подземного контура, кроме входного и
выходного участков, определим по (1.45):
1ТЛ=— =0,10.
гж 40,3
4. Потери напора по длине подземного контура по отдельным участ-
кам приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Потери напора по длине подземного контура
Участок контура Длина участка, и Потери напора, и
1-2 5,55 0,55
2-3 7,00 0,69
3-5 7,30 0,72
5-6 6,00 0,60
6-7 1,10 0,11
7-8 6,00 0.60
8-10 7,35 0,78
Эпюра напоров по развернутой длине подземного контура, построен-
ная по приведенным табличным данным, показана на рис. 1.26. Из этой
эпюры градиенты напора на входном и выходном участках соответствен-
но будут
/и =^=1,1;/то =^=0,32.
“ 0,50 2,30
5. Сила фильтрационного противодавления на водобой
f 0,73+1,33 1,44+2,046) =1в3 04 кщ 16.3 тс).
♦ к 2 2 )
По методу коэффициентов сопротивлений (пример 1.1) эта сила была
определена равной 163,34 кН (16,65 тс), что дает практически полное
совпадение.
в*
Рис. 1.26. Эпюра фильтрационного давления, построенная для развернутого
подземного контура флютбета
6. Максимальный выходной градиент по дну нижнего бьефа опреде-
лим при =23,48 м (взято среднее значение), при этом виртуальная
длина L = 30,2 + 2-0,44-23,48 = 50,86.
_ . 4 10,33 ЛО1
Потери напора на выходном участкеЛм =-----=0,81 м.
50,86
0 81
Максимальный выходной градиент =—’— =0,35.
2,3
В случае весьма глубокого залегания действительного водоупора при
определении выходного градиента рекомендуется вводить коэффициент
запаса, равный 1,1.
1.4.
Гидротехнический расчет в условиях
пространственной фильтрации
1.4.1. Общие сведения
Понятие о пространственной схеме фильтрации. Данный метод
гидротехнического расчета сооружений в условиях пространст-
венной фильтрации разработан в лаборатории гидротехнических
сооружений Белорусского научно-исследовательского института
мелиорации и водного хозяйства (БелНИИМиВХ). В его основу
положена усовершенствованная методика гидротехнического рас-
1.4. Гидротехнический расчет в условиях пространственной фильтрации 85
чета сооружений с учетом пространственного растекания фильт-
рационного потока, полученная в результате теоретических обоб-
щений и аналитических интерпретаций обширных аналоговых
исследований трехмерной фильтрации, выполненных на про-
странственном приборе ЭГДА [13].
Пространственная схема фильтрации оказывает влияние на
грунтовой поток под сооружением при условии
X=bn/i0<2,5, (1.56)
где Ъ„ — ширина флютбета в свету или ширина водопропускного
отверстия сооружения.
В результате значительно возрастают максимальные выход-
ные и средние на выходном зубе (или шпунте) фильтра-
ционные градиенты. В отдельных случаях (при узком водослив-
ном фронте сооружения) пространственные градиенты могут
превышать плоские в пять и более раз.
В пространственной области фильтрации значительно увели-
чивается фильтрационное давление на флютбет (по сравнению
с плоской схемой фильтрации). В узких сооружениях превыше-
ние пространственных фильтрационных давлений на водобой над
плоскими может достигать двух-трехкратных (и более) значений
при прочих равных условиях [13, 46].
Существенным различием между пространственной и пло-
ской схемами фильтрации является неодинаковое распределе-
ние фильтрационных потерь напора на элементах подземного
контура сооружения. В пространственной области фильтрации
значительно уменьшается эффективность внутренних (верхо-
вых) шпунтов и уступов, зато заметно возрастают потери напора
на выходном (низовом) зубе или шпунте. Потери напора на вход
и на горизонтальных участках подземного контура (понур, водо-
бой) при пространственных и плоских схемах фильтрации также
различаются, хотя менее значительно, причем при пространст-
венной схеме потери на вход больше, а по длине — меньше.
Приведенные факты говорят о том, что гидротехнические со-
оружения, работающие в пространственной области фильтрации,
находятся в менее благоприятных условиях. Следовательно, если
не учитывать пространственное растекание потока, это в некоторых
случаях может привести к аварийному состоянию сооружения и
выходу его из строя из-за нарушения условий прочности и устой-
чивости нижнего бьефа.
Задачи, решаемые в условиях пространственной схемы фильт-
рации. В результате гидротехнического расчета сооружений в ус-
ловиях пространственной фильтрации решаются следующие за-
дачи:
строится эпюра фильтрационного давления на подошву под-
земного контура для статических и прочностных расчетов соору-
жения;
• определяется остаточный напор на острие выходного (низо-
вого) зуба (шпунта), а следовательно, находится средний выход-
ной градиент на зубе для расчетов местной устойчивости грунта
в выходном элементе подземного контура;
• рассчитывается величина максимального выходного гради-
ента (по оси сооружения) на поверхности дна нижнего бьефа для
расчетов местной фильтрационной прочности грунта основания
и подбора обратных фильтров дренажа.
Фильтрационный расход в условиях пространственной схемы
фильтрации определить не представляется возможным из-за не-
достаточной изученности вопроса. Однако следует отметить, что
в большинстве случаев использовать расход как расчетный пара-
метр фильтрационного потока при проектировании водоподпор-
ных сооружений нет необходимости.
В данном параграфе приводятся только те коррективы, кото-
рые требуется внести для определения численных значений коэф-
фициентов сопротивления и величин максимальных выходных
градиентов в связи с пространственным растеканием фильтраци-
онного потока. Поэтому для лучшего понимания рекомендуется
предварительно повторить метод коэффициентов сопротивления
Р.Р. Чугаева (см. п. 1.2.4).
1.4.2. Определение коэффициентов сопротивления
для элементов подземного контура в условиях
пространственного растекания фильтрационного потока
Коэффициенты сопротивлений элементов подземного конту-
ра с учетом пространственного растекания фильтрационного по-
тока определяются по следующим зависимостям.
1.4. Гидротехнический расчет в условиях пространственной фильтрации 87
Коэффициент сопротивления входного элемента контура:
(1.57)
где — коэффициент сопротивления входного элемента контура
для плоского потока; К„ = f(T/10, ba/lQ) — корректирующий ко-
эффициент, учитывающий пространственное растекание потока
(рассматривается: при беспшунтовом флютбете — по рис. 1.27,
при шпунтовом флютбете — по рис. 1.28).
Рис. 127. Корректирующий коэффициент К,ж = bB/lq) для входного
фрагмента при флютбете без внутреннего (верхового) шпунта
Коэффициент сопротивления внутреннего шпунта:
(1.58)
где — коэффициент сопротивления внутреннего шпунта для
плоского потока (определяют по (1.25); = Кш1Кш2 = f(T/10, bu/lQ,
— корректирующий коэффициент, учитывающий простран-
ственное растекание фильтрационного потока (определяется по
графикам на рис. 1.29,1.30).
Рис. 1.28. Корректирующий коэффициен К„ = Ъп/Щ для входного
фрагмента при флютбете с внутренним (верховым) шпунтом (Sm)
Рис. 129. Корректирующий коэффициент Ки1 = Д Т/1^, Ьл/1^ для
внутреннего (верхового) шпунта (Зш)
Рис. 1.30. Поправочный коэффициент Кш2 = bB/l0) на расположение
ш пунта в флютбете
Коэффициент сопротивления внутреннего уступа:
= (1.59)
где — коэффициент сопротивления внутреннего уступа для
плоского потока (определяется по (1.26); Кус = KyclK^.a =
6n/Z0, ^j/U — корректирующий коэффициент, учитывающий
пространственное растекание фильтрационного потока (опре-
деляется по графикам на рис. 1.29, 1.30).
Коэффициент сопротивления выходного элемента подземно-
го контура:
^.В₽ = КИИ^Х, (1.60)
где ^выж — коэффициент сопротивления выходного элемента кон-
тура для плоского потока; KIUI = bjl^i — корректирующий
коэффициент, учитывающий пространственное растекание фильт-
рационного потока (определяется: для шпунтового флютбета —
по рис. 1.31, для бесшпутнового — по рис. 1.32).
Коэффициенты сопротивления горизонтальных элементов
подземного контура с учетом пространственного растекания
фильтрационного потока яр в отличие от вертикальных опреде-
ляются следующим образом [46]. После того как рассчитаны все
пространственные коэффициенты сопротивления вертикальных
т
элементов подземного коптура, находится их сумма V ^(пр.Затем
<=1
определяется сумма всех плоских коэффициентов сопротивле-
ния Е,. элементов подземного контура [вертикальных и горизон-
Л
тальных), вычисленных по Р.Р. Чугаеву — У В соответствии
1-1
со спецификой разработанной методики эта сумма считается
неизменной как в плоских, так и пространственных условиях
фильтрации. Считается, что в случае пространственной схемы
фильтрации происходит перераспределение потерь фильтраци-
онного напора в пределах этой суммы.
Доля коэффициентов сонротивления, приходящаяся на гори-
зонтальные элементы, при пространственной схеме фильтрации
будет
u-61)
/-1 Z-1 1=1
п
где — сумма всех плоских коэффициентов сопротивления
hi
(горизонтальных и вертикальных) элементов подземного конту-
т
ра. вычисленных по Р.Р. Чугаеву; — сумма пространствен-
1-1
ных коэффициентов сопротивления только вертикальных эле-
ментов подземного контура.
Полученная по (1.61) разность распределяется между верхо-
вым (до внутреннего шпунта) и низовым 13 (от шпунта до конца
водонепроницаемой части флютбета) горизонтальными участка-
ми подземного контура с учетом неодинаковой интенсивности
потерь фильтрационного напора по длине участков.
Рис. 1.31. Корректирующий коэффициент К.^ = f(T/l^,
для выходного фрагмента при флютбете с внутренним
(верховым) шпунтом (Sm)
Коэффициенты сопротивления верхового и низового горизон-
тальных участков подземного контура с учетом пространствен-
ного растекания фильтрационного потока вычисляются соответ-
ственно по формулам *
"г,п₽ = K..Z, +1,
(1.62)
Е^г.пр
^’w = k^vz,+i
(1.63)
где K„ = f(T/10, ЬП/10) — корректирующий коэффициент, учиты-
вающий пространственное растекание фильтрационного потока
и представляющий собой отношение интенсивностей потерь на
верховом и низовом 13 участках подземного контура.
Корректирующий коэффициент для шпунтового флютбета
определяется по следующему графику (рис. 1.33). Для флютбе-
тов без верхового (внутреннего) шпунта корректирующий коэф-
фициент К„ = 1, т.е. потери по длине распределяются прямо про-
порционально длинам горизонтальных участков.
Рис. 1.33. Корректирующий коэффициент К„ = Ъя/1^ для флютбетов
с внутренним (верховым) шпунтом (Яш)
n = I, II, III, IV,..., N, (1.64)
Так же распределяются значения коэффициентов сопротивле-
ний для верхового ^1пр и низового участков подземного кон-
тура, если они, в свою очередь, состоят из нескольких участков:
t >(<)
<п) _ ^rlnp l
rln₽ I,
F £(М)
= lrgp--2_ n = I, II, III, IV,..., N, (1.65)
^2
где п — номер горизонтального участка.
В случае бесшпунтового флютбета пространственные коэффи-
циенты сопротивлений на отдельных горизонтальных участках
вычисляются по зависимости
’ (166)
*0
где 110я} — длина п-го горизонтального участка; 10 — общая длина
горизонтальных участков.
Величины максимальных выходных градиентов. Значения
/ВЫХ Ор по оси сооружения с учетом пространственного растека-
ния фильтрационного потока находят по зависимости
= ^,1^, (1.67)
где Iaia — максимальный выходной градиент фильтрации для
плоского потока (определяемый по (1.36) или (1.38); К, = f(T/10,
&п/(0) — корректирующий коэффициент, учитывающий простран-
ственное растекание фильтрационного потока (определяется по
графикам: для флютбетов с внутренним (верховым) шпунтом —
по рис. 1.34, для флютбетов без внутреннего (верхового) шпун-
та — по рис. 1.35).
Значения выходных градиентов фильтрации на поверхности
грунта основания в нижнем бьефе по оси сооружения на любом
расстоянии от конца флютбета х рассчитываются по графику
С.Н. Нумерова в зависимости от x/S,ux и Sm/T (см. рис. 1.13),
причем в случае пространственной области фильтрации по оси
ординат следует откладывать величину I „„вместо I/1ЫХ.
Рис. 1.34. Корректирующий коэффициент К; *= f(T/l^, ba/l^ для флютбетов
с внутренним (верховым) шпунтом (Зш)
Рис. 1.35. Корректирующий коэффициент К; = flT/lq, bu/l^ для флютбетов
без внутреннего (верхового) шпунта
1.4.3. Порядок фильтрационного расчета подземного
контура водоподпорного сооружения с учетом
пространственного растекания фильтрационного потока
Гидротехнический расчет подземного контура водоподпорного
сооружения, характеризуемого пространственной областью фильт-
рации (X < 2,5), ведется в такой последовательности. Предвари-
тельно выбранный подземный контур сопрягающего сооружения
с ориентировочно назначенными размерами схематизируют и
разбивают на отдельные элементы. Затем в зависимости от вели-
чины отношения l0/S0 устанавливают активные пТ"к и расчет-
ные глубины залегания водоупора Т^.ч, Т^,, по которым опреде-
ляют коэффициенты сопротивления элементов подземного кон-
тура для плоской схемы фильтрации.
Далее находят корректирующие коэффициенты К, вертикальных
элементов контура и определяют коэффициенты сопротивления
^прдля вертикальных элементов подземного контура с учетом про-
странственного растекания фильтрационного потока.
Находят сумму плоских коэффициентов сопротивления (вер-
тикальных и горизонтальных), вычисленных по Р.Р. Чугаеву
Л
и сумму откорректированных (пространственных), только
ш
вертикальных, коэффициентов сопротивления ^§inp.
1-1
Затем рассчитывают долю коэффициентов, приходящуюся на
горизонтальные элементы в пространственных условиях фильт-
рации, и распределяют по длинам слагающих их отрезков по вы-
шеизложенной методике.
После этого строят эпюру фильтрационного давления на флют-
бет по зависимости
А =Н_^Е_, (1.68)
* д
/«1
где — потери напора на i-м элементе подземного контура; Н —
напор на сооружении; пр — пространственный коэффициент со-
противления рассматриваемого i-ro элемента подземного конту-
Л
pa; ^^1пр — сумма всех пространственных коэффициентов (вер-
1-1
тикальных и горизонтальных) сопротивления (численно равна
сумме коэффициентов сопротивления для плоской задачи по
Р.Р. Чугаеву £^).
В случае так называемого плоского входа или выхода произво-
дят корректировку потерь напора на вход Л,х ,р и выход
аналогично плоской задаче (см. с. 49).
Подобным образом учитывается пространственное растекание
потока при расчете максимальных выходных градиентов фильт-
рации 1^.
1.5.
Оценка фильтрационной прочности
и устойчивости грунтов в области
фильтрации
Размеры элементов водонепроницаемого подземного контура
водоподпорного сооружения в итоге должны обеспечить необхо-
димую фильтрационную прочность и устойчивость грунта, сла-
гающего область фильтрации. В этой связи выбор соответствую-
щего критерия, позволяющего судить о надежности запроектиро-
ванного подземного контура, имеет первостепенное значение.
Ниже приведена методика оценки фильтрационной прочности
и устойчивости грунтов в области фильтрации, разработанная
в лаборатории гидротехнических сооружений БелНИИМиВХ
(Ю.Ф. Буртыс, П.К. Черник, А.С. Титов и др.). Согласно ей грунт
основания считается прочным и устойчивым, если выполняются
следующие три условия: общей фильтрационной прочности, ме-
стной фильтрационной прочности, местной фильтрационной ус-
тойчивости.
Условие общей фильтрационной прочности — осреднен-
ный градиент фильтрации по контакту водонепроницаемой час-
ти подземного контура не должен превышать допустимых ве-
личин, установленных на основании обобщения многолетнего
опыта строительства и эксплуатации гидросооружений, т.е.
ГСР
(1.69)
IV и
где Jjp — осредненный градиент в расчетной области фильтрации,
определяемый по (1.40); — осредненный расчетный критиче-
ский градиент фильтрации (принимается по табл. 3.20 в зависи-
мости от вида грунта основания); К, — коэффициент надежности,
учитывающий степень ответственности, капитальность и значи-
мость последствий при наступлении предельных состояний (при-
нимается по табл. 6.8).
Условие местной фильтрационной прочности — максималь-
ные выходные градиенты фильтрации в плоскости контакта грун-
та и фильтра (по оси сооружения) ар должны быть меньше или
равны их допускаемым величинам, т.е.
^.ор=Л. (I’70)
где 1Я — допускаемый градиент фильтрации для рассматриваемо-
го грунта, устанавливаемый из расчета недопущения появлений
деформаций суффозии и контактного выпора в контактной об-
ласти.
Исследованиями ВНИИ ВОДГЕО установлено, что при отсут-
ствии пригрузки в месте выхода фильтрационного потока
/• = 0,3...0,4 при т] = 10;
I' =0,2 при 10<т|<20; (1.71)
I' =0,1 при Т] >20,
где Ц — допускаемый градиент суффозии; Т] = — коэффици-
<1ю
ент неоднородности; dw и d10 — соответственно контролирующий
и действующий размеры частиц, мельче которых в грунте содер-
жится соответственно 60 и 10 % по массе (определяются по кри-
вой гранулометрического состава грунта).
7 М. В. Нестеров
По данным ВНИИ ВОДГЕО, при ц = 10 в грунтах суффозия не
развивается и может возникать только выпор.
Фильтрационный выпор непригруженного грунта учитывают
при Г) < 10 по условию
^.Пр<Л’=^ (1-72)
где 7* — допустимый градиент выпора; — критический гради-
ент выпора.
Значение критического градиента выпора грунта в восходя-
щем потоке при отсутствии пригрузки в месте выхода потока на
поверхность приближенно можно определить по формуле Е.А. За-
марина:
(у,-у„Х1-л)
----'+0,5п, (1.73)
Y.
где у, и у„ — соответственно плотность частиц грунта и воды; п —
пористость грунта.
Если окажется, что 7,,,, яр > I*, то необходимо устраивать
пригрузку. Толщина слоя пригрузки (обратного фильтра) мо-
жет быть определена по зависимости Р.Р. Чугаева:
t = (1.74)
4 Пр
где S — толщина слоя, подверженного выпору; упр — плотность
сухого грунта (фильтра) пригрузки; К, — коэффициент запаса
(К, = 1,2...1,5 в зависимости от класса сооружения).
Условие местной фильтрационной устойчивости — объем
грунта, слагающего основание в выходном элементе подземного
контура, должен быть достаточно устойчивым к возникновению
местного выпора и, что то же самое, к потери устойчивости.
Оценку местной устойчивости основания сооружения со сто-
роны нижнего бьефа для несвязных грунтов (или связных, если
принять (в запас) сцепление С = 0) из расчета возможности воз-
никновения местного выпора грунта рекомендуется производить
по способу В.С. Баумгарта и Р.Н. Давиденкова, т.е. должно со-
блюдаться условие
е +*
(1.75)
1^50
где hx — величина остаточного напора на конце выходного зуба
(или шпунта); SIUI — заглубление низового зуба (или шпунта)
в основание, считая от плоскости контакта грунта и первого слоя
фильтра; t — толщина слоя пригрузки, состоящей из обратного
фильтра, дренажа и плиты (или отмостки) рисбермы.
Если условие (1.75) выполнено, то выпор грунта невозможен.
В противном случае необходимо увеличить толщину пригрузки t
или же величину заглубления зуба S№, что эквивалентно умень-
шению среднего выходного градиента Гр.
Устойчивость несвязного грунта из условия недопущения воз-
никновения местного выпора в нижнем бьефе можно проверять
также неравенством
(1-76)
где Гр — средний выходной градиент (определяется по (1.39); у”
и у “* — соответственно плотность грунта основания и материала
слоя пригрузки во взвешенном состоянии, определяемые по за-
висимости
7«(Г“) =(1-»Xy. -7 J = (1-77)
где п — пористость грунта основания или материала фильтра;
у, — плотность твердых частиц грунта основания или твердых
частиц материала фильтра; е — коэффициент пористости грунта
основания или материала фильтра.
Казалось бы, в условиях пространственной фильтрации, если
подземный контур сооружения не обеспечивает условий местной
прочности и устойчивости в нижнем бьефе с учетом значительно
меньшей эффективности внутренних шпунтов и уступов в сни-
жении фильтрационного напора, целесообразнее развивать под-
7*
земный контур до необходимых размеров только за счет увеличе-
ния длин горизонтальных элементов подземного контура (напри-
мер, понура). Однако по данным БелНИИМиВХ, для данного
случая увеличение горизонтальных путей фильтрации менее эф-
фективно, чем в условиях плоской фильтрации. Это объясняется
тем, что при увеличении длины горизонтальных элементов под-
земного контура /0 уменьшается коэффициент А. = Ьп/(0, харак-
теризующий пространственную схему фильтрации сооружения.
И следовательно, возрастает влияние пространственного расте-
кания фильтрационного потока на увеличение его основных рас-
четных параметров: фильтрационного давления, остаточного на-
пора, градиентов фильтрации (средних на выходном зубе (или
шпунте) и максимальных на выходе). В результате цель достига-
ется очень медленно, причем размеры горизонтальных элемен-
тов подземного контура, как правило, намного превышают реко-
мендованные оптимальные значения. Гораздо быстрее выполнение
условий местной прочности и устойчивости в нижнем бьефе можно
достичь увеличением длины верхового шпунта и расположением
его по возможности со стороны верхнего бьефа или же рациональ-
ным сочетанием одновременного увеличения длин как вертикаль-
ных, так и горизонтальных элементов подземного контура.
Выполнения условий местной прочности и устойчивости в ниж-
нем бьефе можно добиться и за счет увеличения глубины выход-
ного зуба или шпунта. Следует отметить, что в пространствен-
ных условиях фильтрации этот прием из-за сильного подпора,
оказываемого выходным зубом или шпунтом, менее рационален,
так как связан с интенсивным возрастанием фильтрационного
давления на водобое и остаточного напора на выходном зубе или
шпунте. В результате выполнение условия местной фильтраци-
онной устойчивости против выпора в нижнем бьефе нередко мо-
жет быть достигнуто только за пределами оптимальных размеров
подземного контура сооружения.
Недостаточно оправдано и применение в упомянутых выше це-
лях специально подобранных обратных фильтров, так как это не-
избежно связано с увеличением напряженности их работы (что ог-
раничивается величинами допускаемых градиентов фильтрации
при контактном выпоре I, = 1,5...2,0) и необходимостью располо-
жения их под плитой водобоя. Последнее обстоятельство непре-
менно осложнит условия работы и контроля фильтров, а также
затруднит их замену. Расположенный за пределами водобойной
плиты (за зубом или шпунтом) напряженно работающий обрат-
ный фильтр (совместно с пригружаемым грунтом) не сможет
обеспечить условия местной устойчивости нижнего бьефа про-
тив деформаций выпора.
Следовательно, при значительных напорах на сооружении дос-
тичь выполнения условий местной фильтрационной прочности и
устойчивости в нижнем бьефе при пространственной фильтрации
намного труднее, чем при плоской. Основным средством при этом
остается, как ни парадоксально, значительно менее эффективный
в гашении фильтрационного напора внутренний шпунт. В то же
время при менее значительных напорах, когда условия фильтра-
ционной прочности и устойчивости сооружения это позволяют,
можно использовать флютбеты без внутреннего шпунта (бесшпун-
товые), но с выходным зубом (или шпунтом).
Фильтрация воды в береговых
примыканиях
1.6.1. Общие сведения
Бетонные гидротехнические сооружения примыкают своими
торцевыми частями — устоями к берегам или грунтовым плоти-
нам. При наличии подпора, создаваемого ими, в грунтах берего-
вых примыканий возникает обходной фильтрационный поток,
направленный от верхнего бьефа к нижнему.
Фильтрационный поток в зоне обходной фильтрации носит
пространственный (трехмерный) характер. Точно определить па-
раметры такого сложного фильтрационного потока затрудни-
тельно. Фильтрационный поток, обтекающий береговые устои,
является безнапорным. Случай напорной фильтрации за устоем
возможен, но он встречается очень редко (в пластах, ограничен-
ных сверху и снизу водоупорами).
Обходная фильтрация оказывает силовое воздействие на обте-
каемый устой, что приводит к увеличению его размеров. Для
уменьшения гидростатического давления фильтрационного по-
тока со стороны засыпки нужно понизить отметки поверхности
депрессионной кривой. Это достигается устройством обратных
стенок, установкой водонепроницаемых диафрагм и применени-
ем дренажа.
1.6.2. Фильтрационные расчеты
Учитывая пространственный характер фильтрационного по-
тока, обтекающего устой, для сооружении 1 и II классов задачи
обходной фильтрации решают моделированием методом ЭГДА.
Для низкоиапорных 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 по-
верхности устоя сводится к построению опоясывающей устой
кривой депрессии.
При упрощенном методе расчета обходной фильтрации при-
нимают плоскую схему по контакту тыловой поверхности устоя
с грунтом засыпки. В грунтовых плотинах линию контакта на-
зывают 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. 1.36.
Расчетная схема такой фильтрации приведена на рис. 1.37, б.
Для построения кривой депрессии используют формулу Дюпюи:
Лх (1.78)
где hx и х — координаты кривой депрессии;
Lo = L„ +0,4/7, +0,4И2, (1.79)
Lyp — расстояние между уровнями воды в верхнем и нижнем бье-
фах по развернутой длине берегового устоя (между точками А и В
на рис. 1.37).
Рис. 1.36. План устоя с обратными стенками (а) и кривая депрессии
в примыкании к устою (б):
/_6 — опоясывающая устой кривая депрессии; 7 — затворы; 8 — устой; 9 —
обратные стенки; 10,13 — урезы воды в нижнем и верхнем бьефах; 11 — гид-
роиаогинсы; 12 — линии токов
Рис. 1.3 7.План устоя с примыкающими к нему сопрягающими стенками
и с диафрагмой (а) и схема для расчетов по упрощенному методу
Р.Р. Чугаева (0):
1—9 — развертка устоя; 10 — затвор; 11 — устой; 12 — обратная стенка; 13 —
диафрагма; 14 — кривая депрессии
Дополнительные потери напора на вход и выход в грунтовом
массиве учитываются значениями 0,4Н( и 0,4Н2.
Все параметры, входящие в (1.78), определяют по расчетной
схеме, вычерченной в масштабе.
Средний градиент напора на контакте грунт — бетон:
(1.80)
ь0
Удельный фильтрационный расход для рассматриваемой схе-
мы равен
ктн.'-я?) «=-^ ‘Л (1.81)
где Кф — коэффициент фильтрации грунта обратной засыпки.
Фильтрация в обход береговых примыканий плотин из грун-
товых материалов рассмотрена в п. 3.3.5.
КАНАЛЫ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ
СООРУЖЕНИЯ НА НИХ
Каналы
2.1.1. Общие сведения
Каналами называют водопропускные сооружения, предназна-
ченные для транспортирования воды из одного пункта в другой и
представляющие собой открытые искусственные русла правиль-
ных очертаний.
Основные геометрические характеристики канала (рис. 2.1):
ширина по дну Ь, строительная ширина В„ и глубина Н„ канала,
коэффициент заложения откоса т, превышение гребня дамб ка-
налов над наивысшим уровнем воды ДЛ.
Поперечное (живое) сечение каналов выполняют прямоуголь-
ным, трапецеидальным, полигональным, полукруглым, парабо-
лическим и др. Уклон их дна может быть прямым, обратным и
нулевым. Каналы с обратным уклоном устраивают там, где необ-
ходимо погасить скорость потока, а также в качестве подводя-
щих и отводящих для гидроэлектростанций, насосных станций.
Нулевой уклон часто имеют деривационные и судоходные кана-
лы.
По пропускной способности различают каналы (м*/с):
• очень малые — менее 5;
• малые — 5...35;
• средние—35...350;
• большие — 350...800;
• очень большие — более 800.
По назначению каналы подразделяют:
• на мелиоративные (осушительные, оросительные);
• деривационные;
• водопроводные (рис. 2.2, а, б);
• судоходные (рис. 2.2, в);
• обводнительные;
• лесосплавные;
• рыбоводные и др.
Рис. 2.1. Формы и размеры живого сечения каналов:
а — трапецеидальная; 0 — 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
а
Рис. 22. Схемы водопроводных и судоходного каналов:
а, б — водопроводные самотечный и с машинным водоподъемом; в — судо-
ходный; 1,5, 9, 13 — сооружения, соответственно головное водозаборное,
подпорное, сопрягающее, регулирующее; 2 — холостой или аварийный
сброс; 3 — акведук; 4 — дюкер; в — туннель; 7 — автомобильная дорога; 8 —
труба под насыпью; 10,12,18, 22 — каналы, соответственно младших поряд-
ков, магистральный, отводящий, подводящий; 11 — вододелитель; 14 — при-
токи реки, ручьи; 15 — река; 16— направляющая шпора; 17 — аванкамера;
19 — мост; 20 — насосная станция; 21 — напорные трубопроводы; 23 — за-
градительные ворота; 24 — паром; 25 — водозабор на водоснабжение; 26 —
пристань; 27 — судоходный шлюз; 28 — железная дорога
В зависимости от назначения каждому их типу присущи харак-
терные особенности. Осушительные каналы сооружают для осу-
шения заболоченных и подтопленных территорий и отвода дре-
нажных вод в водотоки, поэтому их прокладывают в понижениях
рельефа. Оросительные каналы подают воду на поля ороситель-
ных систем — они должны быть расположены на отметках, обес-
печивающих «командование» канала над возможно большей оро-
шаемой площадью. Судоходные каналы входят в состав какого-
либо водного пути и должны иметь трассу и форму поперечного се-
чения, отвечающие габаритным размерам пропускаемых судов,
а также допустимую для судоходства скорость течения. Энерге-
тические каналы обычно подводят воду к деривационным гидро-
электростанциям и имеют минимальный прямой уклон дна (для
уменьшения потерь напора). Водопроводные каналы сооружают
для водоснабжения городов, поселков и промышленных пред-
приятий, поэтому они должны обладать повышенной надежно-
стью, обеспечивающей их непрерывную работу на протяжении
всего года. Обводнительные каналы подают воду в безводные и
маловодные сельскохозяйственные районы, рыбоходные снабжа-
ют водой нерестилища, обеспечивают пропуск рыбы в обход гид-
ротехнических сооружений и должны отвечать условиям и осо-
бенностям движения рыбы.
2.1.2. Гидравлический расчет каналов
Виды движения потока и расчетные условия. В каналах раз-
личают следующие основные виды движения потока:
• установившееся, при котором скорость в любой точке заня-
того им пространства (сечения) не изменяется во времени;
• не установившееся, при котором скорость во всех точках за-
нятого им пространства изменяется по значению и(или) направ-
лению.
При установившемся виде движения потока различают сле-
дующие режимы'.
• равномерный, при котором средние скорости потока воды
в живых сечениях по длине русла одинаковы по значению;
• неравномерный, при котором скорости потока воды в жи-
вых сечениях по длине русла неодинаковы.
Кроме того, при любом виде движения поток может Цахпдить.
ся в спокойном или бурном состоянии.
Обычно при гидравлических расчетах каналов исходят ц3 рав
номерности движения в нем потока. Кроме того, выполняются
проверочные расчеты на неравномерные режимы движении пото-
ка в канале, возникающие при подпорах и спадах поверхности
воды вследствие изменения по длине уклона, шерохова>ости пло.
щади и формы поперечного сечения, а также возникновения волн
перемещения, приводящих в движение большие Maccjj в^ды (во
время паводков, половодий, при пропусках, прорывах и т.д
На мелиоративных каналах расчетными расходами являют-
ся весенние паводковые, предпосевные, летне-осенние поводко-
вые, меженные (бытовые). Пропуск расходов весеннего Полово-
дья обычно осуществляется в бровках канала или с затоплением
территории. Летне-осенние паводковые расходы воды Должны
проходить внутри русла, при этом их уровни должцы ^ыть на
0,3...0,4 м ниже бровок.
Задачи расчета. Основной задачей гидравлического расЧета
существующего канала является определение nponyCKljo$ спо.
собности русла, имеющего известные размеры. Пропуск11уЮ спо.
собность каналов мелиоративных систем определяет для сле-
дующих створов: в устье канала; выше и ниже впадения каждого
гидравлически рассчитываемого канала; при смене уклонов-
при изменении геологических (грунтовых) условий Нй
канала.
При проектировании нового канала требуется рассчитать его
основные размеры с заданным расходом. Для этого Необходимо-
• принять форму и определить основные размерь) поперечно-
го сечения;
• установить режим движения потока;
• определить наиболее благоприятный скоростной режим и
с его учетом (при необходимости) назначить тип крепления
Порядок выполнения гидравлического расчета {на пример,,
мелиоративного канала).
1. Определяют и анализируют следующие основные данные-
• расчетные расходы — устанавливают на осног1аНци гпд
логических расчетов;
• уклон дна — определяют на расчетном участке по продоль-
ному профилю канала в соответствии с топографическими и ин-
женерно-геологическими условиями;
• коэффициент заложения откосов;
• коэффициент шероховатости;
* физические и физико-механические характеристики грун-
тов.
2. Из условий равномерного движения потока в канале по за-
данному расходу (обычно максимальному) определяют глубину
наполнения и ширину канала по дну. Проверяют условие обеспе-
чения средних скоростей потока в пределах, не допускающих
размыв русла.
3. Определяют глубину наполнения канала при пропуске ми-
нимальных (меженных) расходов. Проверяют условие обеспече-
ния средних скоростей потока в пределах, не допускающих заи-
ления (зарастания) каналов.
4. Выполняют проверочные расчеты на неравномерные режи-
мы движения потока в канале.
5. Подбирают конструкцию канала; максимальную и сред-
нюю по длине расчетного участка строительную глубину русла
(устанавливают исходя из требований сопряжения сети в верти-
кальной плоскости).
Основные расчетные зависимости. В случае равномерного
движения в каналах для расчета используется формула Шези,
которая имеет вид
Q = (oCVffi, (2.1)
где Q — расчетный расход, м’/с; (0 — площадь живого сечения по-
тока, м2; С — коэффициент Шези, м0,8/с; R = со/х — гидравличе-
ский радиус, м (х — смоченный периметр, м); I — уклон дна кана-
ла (/ = sina, где a — угол наклона дна канала).
Для удобства гидравлического расчета каналов пользуются
расходной и скоростной характеристиками каналов.
Расходная характеристика (модуль расхода) определяется
по формуле
К = wC4R = —. м’/с. (2.2)
Скоростная характеристика (модуль скорости} рассчитыва-
ются по формуле
Ма=С4Й=^ м/с.
(2.3)
где v — средняя скорость, м/с.
Для определения коэффициента Шези С предложен ряд фор-
мул. Так, для расчета каналов применяют формулу НИ. Павлов
ского (при R = 0,1...3,0 м и п = 0,001...0,04):
С = -Я*
и
(2-4)
у = 2Д/л -0ДЗ-0,75ТН(7п -ОД), (2.5)
где л — коэффициент шероховатости (принимают по таблице
приложения 2).
Для приближенных расчетов Н.Н. Павловский рекомендовал
упрощенные формулы: приЯ=0,1...1,0м у = 1&/п, приЯ= 1...3 м
|/ = 1,з7л.
При R > 3 м применяют формулу ГЛ. Железнякова, которая
имеет вид:
с = Я- - ^(i-igB)]+.|Щ-^(1-1гЯ)1 + +7iig.fi].
2[п 0,13 ] у4[п 0,13 J 0,13\л )
(2.6)
Для определения коэффициента С может быть применена и
полуэмпирическая формула ИИ. Агроскина:
С = i+17.721g.fi.
п
(2.7)
СНиП 2.06.03-85 допускает определять коэффициент Шези
по формуле
С = —+(27,5-300n)lgR
л
(2.8)
Для различных коэффициентов шероховатости в приложе-
нии 4 приведены значения коэффициента Шези, вычисленные
по формуле Н.Н. Павловского.
Форма поперечного сечения и трасса канала. Форму и размер
живого сечения канала выбирают с учетом целого ряда факто-
ров: геологических условий; удобства производства работ при
строительстве; благоприятного гидравлического режима (обес-
печения заданной пропускной способности, глубины и допусти-
мых 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
co = (b + mh)A, (2.9)
где Ь — ширина канала по дну; т — коэффициент заложения от-
коса (тп = ctgQ, 9 — угол наклона откоса); h — глубина воды в ка-
нале.
Длина смоченного периметра рассчитывается по формуле
Х=Ь+2йл/1 + тп2. (2.10)
Если известна относительная ширина канала по дну р = b/h,
тогда <о = йа(Р + гл), х = й(р+2-71+m2).
Прямоугольное сечение русла представляет собой частный
случай трапецеидального при т = 0, а треугольное — при Ь - 0.
Часто каналы проектируют с гидравлически наивыгоднейшим
сечением — у них при заданной площади поперечного сечения и
уклоне пропускная способность максимальна. Такое сечение име-
ет наибольшее значение гидравлического радиуса.
Для гидравлически наивыгоднейшего сечения трапецеидаль-
ных каналов справедливо соотношение
— = Р г.в = 2(Vl+m2 - тп).
h
При этом гидравлический радиус R = 0,5Л.
Гидравлически наивыгоднейшее сечение обычно рекоменду-
ют применять для каналов:
• устраиваемых в скальных и полускальных грунтах;
• с искусственной облицовкой (лотки, бетонированные кана-
лы и т.п.);
• проектируемых с минимальными уклонами;
• имеющих малые расходы воды.
Форму и размеры живого сечения судоходных каналов опре-
деляют исходя из проектной ширины и глубины судового хода,
устойчивости откосов к воздействию судовых волн, возможности
безопасного маневрирования судна при устойчивой частоте вра-
щения 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 насы-
пи, приходится предусматривать значительное число ливнеспус-
ков для пропуска поверхностного стока с водосбросов, примы-
кающих к насыпи, что увеличивает стоимость таких каналов.
При прохождении в неустойчивых грунтах (просадочных,
плывунных и т.п.) геометрические параметры сечений назна-
чают с учетом мероприятий по стабилизации основания и от-
косов канала.
Ширину бермы или дамбы канала назначают в соответствии
с техническими характеристиками машин и технологией произ-
водства работ по устройству русла канала, противофильтрацион-
ных и защитных мероприятий. Минимальную ширину дамбы
принимают на основании фильтрационных расчетов.
Превышение гребня дамб и бровки берм над максимальным
уровнем воды в канале определяют: при расходе до 100 м’/с —по
табл. 2.1. при расходе свыше 100 м3/с — с учетом волнового воз-
действия.
В откосах каналов, проходящих в выемках глубже 5 м, для
повышения их устойчивости устраивают промежуточные бермы.
Бермы шириной 1...3 м располагают выше максимального уров-
ня воды через каждые 5 м по высоте. Вдоль берм устраивают кю-
веты для сбора ливневых вод. Первую берму делают на высоте
А + ДА (А — максимальная глубина воды в канале; ДА — превы-
шение бермы).
Радиус закругления канала назначают с учетом площади се-
чения канала ш, режима работы, типа облицовки и т.п.
8 М В. Нестеров
Таблица 2.1
Превышение дамб и бровки берм над максимальным уровнем
воды в канале, см
Расход воды в канале, и*/с Канал бел обладовка с грун- Канал с облицовкой
топленочиым покрытием
До1 20 15
1-10 30 20
10 .30 40 30
30-50 50 35
50-100 60 40
Минимальный радиус закругления согласно СНиП 2.06.03-85:
• для каналов в земляном русле — г — llo2 V® + 12 (и — ско-
рость движения воды в канале, м/с);
• для каналов с монолитными бетонными, сборными железо-
бетонными и асфальтобетонными облицовками г = 5В (В — ши-
рина канала по верху, м).
Радиусы поворотов гидравлически не рассчитываемых осу-
шительных каналов должны быть не менее 20 м, остальных — не
менее 5В.
Трапецеидальное сечение характеризуется коэффициентом
откоса т, а также относительной шириной канала р, т.е. отноше-
нием ширины по дну канала к глубине его наполнения (Р = b/h).
Согласно СНиП 2.06.03-85, р следует принимать в зависимости
от коэффициента заложения откосов т в следующих пределах
(табл. 2.2).
Таблица 2.2
Значения относительной ширины канала р
т 1.0 1.5 2.0 2.5
₽ 0,8-3,0 0,6-3,1 0,5-3,4 0,4—3,8
Для коэффициентов заложения откосов более 2,5 это отноше-
ние следует определять по расчету или по данным аналогов.
Коэффициент откоса т выбирается из условий обеспечения
его устойчивости в зависимости от типа грунта, в котором устро-
ен канал, и принятого способа крепления (облицовки) откосов
(рекомендуемые СНиП 2.06.03-85 значения т приведены в при-
ложении 3).
Выбор коэффициента шероховатости. При проектировании
открытых каналов большой протяженности правильный выбор
коэффициента шероховатости имеет большое значение.
Так как Q = a^l/nг)R,=<й(l]na)R,'^Ri2 и, следовательно,
=1г(п1 /п2) , то для пропуска заданного расхода Q при прочих
равных условиях при изменении коэффициента шероховатости
необходимо одновременно изменить уклон на величину отноше-
ния коэффициентов шероховатости. Например, если вместо не-
обходимого л2 = 0,0225 будет принят п = 0,025, то уклон канала i
будет завышен в (0.025/0.0225)1 = 1,24 раза.
При проектировании каналов выбор коэффициента шерохова-
тости производится по рекомендованным СНиП 2.06.03-85 таб-
лицами значений п (приложение 2).
Расчет следует проводить по методике Н.Н. Павловского при
трех значениях коэффициента: основной расчет — при выбран-
ном наиболее вероятном значении коэффициента шероховато-
сти; два других расчета (поверочных) — при ближайшем боль-
шем и ближайшем меньшем значениях этого коэффициента.
Каналы с разной шероховатостью русла. Если русло канала
неоднородно и на одной части смоченного периметра %, коэффи-
циент шероховатости будет п1, а на другой части Хг будет пг, то
для всего профиля коэффициент шероховатости можно прибли-
женно принять
п = п1Х1+^гХ2 (2.11)
Х1+Х2
Н.Н. Павловский рекомендует определять этот «приведенный»
коэффициент по формуле
I 2 2~
П _ Х1*1 +Хггаг (2.12)
” V Х1+Х2
Пример 2.1. Определить расчетное значение коэффициента шерохо-
ватости.
Исходные данные. Проектируется канал с бетонированными откоса-
ми и неукрепленным дном трапецеидального сечения. Длина бетониро-
ванных откосов X] = 6 м, коэффициент шероховатости пу = 0,012; длина
неукрепленного дна Х2 = 5 м, коэффициент шероховатости л2 = 0,025.
1. Применяя (2.11), получаем приближенное значение п:
п = "iXi+»>Xi = 0,012-6+ 0,025-5 =() 01&
Х1+Х1 6+5
2. По (2.12) рассчитаем точное значение пр:
- = /хХ + Х?»» = |6О,О121 + 5О,О2~5Г ={)
₽ V Х1+Х2 ’ 6 + 5
Определение уклона канала. У клон канала назначают из условия
обеспечения средних скоростей потока и в пределах ив а < и < ия ,
где о„, — допускаемая незаиляющая скорость; — допускае-
мая неразмывающая скорость воды.
Определение скорости потока. Средняя скорость движения
воды в канале должна быть меньше предельно допускаемой ско-
рости на размыв i>„ р, т.е. и < и„.р.
Предельно допускаемая скорость на размыв зависит от грун-
та, в котором проложен канал, или от вида крепления ложа кана-
ла и определяется по справочной литературе (приложение 5).
При глубине воды менее 2 м и скорости течения менее 0,5 м/с
канал зарастает водной растительностью (тростником, камышом,
осокой, водорослями (диатомеями, синезелеными), лишайника-
ми и т.п.). Интенсивность зарастания зависит от климатических
условий. Наиболее быстро водная растительность развивается
у берегов, где скорость течения воды маленькая. Предотвратить
зарастание каналов можно, увеличив скорость течения воды или
закрепив их русла различными креплениями, не позволяющи-
ми водной растительности укореняться на откосах и дне. Борь-
бу с укоренившейся водной растительностью ведут нескольким
путями:
• очищают каналы специальными механизмами — механи-
ческий метод очистки;
• разводят в каналах травоядную рыбу (толстолобиков, бело-
го амура и др.) — биологический метод очистки;
• уничтожают растительность гербицидами — химический
метод очистки.
При гидравлическом расчете необходимо также учитывать
возможное заиление (зарастание) канала за счет выпадения взве-
шенных наносов. При этом фактическая скорость движения воды
должна быть больше некоторого допустимого минимального зна-
чения иил, т.е. v > оял.
Незаиляющую скорость олл можно определять по формуле
Е.А. Замарина:
JpBoJwT
-----7^-, (2.13)
у Oj022Vffi
где р — мутность потока, кг/м’; Wo — условная гидравлическая
крупность, м/с (при 0,002 < Wcp < 0,008 м/с Wo = при
0,0004 < Wcp < 0,002 м/с Wo = 0,002 м/с); — средневзвешен-
ная гидравлическая крупность, м/с; R — гидравлический ради-
ус, м; I — уклон дна канала.
Средневзвешенную гидравлическую крупность наносов опре-
деляют по зависимости
u, -2^
— —————
100
(2.14)
где р, — процентное содержание по весу отдельных фракций;
W, — гидравлическая крупность наносов, определенная как сред-
негеометрическая для фракций:
Ъ )’ (215)
где ИГ1 и W2 — гидравлические крупности для крайних значений
диаметров частиц в данной фракции (принимаются в зависимо-
сти от диаметра взвешенных наносов).
При отсутствии данных по взвешенным наносам незаиляю-
щую скорость можно определить по следующим формулам:
Жуковского =^5.+о^4; (2.16)
зд>
Кеннеди о„ =0Д45Л^; (2.17)
Ласея =0,64Л°и.
СНиП 2.06.03-85 рекомендует величину допускаемой незаи-
ляющей скорости вычислять по следующим формулам:
он.а = ода0 25
(2.18)
где R — гидравлический радиус канала, м;
= AQ°'2,
(2.19)
где А — эмпирический коэффициент (А = 0,33 для W < 1,5; А = 0,44
для W = 1Д..ЗД А = 0,55 для W >ЗД W — средневзвешенная
гидравлическая крупность наносов, мм/с); Q — расчетный рас-
ход, м3 /с.
Следует отметить, что другим критерием незаиляемости кана-
лов служит транспортирующая способность потока р, г/м3, ко-
торая, согласно СНиП 2.06.03-85, определяется по следующим
формулам:
при 2 < W < 8 мм/с
при 0,4 < W < 2 мм/с
(2.20)
(2.21)
где W — гидравлическая крупность частиц среднего диаметра
(принимают по табл. 2.3); о — скорость течения воды в канале,
м/с; R — гидравлический радиус канала, м; i — уклон дна ка-
нала.
Таблица 2.3
Значения гидравлической крупности частиц среднего диаметра
d, мм W, мм/с d, мм W, мм/с dt мм W. мм/с
0,005 0,0175 0,060 2,49 0,150 15,60
0,010 0,6920 0,070 3,39 0,175 18,90
0,020 0,2770 0,080 4,43 0,200 21,60
0,030 0,6230 0,090 5.61 0,225 24,30
0,040 1,1100 0,100 6,92 0,250 27,00
0,050 1,7300 0,125 10,81 0,275 29,90
Определение размеров поперечного сечения канала при рав-
номерном движении. В проектной практике наиболее часто встре-
чаются задачи, в которых требуется рассчитать размеры попе-
речного сечения канала, т.е. глубину h и ширину b при известных
Q, i, п. Так как здесь неизвестными величинами являются Ь и Л,
то одной из них задаются, а вторую определяют.
Задачу решают графоаналитическим способом, при помощи
специальных вспомогательных таблиц либо графиков. Для реше-
ния задачи графоаналитическим способом при назначенной, на-
пример, ширине канала по дну Ъ задаются рядом значений (пятью
или шестью) глубины Л и находят значения со, х» R, С, К. Вычисле-
ния рекомендуется выполнять в табличной форме (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Порядок расчета расходной характеристики
Л.м ш.м2 X. ** Л.м С, м0,6/с К = wC4r. м*/с
По значениям расходной характеристики К и глубинам h
строят график функции К — f(h), которая должна проходить через
начало координат (рис. 2.3). По этой кривой, отложив на оси К за-
данную расходную характеристику К =Q/', определяют иско-
мое значение Ло и проверяют его вычислением расхода воды по
формуле Q = соСл/й. Затем подсчитывают скорость v = Q/co.
Рис. 2.3. График к расчету нормальной глубины воды в канале
Если глубину подбирают непосредственно по расходам воды,
то в приведенную выше табличную форму вместо графы К вводят
графы i, v и Q.
Если назначена глубина Л, то Ъ вычисляют аналогично, заме-
няя в таблице графу Л графой Ь. При этом следует отметить, что
в общем случае кривая К = /(d) не проходит через начало коорди-
нат (рис. 2.4).
Рис. 2.4. График к расчету ширины канала по дну:
1 — для трапецеидального сечения; 2 — для прямоугольного сечения
Глубину потока при равномерном движении жидкости назы-
вают нормальной глубиной Ло. При равномерном движении уклон
дна канала I равен уклону свободной поверхности воды.
Правильно запроектированный канал должен иметь при из-
бранном уклоне I такую среднюю скорость движения воды, при
которой выполняется условие ом < и <
Иногда в процессе гидравлического расчета канала не выпол-
няется условие на заиление, тогда увеличивают уклон канала.
Это ведет к возрастанию скоростей движения воды в канале, ко-
торые могут превысить допустимые на размыв, что потребует
проектирование крепления и соответственно повысит стоимость
строительства канала.
Определение состояния потока. Если требуется определить,
в каком состоянии (бурном или спокойным) находится поток, то
необходимо сравнить запроектированный ранее уклон дна с его
критическим значением. Критический уклон русла, при кото-
ром глубина потока при равномерном движении с заданным рас-
ходом равна критической, вычисляют по формуле
(2.22)
где Хмр — смоченный периметр потока при йкр, м; g — ускорение
свободного падения, м/с2; Скр — коэффициент Шези для кана-
ла с критической глубиной, м0,&/с; В*р — ширина канала по вер-
ху; а — коэффициент Кориолиса (а= 1,05.-.1,10).
Для достаточно широких каналов (В/Л > Ю) Х«Р = Вжр и i„p =
= g/(aC*p). Значения критического уклона дна канала для раз-
личных коэффициентов Шези при а = 1,1 приведены в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Значения для различных С при а = 1,1
с. -°*/с 16 20 30 40 50 60 70 80
0,03964 0,02229 0.00991 0,00557 0,00357 0,00248 0,00182 0,00139
Критическая глубина йжр — это глубина, при которой поток
при расчетном расходе воды имеет минимальную удельную энер-
гию сечения. Удельная энергия сечения Э — механическая
энергия единицы массы жидкости, протекающей в единицу
времени через живое сечение относительно горизонтальной плос-
кости, проходящей через наинизшую точку данного живого се-
чения
Э = Л+—, (2.23)
2g
где Л — наибольшая глубина воды в живом сечении; о — средняя
в живом сечении скорость потока.
Состояние потока при глубине, равной Лжр, называют критике
ским.
Экстремальная точка Л - на графике удельной энергии се-
чения в зависимости от глубины наполнения (рис. 2.5) делит
кривую на две части, соответствующие различным состояниям
потока:
• спокойное, при котором Л > — удельная энергия сечения
возрастает с увеличением глубины;
• бурное, при котором Л < Лжр — удельная энергия сечения
уменьшается с увеличением глубины.
Рис. 2.5. График удельной энергии сечения Э в зависимости
от глубины водного потока:
7 — удельная кинетическая энергия; 2 — удельная потенциальная энергия;
3 — удельная энергия сечения
Критическую глубину потока определяют подбором из урав-
нения критического состояния потока
--= —• (2.24)
g
где о>вр, Ввв — соответственно площадь и ширина по верху живо-
го сечения, соответствующие критической глубине; Q — расход
воды в канале.
Критическую глубину канала можно также определить по сле-
дующим формулам в зависимости от формы сечения канала:
прямоугольная йврпр =ai-^--; (2.25)
V gb'
трапецеидальная йвр-/?йкр11р, (2.26)
где k — коэффициент условного приведения трапецеидального
русла к прямоугольному с тем же расходом и шириной по дну
(принимают по табл. 2.6 в зависимости от отношения и1Йврпр/Ь
или по (2.28) (СНиП 2.06.03 -85);
27аО2
параболическая hKfa = ♦64gP ’ (2.27)
где Р — параметр квадратичной параболы.
Таблица 2.6
Значения коэффициента k для расчетов критических
глубин в трапецеидальных руслах
г- k b к ь к /иЛ__ __ SLft ь к
0,005 0,998 0,20 0,937 0,40 0,884 О.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.R6 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.Я41 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 0,916 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
рассчитать по
Коэффициент условного приведения К можно
формуле
К - 1 - — 4-О,1О5ст ; ст = -.Т-2.
3 д
(2.28)
где Лг1, вр — критическая глубина в условном прямоугольном се-
чении, ширина по дну которого равна ширине но дну рассчиты-
ваемого канала трапецеидального сечения, м; b — ширина трапе-
цеидального канала по дну, м.
Неравномерное движение в открытых призматических рус-
лах. При эксплуатации каналов образуются кривые подпора и
кривые спада, т.е. возникает неравномерное движение. Неравно-
мерное движение или создается преднамеренно (например, для
регулирования горизонтов воды в каналах), или возникает в ава-
рийных ситуациях (например, при заклинивании затворов регу-
лирующих сооружений).
При неравномерном движении необходимо знать глубины h,
которые изменяются вдоль русла канала и могут быть больше
или меньше нормальной глубины Ло (при равномерном движе-
нии). Знание глубин позволяет судить о возможном переполне-
нии канала, рассчитать скорость течения и сравнить ее с допус-
тимыми скоростями — неразмывающей и незаиляющей.
Неравномерное движение описывается дифференциальным
уравнением, которое было проинтегрировано рядом авторов для
случая призматического русла. В результате были получены не-
сколько видов уравнений неравномерного движения, которые
позволяют определить координаты кривых свободной поверх-
ности при неравномерном движении. Всего насчитывается две-
надцать типов кривых свободной поверхности, которые можно
установить до построения самой кривой.
Для определения типа кривой необходимо иметь следующие
данные:
• действительная глубина h, м;
• глубина равномерного движения h^, м;
• уклон при нормальной глубине
• критическая глубина Лкр, м;
• уклон при критической глубине i^.
Первые три величины обычно бывают заданы, а две последние
определяются расчетом.
Критическая глубина определяется подбором из (2.24).
В этом уравнении правая часть — константа. Задаваясь произ-
вольно рядом значений глубины Л и вычисляя значения <i)’t /В^,
можно добиться равенства левой и правой частей. Глубина, при
которой обе части уравнения равны, и есть искомая Расчет
следует выполнить графоаналитически (табл. 2.7).
Таблица 2.7
По данным табл. 2.7 строят график и определяют Л^,.
Критический уклон при необходимости находят из формулы
Q2
(2.29)
где индекс «кр» показывает, что величины подсчитаны по Лкр.
Зная Л, Ло и Л^р, устанавливают тип кривой свободной поверх-
ности потока.
Кривую свободной поверхности можно построить по способу
Б.А. Бахметева. Для этого используют уравнение
=П2-П1 -(1-/ч>)[ф(Пг)-ф(П1)]. (2.30)
“о
где i0, h0 — уклон и нормальная глубина; т) — относительная
глубина неравномерного движения (г) = Л/Ло); ;ср — параметр
[Лр =(с“осХВсР)/(^Хср); а — коэффициент Кориолиса (а = 1,1);
Сср, Вср, Хер — подсчитаны по средней на интервале I глубины
йср = 0,5(Л, + Л2)]; ф(т|) — функция глубины (выбирают из таб-
лиц в зависимости от 10 и х (приложение 6); х — гидравличе-
ский показатель русла х
; Ко — модули рас-
хода при равномерном и неравномерном движениях(Кд =Q/
ср ср ср у ср •
Уравнение (2.30) позволяет определить расстояние I между се-
чениями потока с заданными глубинами неравномерного движе-
ния hy и Й2.
Для построения кривой свободной поверхности канал разби-
вают на расчетные участки Ц, 1г, ... /(. Расчет глубин начинают
с первого участка, одна из глубин которого Лр известна. Обозна-
чив глубину в конце участка Лр = Л2, задаемся глубиной в начале
участка hx (нумерация вниз по течению). При кривой подпора
Л, < Л2 на 5Л, при кривой спада Л, > Л2 на 8Л (шаг 8Л рекомендуется
принять 0,05...0,10 м).
Допускается у и принять постоянными для всего канала и
рассчитать их п«> глубине hrp = 0,5(й, + Л„).
Особенности гидравлического расчета каналов при ледяном
покрове. Гидравлический режим каналов, рассчитанных на круг-
логодичную эксплуатацию в райопах с суровым климатом, дол-
жен предусматривать защиту его от снежных заносов, образова-
ния наледей, зажоров и заторов льда, нарушающих нормальную
эксплуа1ацию и привидящих к Необратимым деформациям русла.
Нормальный пропуск зимнего расхода в канале обеспечивает-
ся, если число Фруда по длине канала в период замерзания не
превышает 0,06, в период вскрытия — 0,08. Достигают этого соз-
данием подпора или ограничением расхода воды. Критические
скорости течения воды для этого периода определяют по табл. 2.8.
Таблица 2.8
Критические скорости течения воды ь канале v^, м/с
Средняя глубина Л, м В период замерзания В период вскрытия
1 0,19 0,25
2 0,27 0.35
3 0.33 0,43
4 0.38 0,50
5 0,42 0,56
6 0,46 0,61
7 0,50 0.66
Расход воды в канале изменяют только после установления
устойчивого ледяного покрова толщиной 15.. .20 см для кристал-
лического льда и 30 см для обломочного или тутового с пределом
прочности ня сжатие 0.4...0,6 МПа. В период глубоких оттепелей
изменения расходов и уровня воды не допускают. Суточное изме-
нение уровня воды должно быть в пределах +20...-10 см.
Пропускную способность каналов, покрытых льдом, опреде-
ляют для условий равномерного движения воды
Q = towi’,
где ша — площадь водного еечевия канала подо льдом (<он = to - tod,
где (о — площадь водного сечения открытого канала при зимнем
наполнении; соа — площадь погруженного льда).
Зимнюю скорость движения определяют по формуле Шези
и =C\Ri. Коэффициент Шези для мелиоративных каналов с гид-
равлическим радиусом R < 5 м составляет
Я* 1
С = — или С = -+(27,5 - 300n)lgB;
п п
ndXd + n'X „ иг,
при л„ = | • —---; R = —,
V Х«+Х Ха+Х
где nd — коэффициент шероховатости нижней поверхности ледя
ного покрова; п — коэффициент шероховатости русла; х<о X —
смоченные периметры соответственно пи нижней поверхности
ледяного покрова и русла.
Для широких каналов с В> 10hR = /(2Bd), где Bd — ширина
канала пи нижней поверхности льда.
Для равномерного движения продольные уклоны водной по-
верхности равны уклону льда канала: i„ = i. На участках машин
ного водоподъема возможно ie * I, если требуется увеличить ско-
рости течения после установления ледостава.
Площадь погруженного льда находят по формуле
(od = 0,9ftd
(2.31)
2 ’
где hd — толщина льда, м.
Толщину ледяного покрова на каналах определяют по данным
многолетних наблюдений на водотоках-аналогах. Ориентировоч-
но начальную толщину льда определяют ио формуле
(о/0В5)2+0Д
dl одИ
(2.32)
где v — средняя скорость течения воды при установлении ледо-
става, м/с; t — средняя суточная температура воздуха на дату за-
мерзания, С.
Формула действительна для средних скоростей течения, не
превышающих 0,5 м/с.
На каналах с небольшими скоростями течения (it = 0,1...0,3 м/с)
и скоростью ветра в период замерзания свыше 5 м/с начальную
толщину льда рассчитывают по формуле
hdl = 1394А; (2.33)
Л2
A^0D28-i, (2.34)
гдеЛ —коэффициент турбулентного перемешивания, см2/с; h*—
высота волны, см; Т — период волны, с.
Пропускную способность канала проверяют на максимальную
толщину льда, определенную по (2.32) и (2.33), и максимальную
зим1пою среднюю толщину, установленную по аналогам или ре-
гиональным формулам.
2.1.3. Расчет филы ранни из каналов
Фильтрация — движение воды сквозь пористую среду в есте-
ственных пластах грунта под поверхностью земли. Длительная
фильтрация воды из каналов протекает в двух основных. качест-
венно отличающихся стадиях: без подпора (свободная фильтра-
ция) и с подпором.
При фильтрации без подпира грунты зоны аэрации смачива-
ются в условиях неполного насыщения пор грунта водой без
взаимодействия с грунтовым потоком.
При фильтрации с подпором фильтрационный поток из кана-
ла соединяется и взаимодействует с грунтовым потоком.
Свободная фильтрация переходит в подпертую лишь после
подъема уровня грунтовых вод до дна канала. Она может наблю-
даться в течение нескольких лет. Величина потерь воды зависит
в этом случае в основном от проницаемости одежды канала, по-
этому поток быстро стабилизируется, и расход его практически
не изменяется (рис. 2.6).
Расчет фильтрационных потерь из каналов. Величина потерь
воды из каналов зависит от фильтрационных свойств и геологи-
ческого строения грунтов по трассе, глубины залегания естест-
венного уровня грунтовых вод, дренирующих слоев грунта или
водоупора, наличия противофильтрационных устройств и дру-
гих факторов.
7777777777777777777777777777777Г 7777777777777777777777777777777Г
Рис. 2.6. Расчетные схемы фильтрации из каналов без подбора:
а — в однородных грунтах; б — в двуслойной толще грунтов; 1 — подъем
уровня грунтовых вод
Фильтрационные потери ведут к повышению стоимости кана-
лов 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 ка-
налов 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 СНиП 2.06.03-85.
Свободная фильтрация. Потери воды из каналов непрерывно-
го действия в земляном русле рассчитывают по следующим зави-
симостям:
1) для каналов трапецеидальной формы (см. рис. 2.6):
при b/h < 4 Q* = 0,0116Кц(В + 2Л), (2.35)
при Ь/Л > 4 = 0,0116К(В + АЛ); (2.36)
2) для каналов полигональной и параболической формы:
Сф = 0,0116К(В+ 2Л), (2.37)
где Ь — ширина по дну, м; — фильтрационный расход на 1 км
длины канала, м’/с; К — коэффициент фильтрации грунтов ложа
канала, м/сут (см. приложение 1); В — ширина по урезу воды, м;
р — поправочный коэффициент (значения в зависимости от раз-
9 М. К Нестеров
меров сечения каналов приведены в табл. 2.9); А — коэффициент
бокового растекания потока (определяют по табл. 2.10).
Таблица 2.9
Зависимость р от коэффициента заложения откоса m и отношения b/h
m b/h
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 2.10
Значения коэффициента бокового растекания фильтрационного
потока в зависимости от размеров сечения каналов
m B/h
S 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
При многослойном основании (см. рис. 2.6, б) коэффициент
фильтрации следует определять по формуле
Кх к2 к„
где t2,.... t„ — мощность грунта, м; К(, К2,..., К. — коэффици-
енты фильтрации слоя грунта, м/сут.
Фильтрационные потери из облицованного канала (рис. 2.7)
при установившейся свободной фильтрации и одинаковой толщи-
не облицовки экрана на дне и откосах рассчитывают по формуле
еф = 0,0116К,—(5+hVl+m2). (2.39)
где К, — коэффициент фильтрации облицовки экрана, м/сут.
(табл. 2.11); t, — толщина облицовки, м.
Эпюра скоростей фильтрации из трапецеидального канала име-
ет вид, показанный на рис. 2.8. На оси канала скорость фильтра-
ции и0 меньше скорости в угловых точках В и С.
Рис. 2.7. Расчетная схема свободной фильтрации из облицованного канала:
t, — толщина экрана; Н — мощность слоя до уровня грунтовых вод; Т — мощ-
ность водоносного слоя
Таблица 2.11
Допускаемые коэффициенты фильтрации К, и ориентировочный срок службы Т, одежд каналов
Тип одежды К,, 10е см/с Т», лет
Бетонная монолитная 1-5 15-20
Железобетонная монолитная 2,5-3,5 20-25
Железобетонная сборно-монолитная 3.5-4,5 30-35
Железобетонная сборная 4.5...7 30-35
Бетонопленочная монолитная 0.1-1.0 20-25
Бетонопленочяая сборно-монолитная 0,5-0,1 —
Бетонопленочная сборная 1,0-1,5 —
Грунтопленочная 0,5-1,5 —
Асфальтобетонная 1,0-10 10-15
Экран из глинистых грунтов 0,1-1,0 35-40
Экран из полимерной пленки (эквивалентный 1,0-5.0 20-30
глинистому экрану толщиной 1м)
9*
Рис. 2.8. Эпюра скоростей фильтрации из трапецеидального канала
Скорость фильтрации в точках А и D направлена под прямым
углом к откосу:
vA = К COS0, (2.40>
где К — коэффициент фильтрации грунта ложа канала; 0 — угол
наклона откоса к горизонту.
По указаниям А.Н. Костикова в соответствии с наблюдения-
ми за находящимися в эксплуатации каналами (преимущест-
венно ирригационными) фильтрационные потери, исчисленные
в процентах от расхода воды в канале, убывают с увеличением
расхода (табл. 2.12).
Таблица 2.12
Величина фильтрационных потерь в каналах
(по данным А.Н. Костикова)
Расход вош в канале, к ’/с Фжльтрацноиные ьитери расхода и* 1 км канала. % Расход воды в канале, м/с Фильтрационные потеря расхода на 1 км канала, %
0,5-1,0 6,0-4,0 10-20 0,6—0,5
1,0-1,5 4,5—3,0 20. ..50 0,5—0,2
1,5-2,0 3,0-2,5 50. „100 0,20-0,15
2,0-3,0 2,5—1,8 100 „200 0,15-0,05
3,0—5,0 1,8-1,10 200 „300 0,05-0,02
5,0-10,0 1,10... 0,60
Значение ов Таблица 2.13
Расход воды в канале, м*/с Глубина залегания грунтовых вод, и
доЗ 3 5 7.5 10 15 20 25
1 0,63 0,79 - - — — — -
3 0,50 0,63 0,82 - - - - —
10 0,41 0,50 0,65 0,79 0.21 — - —
20 0,36 0,45 0,57 0,71 0,82 - — —
30 0,35 0,42 0,54 0,66 0,77 0,94 - —
50 0,32 0,37 0.49 0.60 0,69 0,84 0,97 —
100 0,28 0,33 0,42 0.52 0,58 0,73 0,84 0,94
Фильтрация с подпором. Потери при подпорной фильтрации
и следует определять по формуле
(2Л1)
где 0„ — коэффициент, характеризующий влияние подпора грун-
товых вод на размер потерь (табл. 2.13).
Пример 2.2. Выполнить гидравлический и фильтрационный расчеты
канала в земляном русле трапецеидального поперечного сечения на про-
пуск расчетного, максимального и минимального расходов.
Исходные данные. Q, = 5 м’/с, Q^, = 7 м’/с, = 3 м’/с. Геометри-
ческие параметры русла: ширина по дну Ь = 3 м, уклон дна i = 0,00049,
коэффициент заложения откосов m = 1,5, коэффициент шероховатости
л = 0,025. коэффициент фильтрации грунта ложа канала
К* = 0,034 м/сут.
1. Предварительно задаваясь значениями Л, по формуле К —wC-Jr
определяем расходные характеристики. Расчет ведем в табличной фор-
ме (табл. 2.14).
2. По данным таблицы строим график зависимости К = /(Л) (рис. 2.9).
Вычисляя значения К =Q/Ji, получим = 226 м’/с, К^„ - 316 м’/с и
К*, = 134 м’/с, по которым, используя график, находим Л = 1,3 м,
Л„ = 1,54 ми А_^ = 1 м.
Скорости потока, определяемые по зависимости v будут равны
= 0,78 м/с, = 0,86 м/с и и = 0,67 м/с.
Таблица 2.14
К гидравлическому расчету канала
*,м а. и’ I." К. и 4R С. и0Л/е Х = «с/н
1.0 4.50 6.6 0,682 0,826 36,6 136,0
1.5 7,88 8.4 0,938 0,968 39.3 300,0
2.0 12.00 10.2 1,176 1.080 41.3 526,0
Рис. 2.9. График зависимости К = ДЛ)
3. Фильтрационные потери на 1 км канала определим по (2.35). При
пропуске нормально!’© расхода они составят Qt. = 0,0116 U.034 0.85 х
х (6.90+ 2 1,30) = 3,18 10’3м*/с.
При расходах Qm„ и Qrabl потери соответственно будут = 3,78 х
х 10'3м3/с и <?фиш = 2.68 10'3м3/с.
2.1,4. Расчет устойчивости каналов
Общие сведения. Основная причина разрушения русл мелио-
ративных каналов и рек водоприемников — воздействие на них
природных факторов, среди которых главную роль играют русло-
вые, i-рунтовые и поверхностные воды, промерзание и оттаива-
ние грунта, ветровая эрозия и др. Причиной повреждения русл и
каналов бывают и факторы искусственного происхождения —
неупорядоченные переезды и перегоны, стеснение и засорение
русла.
Наиболее распространенные виды деформаций-, размыв рус-
ла, оползание и оплывание откосов, заиление и зарастание русла.
Дно канала (особенно подводная часть откосов в неустойчи-
вых грунтах) размывается русловым потоком на тех участках,
где уклоны и соответственно скорости превышают значения, до-
пускаемые на размыв.
Откосы осушительных каналов и земляных дамб в зоне выса-
ливания грунтовых вод подвергаются фильтрационному давле-
нию, которое вызывает нарушение их местной устойчивости, т.е.
оплывание поверхностного слоя грунта. Оползни приводят к по-
тере общей устойчивости откосов. Поэтому при расчете откосов
необходимы опенка их местной устойчивости, назначение соот-
ветствующих коэффициентов заложения откосов, а также их
крепление фильтрующими материалами (пористым бетоном, гра-
вием, щебнем и т.п.). Кроме того, оползни образуются в резуль-
тате промерзания и оттаивания поверхностного слоя откосов
в связных глинистых и суглинистых грунтах, особенно в поздне-
ледниковых ленточных отложениях. Вследствие миграции вла-
ги к фронту промерзания такие грунты перенасыщаются, теря-
ют свою капиллярную связность и сопротивляемость сдвигу.
Канал заиляется:
• при размывах откосов (смытый с откосив грунт откладыва-
ется на дне канала);
• скоростях течения воды в канале, имеющих значения ме-
нее допустимых на заиление в местах значительного уменьше-
ния уклона дна;
• внезапном увеличении живого сечения;
• на устьевых участках водотоков в зонах подпора от водото-
ка высшего порядка;
• если транспортирующая способность принимающих водо-
токов ниже, чем впадающих;
• при наличии водной и ветровой эрозии почв на прилегаю-
щих к водотоку мелиорированных землях.
Основное мероприятие по предупреждению зарастания кана-
ла — создание в нем таких средних скоростей течения воды, при
которых наблюдается движение донных наносов, не позволяю-
щее закрепляться семенам растений.
Расчет устойчивости каналов. Под устойчивостью русла по-
нимают его способность сохранять свои размеры, форму и плано-
вое положение под воздействием водного и фильтрационного по-
токов, а также атмосферных факторов.
Для выполнения расчетов устойчивости русл определяют сле-
дующие основные расчетные характеристики грунтов:
• плотность частиц грунта у„ кг/м’;
• средняя плотность грунта в сухом и насыщенном водой со-
стоянии yd и уик, кг/ма;
• пористость п и коэффициент пористости грунта е;
• угол <р, град., и коэффициент внутреннего трения грунта
в воде /;
• коэффициент фильтрации грунта К, м/с;
• расчетное удельное сцепление грунта в воде при разрыве Ср,
КПа.
Определяют также гранулометрический состав грунта и стро-
ят кривую распределения частиц по крупности, с которой снима-
ют ^ю» <4о» ^90—диаметры зерен (м), мельче которых в грунте
содержится частиц соответственно 10, 50, 85 и 90 % по массе.
По приведенным характеристикам рассчитывают среднюю
плотность грунта во взвешенном состоянии:
У_ = (Т< — Y.) (1 — *)• или у„. = —,
где у„ — плотность воды, кг/м8.
Для связных грунтов, кроме того, определяют число пластич-
ности If и показатель консистенции IL.
Расчет устойчивости русла канала на размыв. Выше указано,
что при скорости воды, не превышающей допустимую на размыв,
русло размываться не будет. Для более точного определения ус-
тойчивости откосов канала к размыву используется критерий ус-
тойчивости.
Различают статическую и динамическую устойчивости русла
к размыву.
При статической устойчивости русла (статическое равно
весие) его поперечный и продольный профили практически не из-
меняются во времени, движение наносов отсутствует.
В динамически устойчивом русле (динамическоеравновесие)
происходит сбалансированный грунтообмен между потоком и
ложем и соответственно обратимый процесс переформирования
русловых образований. Но при этом основные морфологические
параметры русла — ширина по верху и средняя глубина — со-
храняются.
Устойчивость дна широких русл к размыву приближенно мож-
но оценить по критерию Лохтина — Великанова т]у =dj(HI) или
по обратной ему величине fd = (HI)/d — критерию подвижности
дна. Здесь d — средний диаметр зерен грунта на дне русла, м; Н —
глубина, м; I — уклон руслоформирующего потока. По данным
А.Ф. Печкурова, при fd = 0,08. „0,09 начинается влечение отдель-
ных зерен грунта, при 0,16...0,18 — образование донных гряд,
при fd = f(f — коэффициент внутреннего трения грунта в воде) —
интенсивное передвижение донных наносов, при fd = 1 — взвеши-
вание грунта. При ft > l(r|d < 1) происходит интенсивный размыв
грунта, т.е. русло неустойчиво.
Для каналов трапецеидального сечения в несвязных и слабо-
связных грунтах (при расходах воды Q < 50 м*/с) устойчивость
к размыву можно определить по критериям Э.И. Михневича:
для откоса
Т] = X—A L’—L+.(2.42)
” V.Hl] т2 i„d(' Y-dJ
ДЛЯ дна
У-Я+С,
(2.43)
где Пия — критерий устойчивости поперечного сечения канала
(русла); Т|.Р — критерий устойчивости дна; d — расчетный диа-
метр зерен грунта соответственно на откосе или на дне, м (прини-
мают равным: для песчаных грунтов — диаметру dM (крупная
фракция), d = (0,005...0,008) и; для связных грунтов — размеру
агрегатов (по Ц.Е. Мирцхулаве), d=(0,003...0,004) м); т — коэф-
фициент заложения откоса; у, Vi — коэффициенты, учитываю
щие влияние параметра b/Н на удельную влекущую силу соот-
ветственно на откосе и дне канала:
у =03+0,1 ч b/Н при b/Н < 4, у = 1 при Ь/Н > 4;
у, =0,550 + 0,26^/>/Я при &/Ж4,у, = 1 при 6/77>4,
где Ь — ширина русла ио дну, м; Н — максимальная глубина, м.
Максимально допустимые уклоны при т]^_ = 1 и Л,р = 1 будут:
для откоса
--4+Af2/+АД <2Л4)
уу. HV тг Y~d{
для дна
*₽ У!УжЯ
(2.45)
Поперечное сечение русла будет устойчивым к размыву при
ti„ > 1 или 1 < 1,^, где 7 — уклон руслоформирующего потока.
Дно будет устойчивым к размыву при > 1 или I < 1^.
При содержании в воде глинистых (коллоидных) наносов более
0,1 кг/м’ значения 1„ могут быть увеличены в 1,3 раза, а —
в 1,5 раза.
Расчет местной устойчивости откосов в зоне выхода грунто-
вого потока. При проектировании мелиоративных каналов и зем
ляных дамб коэффициент заложения откосов т, как правило,
выбирают по СНиП в зависимости от их высоты Н и вида грунта
(приложение 3).
В песчаных грунтах его значения оказываются чаще всего
в пределах/п =1,2// ..1,5/ f(f— коэффициент внутреннего трения
грунтав виде). Если высота откоса Н <4...5 м, то такое заложение
обеспечивает его общую устойчивость и расчеты не требуются.
Песчаные откосы, через которые высачиваются грунтовые во-
ды, необходимо рассчитывать (при любой их высоте) на местную
устойчивость к действию фильтрационного давления, создавае-
мого грунтовым потоком. Местная устойчивость откоса будет
обеспечена в том случае, когда принятый коэффициент тп будет
не менее допустимого расчетного т (т, > т) пли когда высота
высачивания грунтовых вод на откос ht не будет превышать до-
пустимое значение Лад для данного грунта и принятого коэффи-
циента ти (Л, < Л,,). Если /п, < т (Л, > Лв д), то коэффициент т,
увеличивают до значения т (практически т назначают не более
2,5...3,5).
Для определения коэффициента заложения песчаного откоса,
устойчивого в зоне продолжительного высачивания грунтового
потока, можно использовать следующую полуэм лирическую за-
висимость (проверена на опытных данных при f — 0,55...0,72 и
диаметре = 0.15...1,0 мм):
УжиЛо+0,002? ,Л
У +Ср
(2.46)
где dgj, — диаметр крупных частиц, мельче которых в грунте со-
держится 90 % по массе, м.
Рис. 2.10. Схема высысивания установившегося фильтрационного потока
Нл --ткос
Высоту высачивания грунтовых вод на откос Л, в однослой-
ных грунтах (рис. 2.10) можно рассчитать по зависимостям
Э.М. Михневича, Г.П. Михайлова и др. (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Номограмма для определения высоты высачивания грунтовых
вод Л, на откос высотой
а —2,0 м; б — 2,5 м; в — 3,0 м
При отсутствии непосредственных измерений Л„ что обычно
имеет место на стадии проектирования, местную устойчивость
фильтрующего откоса оценивают, задаваясь некоторым значени-
ем т. В первом приближении для каналов его можно определить
по (2.46): при Нл = 1,5...2,0 м Лв» 0,3...0,5 м; при Нв = 2,0...2,5 м
й, = 0,5...0,7 м; при Нп = 2,5...3,5 м Л, = 0,20...1,2 м.
Каналы осушительно-увлажнительных и польдерных систем
работают в условиях переменного уровня воды в русле. При сбро-
се воды через водовыпуски водоподпорных сооружений или при
ее откачке насосными станциями на откосах образуется зона выса-
живания грунтовых вод (см. рис. 2.10, б). В этой эоне возникает
гидродинамическое дг шение неустановившегося фильтрацион-
ного потока. Если скорость снижения уровня воды в русле превы-
шает максимально допустимую, оно нарушает местную устойчи-
вость незакрепленного откоса. При медленном сбросе воды из
канала кривая депрессии будет синхронно следовать за снижаю-
щимся уровнем воды, высота Л, будет меньше допустимой, и от-
косы не деформирукг гея.
Водопроводяшие сооружения
2.2.
2.2.1. 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 свобод-
ной поверхностью, и напорные, если не существует свободной по-
верхности потока. В общем случае под водопроводящими соору-
жениями понимают как сами каналы, по которым вода транспор-
тируется к месту потребления, так и сооружения на каналах,
устраиваемые в местах пересечения ими естественных или ис-
кусственных препятствий.
К естественным препятствиям, встречающимся по трассе ка-
нала, 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 назна-
чения, а также всевозможные инженерные сооружения, распо-
ложенные с каналами в одной или различных плоскостях.
К водопроводящим сооружениям, устраиваемым на водохо-
зяйственных каналах, относятся лотки, акведуки, дюкеры, селе-
проводы, трубы на каналах и под каналами, ливнеспуски и гид-
ротехнические туннели.
В данной работе более детально рассматриваются наиболее
сложные в конструктивном отношении сооружения — акведу-
ки и дюкеры.
2.2.2. 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 по-
терь напора имеет существенное значение. Иными словами, акве-
дуки применяют тогда, когда препятствия ниже канала.
Акведуки выполняют из сборного, сборно-монолитного или мо-
нолитного железобетона, реже металлическими. Пролетное строе-
ние акведуков (рис. 2.12), как и мостов, бывает арочным, рам-
ным, балочным и др.
Арочную конструкцию применяют при строительстве акведу-
ка над узким и глубоким ущельем с прочными (скальными) бере-
гами.
Акведуки рамной конструкции устраивают при переходах че-
рез широкие и неглубокие долины, поймы рек, каналы, дороги
в неглубоких выемках. Они представляют собой одну или не-
сколько двухконсольных рам с температурно-осадочными шва-
ми между ними. Верхний ригель такой рамы представляет собой
лоток акведука, а стойки служат его опорами.
Акведуки балочной конструкции применяют на участках ка-
налов с понижением местности и дорогами, проходящими под
каналами.
Конструктивные особенности акведуков. Акведук состоит из
входной части, лотка и выходной части. Назначение входной час-
ти — обеспечить плавный переход от ширины канала к ширине
лотка акведука. Этому же условию должна удовлетворять конст-
рукция выходной части. Вход и выход сооружения устраивают
в виде раструба, в плане соответственно сужающегося или рас-
ширяющегося, длиной не менее четырехкратной глубины воды
в канале, т.е. I > 4h (рис. 2.13).
Рис. 2.12. Схемы акведуков:
а — арочный; б, в — рамный; г — подвесной; д — опирающийся на деревян-
ную или железобетонную ферму
Рис. 2.13. 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
Величину центрального угла раструба принимают из условия
плавного сопряжения потоков без отрыва от стенок: 0 < 30 для
входной части, 0 < 20° для выходной. Ее обычно определяют гид-
равлическим расчетом.
Перед входной частью у начала понура, а также в конце вы-
ходной части для снижения фильтрации под сооружением уст-
раивают бетонные зубья или забивают шпунтовые стенки. Ино-
гда под стенкой или зубом делают дренаж с выводом его в овраг
или канал, пересекаемый акведуком. Для предотвращения вы-
хода фильтрационного потока на откос и повышения его устой-
чивости у подошвы откоса устраивают дренаж (см. рис. 2.13).
По конструктивным особенностям пролетного строения акведу-
ки 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, па-
раболическим и полукруглым. Лотки изготовляют закрытыми,
полностью или частично открытыми. В закрытых лотках верх-
нюю плиту используют в качестве служебного или переходного
мостика. В открытых лотках по верху бортовых стенок уклады-
вают 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 служеб-
ный мостик.
В широких лотках служебные мостики устраивают на консо-
лях, расположенных с внешней стороны лотка. Следует отме-
тить, что лотки параболического и полукруглого сечения чаще
используют в сборных конструкциях акведуков на расходы до
10 м’/с.
Лотки по длине разрезают деформационными швами (рис. 2.14).
По температурным условиям расстояние между швами в монолит-
ных железобетонных конструкциях принимают не более 25. ..30 м.
Местоположение их зависит от принятой схемы разрезки пролет-
ного строения и расстояния между опорами. Деформационные
швы устраивают также в местах примыкания лотков к входным
и выходным участкам акведуков [38].
Нижняя часть пролетного строения акведука, пересекающего
несудоходный водоток, должна возвышаться Над максимальным
расчетным уровнем не менее чем на 0,5 м [38].
Рис. 2.14. Конструкция швов между секциями л^гка акведука:
1 — железобетон; 2 — цементная штукатурка; 3 — конопатка; 4 — стальные
компенсаторы; 5 — битум; б — стальная полоса; 7 — анкеры; 8 — прорези-
ненная трубка; 9 — прорезиненное полотно; Itj — шурупы
2.2. Вололроводяшие сооружения 145
Подошвы фундаментных частей пролетных опор и береговых
устоев заглубляют в грунт ниже глубины промерзания и возмож-
ного размыва русла в створе акведука.
Гидравлический расчет акведуков. Гидравлический расчет вы-
полняют для входа в акведук, лотка акведука и выхода из лотка
акведука в канал. Расчет ведут на пропуск максимального расхо-
да. Схема протекания воды в акведуках показана на рис. 2.13.
Скорость движения потока в лотке акведука назначают не-
сколько выше скорости потока в подводящем и отводящем кана-
лах (1,0...2,5 м/с) с учетом обеспечения транспортирующей спо-
собности потока и исключения оседания наносов в лотке. Поэтому
участки канала перед акведуком и за ним крепят камнем или бе-
тонными плитами. Следует отметить, что дальнейшее повышение
скорости потока невыгодно, так как ведет к увеличению уклона
лотка, а следовательно, и потерь напора. Перепад на входе г обыч-
но принимают 0,1...0,15 м.
Отметку дна входной части акведука принимают.такой же, как
и в подводящем канале. Выходную часть акведука устраивают на-
клонной на величину Р (определяемую по расчету), чтобы избе-
жать подпора воды в акведуке и расположенном выше канале.
Учитывая, что поперечное сечение лотка акведука прямоуголь-
ное, гидравлический расчет акведука ведут в следующей последо-
вательности.
Предварительно задаются скоростью потока и его глубиной
в лотке акведука Л, = Л - г (Л — глубина воды в канале) и опреде-
ляют ширину лотка акведука:
bx (2.47)
где Aj и Pj — соответственно глубина и скорость воды в лотке.
Если длина акведука не более lOAj, то расчет выполняется как
для водослива с широким порогом, а при большей длине — по
формуле Шези.
Далее уточняют глубину Л, в лотке акведука, используя фор-
мулу затопленного водослива с широким порогом:
Q=e<p61Ai72^zo
(2Л8)
10 М. В. Нестеров
где е — коэффициент бокового сжатия; <р — скоростной коэффи-
циент для затопленного водослива(<р= 0,85...0,90); v0 — скорость
потока в подводящем и отводящем каналах:
Q Q
v0 = — =---—---
со (b+mh)h
(2.49)
b и т — соответственно ширина по низу и заложение откосов ка-
нала.
Определив hu уточняют скорость в лотке и, =Q/(b1h1).
Из формулы Шези определяют уклон дна лотка при заданном
наполнении:
wi =Cy[Rj, C = -R^,
п
откуда
(2.50)
где п — коэффициент шероховатости (для бетона п = 0,012).
Гидравлический радиус jRj вычисляют по формуле
р =_ЛЛ!
Zi *1+2Й!
(2.51)
Превышение отметки дна в конце акведука над отметкой дна
отводящего канала Р находят из уравнения Бернулли, составлен-
ного для сечений I-I и П-П (см. рис. 2.13):
. ау12 n I. ау2 .
h, -I-----ь Р = Л, и-----1- Л
2g 2 2g 1
(2.52)
где Ли — потери напора при внезапном расширении потока:
Л„
(у1-уо)2
2g
(2.53)
Ввиду небольшой длины раструба потерями на трение пренеб-
регают.
После подстановки всех вычисленных величин (ft2 = h,vt = v0)
в уравнение Бернулли определяют превышение Р.
В зависимости от максимального расходы воды в акведуке, со-
гласно нормативным данным, возвышение стенок акведука над
максимальным уровнем воды назначают по табл. 2.15.
Таблица 2.15
Возвышение стенок над уровнем воды в акведуке
Расход воды в акведуке, м3/с Возвышение, см
Менее 1 10
1.„10 20
10...30 30
30... 50 35
50 ...ЛОО 40
Статический расчет акведуков подобен расчету мостов соот-
ветствующей 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 исхо-
дя 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 пре-
дельных состояний:
1) прочности конструкций свай или свайных ростверков (если
фундамент запроектирован в виде свайного ростверка) и устой-
чивости при воздействии ветровой нагрузки;
2) осадке свайных фундаментов, перемещениям свай и углам
поворота под действием ветровой нагрузки.
2.2.3. Дюкеры
Условия применения. Дюкеры (напорные водоводы) устраи-
вают на каналах и водотоках, когда препятствия (реки, каналы,
суходолы, селевые русла, железные и шоссейные дороги) распо-
ложены на том же или на близком уровне или когда нет возмож-
ности выдержать необходимые габариты при строительстве ак-
ведука (например, при пересечении с судоходной рекой). При
пересечении каналом (водотоком) глубоких и широких рек, до-
лин, оврагов строительство дюкера может быть экономически
выгоднее строительства акведука, главным образом за счет стои-
мости 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 криволиней-
ные дюкеры (рис. 2.15). По числу ниток дюкеры бывают однооч-
ковые и многоочковые. По условиям производства работ и экс-
плуатации дюкеры подразделяют на закрытые, открытые и
комбинированные.
Рис. 2.15. Основные конструктивные схемы дюкеров:
а, б — закрытые колодезный и криволинейный соответственно; в — откры-
тый с напорными трубопроводами
К основным частям дюкера относят входной и выходной оголов-
ки, напорные трубопроводы, анкерные и промежуточные опоры и
участки сопряжения с каналом. Ремонтные затворы, решетки,
служебные мостики, перильные ограждения, водовыпускные пат-
рубки, контрольные люки, компенсаторы — все эти элементы яв-
ляются вспомогательными частями дюкера.
В местах резкого поворота оси трубопровода, а также на пря-
молинейных участк»ах, где это необходимо по расчету, устанав-
ливают анкерные опоры (через 150...180 м). Они бывают двух ви-
дов: открытого и закрытого. В анкерной опоре закрытого типа
трубопровод заделывают в массивную кладку опоры на всю дли-
ну криволинейного участка. В опоре открытого типа для анке-
ровки трубы примен яют 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 целесо-
образны опоры закр ытого типа.
Выполняют дюкеры из бетона, железобетона, стали, дерева,
пластмассы. Выбор материала определяется действующим на-
пором. Так, бетонные дюкеры устраивают при напорах до 3 м,
железобетонные — 30...50 м, а из предварительно напряженно-
го железобетона — до 100 м. Стальные дюкеры практически не
имеют предела по запору. Деревянные дюкеры возможны при
напорах 20.. .30 м, однако их применение ограничено их недол-
говечностью.
В местах укладка крупных и длинных железобетонных дюке-
ров на пологих скло нах местности устраивают застенный дренаж
для отвода фильтрационной воды. Дренаж укладывают в пазу-
хах трубы.
Наименьшее расстояние между уложенными трубами на уров-
не их центров прин имают: при диаметре до 1000 мм и двух нит-
ках — 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 нс менее диаметра трубы.
Радиусы закруглений труб из сборных элементов зависят от
диаметра, длины готовых звеньев и конструкции стыка. Мини-
мальные радиусы закруглений при монолитном исполнении при-
нимают 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
от насыпи к дюкеру определяется на основании технико-эконо-
мического сопоставления.
Поперечные сечения труб дюкера могут быть круглыми и пря-
моугольными. Наиболее распространено круглое сечение труб.
Оно выгодно как по расходу материала, так и с точки зрения ста-
тического и гидравлического расчета.
Асбестоцементные, керамические и пластмассовые трубы
подвержены разрушению от ударов, поэтому при укладке их за-
глубляют. Стальные трубы укладывают на опорах выше поверх-
ности земли не менее чем на 0,6 м, так как они подвержены кор-
розии. Железобетонные трубы можно заглублять, укладывать
над поверхностью земли или непосредственно на земле. Заглуб-
ленные в грунт или обсыпанные грунтом трубы находятся в бо-
лее благоприятных температурных условиях по сравнению с не-
заглубленными. 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 кана-
ла, 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(о2/2#) или на 0,6а,
где а — линейный размер сечения трубы дюкера на входе (по вер-
тикали).
Сопряжение оголовков дюкеров с каналом выполняют в виде
стенок: обратных, ныряющих или с косыми плоскостями. Зада-
ча оголовков — обеспечить плавный вход потока из канала в тру-
бы (входной оголовок) и плавное сопряжение выходящего из труб
потока с отводящим каналом. В начале входного и в конце вы-
ходного оголовков иногда закладывают шпунтовую стенку, чаще
зуб, для предотвращения возможной фильтрации. Очень полезн >
дренирование склона с отводом дренажных вод в нижерасполо-
женное русло (как это делается в акведуках). Шандорные пазы
предусматривают на входном и выходном оголовках каждой тру-
бы, чтоб иметь возможность ремонтировать одну из труб в случае
необходимости. Для защиты труб от плавающих тел входной ого-
ловок оснащают решеткой. Входной и выходной участки дюкера
оборудуют служебными мостиками и ограждают перилами.
Если уровень воды в начале трубы располагается ниже уровня
воды подводящею канала, то в трубе обычно образуется 1идрав-
лический прыжок, сопровождаемый толчками, вибрацией. Это
нарушает спокойную работу сооружения и снижает прочность и
устойчивость сооружения. При пропуске малых расходов через
длинныедюкеры в трубах также возникает прыжок. Для предот-
вращения этого явления предусматривают:
• повышение уровня воды в трубе путем установки спиц на
выходе из трубы:
• устройство водобойного колодца перед входом в трубу (пры-
жок затапливается в начале трубы);
• понижение дна входа в трубу на небольшую величину (ре-
комендуется делать, когда уровень воды начального участка тру-
бы близок к уровню дна подводящего канала).
В последних двух случаях возникновение кривой спада, при-
водящее к некоторому увеличению скоростей в подводящем ка-
нале, неопасно, 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 выход-
ная части дюкера могут быть выполнены в виде вертикальных
шахт и колодцев (см. рис. 2.15, а). В этом случае отметку дна
входной и выходной шахт заглубляют по отношению к донной
части горизонтальной трубы. В этих углублениях откладывают-
ся наносы, попадающие в дюкер с водой.
Гидравлический расчет дюкера. Задача гидравлического рас-
чета дюкера заключается в определении потерь напора и пропу-
скной способности дюкера при заданной скорости движения
воды в трубе. Скорость в трубе выбирают в соответствии с техни-
ко-экономическим обоснованием и исходя из условия незанляе-
мости при пропуске любого из расчетных расходов. Ее обычно на-
значают в пределах 1,5...4 м/с. При большей скорости резво
увеличиваются потери напора.
Гидравлический расчет коротких дюкеров проводят на про-
пуск максимальных расходов. Дюкеры, достигающие по длине
нескольких сотен метров, рассчитывают на пропуск минималь-
ных расходов для выявления гидравлического прыжка, небла-
гоприятно сказывающегося на работе дюкера (гидравлический
прыжок вызывает вибрацию труб и расстройство стыков). При
возникновении прыжкового сопряжения предусматривают меро-
приятия, предупреждающие образование гидравлического прыж-
ка 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, но заданному расходу по-
тока, поперечному сечению, длине сооружения, его продольному
профилю;
2) нахождение попереченого сечения дюкера по заданным по-
терям напора при известных расходе, длине дюкера и продоль-
ном 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 ос-
нове уравнения Бернулли, которое составляют для двух сече-
ний — перед входом в дюкер и за дюкером (рис. 2.16);
2 2 2
Л« +^+z=л» + U.). (2.54)
где Л), Uj — глубина и скорость потока в подводящем канале; h2,
vt — то же для отводящего канала; v — скорость в трубе дюкера;
г — разность уровней воды перед дюкером и за ним (теряемый на-
Рис. 2.16. Расчетная схема дюкера
Если поперечные размеры подводящего и отводящего кана-
лов, а также другие их характеристики одинаковы, что довольно
часто встречается в практике, то для этого случая уравнение Бер-
нулли примет следующий вид;
2 2
2=sMb=и»+^)Ь (2-55)
где Ус, сумма коэффициентов гидравлического сопротивления
на входе, выходе, трение, решетке и поворотах.
Коэффициент гидравлического сопротивления на входе
равен: 0,5 — при заостренных кромках, 0,2 — при закруглен-
ных кромках, 0,05...0,06 — при весьма плавпом входе.
Коэффициент гидравлического сопротивления при выходе из
трубы вычисляют по формуле
(2.56)
где (од и (ош — площади поперечного сечения дюкера и живого се-
чения канала.
Коэффициент гидравлического сопротивления на трение по
длине труб дюкера определяют по следующим формулам:
для труб круглого сечения
Е = = (2.57)
Сгд d
для труб прямоугольного сечения
„2
C„=2^" (2.58)
R3
где Л — гидравлический коэффициент трения по длине в трубах;
I— длина трубы, м; С — коэффициент Шези, м1 */c;d диаметр
трубы, м; п — коэффициент шероховатости; ft— гидравлический
радиус, м.
Значение гидравлического коэффициента трения для круг-
лых труб при d < 4,0 м определяют по формуле Н.Н. Павловского:
зЛ
X =8gn2
(2.59)
или по табл. 2.16 в зависимости от диаметра d и коэффициента
шероховатости п при с, вычисленном по формуле Н.Н. Павлов-
ского.
Таблица 2.16
Значения гидравлического коэффициента трения по длине
для круглых труб
4, м Коэффициент шероховатости, п
0,011 0,012 0,013 0,014 0,015
0,20 0,021 0,026 0,033 0,039 0,050
0,30 0,019 0,024 0,029 0,035 0,044
0,40 0.017 0,022 0,026 0,033 0,039
0,50 0,016 0,020 0,025 0,030 0,036
0,60 0,016 0,019 0,024 0,028 0,034
0,70 0.015 0,019 0,023 0.027 0,032
0,80 0,015 0,018 0,022 0,026 0,031
0,90 0,014 0,017 0,021 0,025 0,029
1,00 0.013 0,017 0,020 0.023 0,028
1,20 0,013 0,016 0,019 0,022 0,026
1,50 0,012 0,015 0,018 0,021 0,025
2,00 0,011 0,014 0.016 0,019 0,020
2,50 0,011 0,013 0,015 0,018 0,021
3,00 0,010 0,012 0,014 0,017 0,020
Коэффициент гидравлического сопротивления при повороте
в сороудерживающей решетке можно определять по формуле
Киршмера [59]:
(2.60)
где S — толщина стержня решетки; Ь — величина просвета меж-
ду стержнями; а — угол наклона решетки к горизонту; Р — коэф-
фициент, значение которого зависит от формы сечения решетки:
для круглых стрежней Р = 1,79; для прямоугольных — Р = 2,42;
для прямоугольных стержней с закругленными входными кром-
ками — Р = 1,83; для прямоугольных с закругленными входны-
ми и выходными кромками — Р = 1,67; для клинообразных с за-
кругленными кромками — р - 0,76 (значения Р приведены для
стержней тощиной (диаметром) 10 мм и шириной 50 мм).
Коэффициент гидравлического сопротивления при повороте
^по. рекомендуется определять по зависимости
U.=S«ra, (2.61)
где ^#0» — коэффициент сопротивления при повороте на 90°; а —
коэффициент, зависящий от центрального угла поворота трубы 0.
Коэффициент I; де. зависит от R/d (отношения радиуса закруг-
ления к диаметру трубы) и коэффициента сопротивления по дли-
не трубопровода X и может быть определен по формуле А. Д. Альт-
шуля [59]:
=[0,20+0,001(100Х)в]>/5/К (2.62)
или из табл. 2.17.
Таблица 2.17
Значения коэффициента ^ю. при плавном повороте на 90°
(по опытным данным)
Виды труб B/d
1 2 4 в 10
Гладкие 0,22 0,14 0,11 0,08 0,11
Шероховатые 0,52 0,28 0,23 0,18 0,20
По данным Кригера 0,80 0,48 0,30 0,32 0,42
Величина коэффициента а может быть определена:
при 0 < 90° — по формуле А.Я. Миловича[59]:
а = sinO;
(2.63)
при 0 > 90° — по формуле Б.Б. Некрасова:
а =0,7+0,35-^- (2.64)
90°
или по данным Кригера (табл. 2.18).
Таблица 2.18
Значения коэффициента а в зависимости от центрального угла
поворота трубы Q
Н. град. 20 30 40 50 70 80 1 90 100 120 140 160 180
а 0.40 0,55 0,65 0,75 0,83 0,88 0,951 1,0 1,05 1.13 1.20 1,27 1,33
Необходимо отметить, что коэффициентом сопротивления при
повороте учитывается только влияние искривления потока при
движении его в пределах колена. Потери же напора на трение по
длине колена следует учитывать при расчете прямолинейных уча-
стков труб, вводя в расчет длину осевой линии закругления.
При определении кс эффициента сопротивления при повороте
для труб прямоугольг .го сечения можно пользоваться вышепри-
веденной формулой, но коэффициент сопротивления при поворо-
те на 90° определять по формуле
(2.65)
/ h ХЗ.6
= 0Д24+ЗД
/
где b — ширина трубы.
Значения вычисленные по (2.65), даны в табл. 2.19.
Таблица 2.19
Значения коэффициентов сопротивления ^м. для прямоугольных труб
6/2R ОД 0.2 0.3 0,4 0,5 0.6 ",7 0,8 0,9 1,0
£ 0.12 0,14 0.18 0.50 0.40 0.64 1.02 1,55 2,27 3.23
Скорость рассчитывается по формуле
72*2o =pj2gz0,
(2.66)
коэффициент расхода системы.
По уравнению Бернулли в исходном виде задача решается при-
менительно к первому случаю расчета.
Для второго случая используются зависимости v = p.^2gz и
Q — «о. В данном случае решение ведется подбором и расчеты сво-
дятся в таблицу.
Третий случай расчета выполняется по уравнению
Q=pco72<zo« (2.67)
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 ито-
ге — 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 се-
чением. Если дюкеры работают в зимних условиях, необходимо
проводить термический расчет на обледенение и проверку пропу-
скной способности сооружения в этих условиях.
Статический расчет дюкера. Статический расчет дюкеров про-
водят на сочетание постоянных, временных длительных, кратко-
временных и особых нагрузок и воздействий с учетом возможно-
сти их одновременного действия. Расчеты проводят для периодов
строительства и эксплуатации. Коэффициенты перегрузки опре-
деляют в соответствии со СНиП.
При укладке труб дюкера в сильнопросадочных или набухаю-
щих грунтах необходимо проводить расчеты на неравномерную
деформацию сооружения и основания. При недопустимых дефор-
мациях следует предусматривать соответствующие мероприятия
(предварительная замочка основания, проектирование дюкеров
из стальных труб и т.п.). В районах с глубоким сезонным промер-
занием грунтов, подверженных морозному пучению, проводят те-
плотехнические 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, прямо-
угольного сечения — как замкнутые прямоугольные рамы. В тру-
бах, укладываемых большими звеньями, следует учитывать на-
пряжения, возникающие при их укладке (от кручения и изгиба)
и засыпке грунтом. Специфика работы труб во время строитель-
ства требует железобетонных труб не только с поперечной, но и
с достаточно сильной продольной арматурой.
В открытых дюкерах, как правили, круглого сечения статиче-
скому расчету' подвергают трубы и опоры. Все нагрузки и воздей-
ствия на трубы и опоры в зависимости от направления по отноше-
нию к оси труб дюкера делят на осевые, нормальные, вертикаль-
ные, горизонтальные и радиальные. Для определения каждой из
перечисленных сил пользуются расчетными зависимостями, при-
меняемыми 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 доко-
вых конструкций. В расчетах за нормативный температурный
перепад принимают разницу между максимально и минимально
возможной температурой стенок в период эксплуатации и наи-
меньшей и наибольшей температурой, при которой фиксируется
расчетная схема трубопровода (замоноличивание швов бетонных
дюкеров, установка компенсаторов и сваривание захлестов в ме-
таллических трубах).
Водорегулирующие сооружения
2,3.
2.3.1. Общие сведения
Водорегулирующие (регулирующие) сооружения предназна-
чены:
• для распределения воды по каналам;
• регулирования расходов;
• поддержания заданных уровней;
• обеспечения гидравлической промы вки каналов от отложив-
шихся в них наносов;
• учета воды, подаваемой потребителю;
• регулирования величины сбрасываемого из водохранили-
ща расхода:
* забора и подачи воды в рыбоводные пруды.
Применяются регулирующие сооружения и в качестве голов-
ных на открытых водозаборах при водоснабжении. Отдельно
стоящее регулирующее сооружение может выполнять одну или
несколько поставленных задач, но название ему дается по основ-
ному назначению. Так, например, регулятор, устроенный на ка-
нале 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 ирригационных, однако при этом их конструкция
будет одинакова. Учитывая массовость небольших гидротехниче-
ских сооружений, применяемых на водохозяйственных системах,
очень широко используют их типовые решения из унифицирован-
ных железобетонных деталей.
К регулирующим сооружениям предъявляются следующие
основные требования:
• стабилизация гидравлических параметров потока (уровни,
расходы, отношение расходов и др.) в соответствии с целевым
назначением сооружения, с максимально возможной и экономи-
чески оправданной автоматизацией их работы;
• простота, экономичность и технологичность изготовления
конструкций;
’ надежность и долговечность работы;
• удобство эксплуатации;
• максимальное внедрение типовых решений;
* использование новых, а также местных строительных ма-
териалов, применение прогрессивных методов строительства.
Сооружения на каналах в соответствии со СНиП, как и лю-
бые другие гидротехнические сооружения, классифицируются
по классам. Кроме того, регулирующие сооружения принято
классифицировать пи назначению, конструктивным особенно-
стям, пропускной способности, основному строительному мате-
риалу и способу производства работ.
По назначению регулирующие сооружения могут быть голов-
ными (располагаются в месте забора воды из источника водо-
снабжения), водовылусками, сбросными (аварийными), перего-
раживающими, промывными, концевыми, вододелителями.
По конструктивным признакам различают регуляторы от-
крытые (шлюзы-регуляторы) — с разомкнутым сводом над уров-
нем воды в пределах сооружения), диафрагмовые — забральные
и трубчатые — с замкнутым сводом над уровнем воды. В данном
пособии приводятся основные сведения и гидравлический расчет
открытых и трубчатых (закрытых) регулирующих сооружений.
По пропускной способности различают гидротехнические со-
оружения: менее 0,2 м’/с — очень большой повторяемости (ма-
лые); 0,2...5,0 м3/с — большой повторяемости; 5,0...20,0 м’/с —
средней повторяемости; 20,0...150,0 м’/с — малой повторяемо-
сти; более 150,0 м’/с — индивидуальные.
По основному строительному материалу различают соору-
жения бетонные, железобетонные, из полимерных и местных ма-
териалов.
По способу производства работ бетонные и железобетонные
сооружения подразделяются на сборные, монолитные и сбор-
но-монолитные.
2.3.2. Открытые регуляторы (шлюзы-регуляторы)
Применение открытых регуляторов. Открытый регулятор
представляет собой сооружение, состоящее из флютбета, про-
дольных стен и переходных участков от канала к сооружению и
обратно, оборудованное затвором с подъемным механизмом и
служебным мостиком. Эта группа объединяет большое количе-
ство регулирующих сооружений, используемых для различных
целей:
• на водосбросных трактах водохранилищных плотин в каче-
стве головных сооружений;
• в рыбоводном хозяйстве в качестве водопропускных соору-
жений;
• как водозаборные сооружения (регуляторы-водовыпуски)
при бесплотинном и плотинном водозаборах из источников с не-
значительными перепадами уровней и в случае незначительных
колебаний уровня перед регулятором;
• как подпорные или перегораживающие сооружения на ка-
налах для создания необходимого командования (необходимых
глубин при водозаборе);
• как вододелители для распределения воды между отдель-
ными потребителями;
• в качестве водовыпусков в каналы младшего порядка;
• для пропуска плавающих тел, льда, шуги и т.д.
Открытые регуляторы удобны в эксплуатации, что особенно
важно для каналов, работающих круглый год, в условиях шуго-
вых, ледовых явлений.
Высотное расположение на канале определяется назначением
сооружений. Подпорный регулятор, располагаемый поперек ка-
нала, не должен препятствовать полному опорожнению канала и
создавать дополнительные большие подпоры при пропуске форси-
рованных расходов. Регулятор-водовыпуск, размещаемый в отко-
се канала, должен обеспечивать подачу расчетного расхода в млад-
ший канал при минимальном уровне в старшем и т.д.
Составные части шлюза-регулятора (ШР). В конструктивном
отношении в шлюзе-регуляторе условно можно выделить три со-
ставные части, отделяемые друг от друга деформационными шва-
ми: верховой сопрягающий участок, среднюю часть и низовой со-
прягающий участок (рис. 2.17).
Верховой сопрягающий участок включает в себя продольные
береговые стенки и плиту понура. Этот участок служит для со-
пряжения с каналом и используется обычно при переходе от
большей ширины канала к меньшей сооружения.
Рис. 2.17. Открытый шлюз-регулятор:
а — с подтопленным истечением; б — с неподтоплен!гым истечением; 1 —
верховой сопрягающий участок; 2 — средняя часть — лоток; 3 — низовой со-
прягающий участок; 4 — рисберма; 5 — подводящий и отводящий каналы
11 М. В. Нестеров
Средняя, основная часть сооружения представляет собой ло-
ток прямоугольного, редко трапецеидального сечения. В преде-
лах лотка размещаются бычки, пазовые конструкции, затворы,
служебные мостики и проезжие мосты. Низовой сопрягающий
участок служит продолжением средней части сооружения и ис-
пользуется для сопряжения с отводящим каналом и размещения
на флютбете гасителей энергии. За низовым сопрягающим участ-
ком следует рисберма — водопроницаемая часть флютбета.
Примыкание отдельных частей шлюза-регулятора друг к дру-
гу, а также к каналам взаимоувязывается с целью обеспечения
благоприятных гидравлических условий протекания потока. Сле-
дует отметить, что на каналах осушительно-оросительных систем
применяют в основном схемы шлюзов-регуляторов без верхового
и низового сопрягающих участков (рис. 2.18).
Рис. 2.18. 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
Сопряжение шлюзов-регуляторов с каналами. Для сопряже-
ния каналов с сооружениями используют обратные стенки, ны-
ряющие стенки, косые плоскости и их комбинацию. Каждый из
перечисленных типов сопряжений применим на входном и вы-
ходном участках шлюза-регулятора.
При разных размерах канала и сооружения применяют рас-
труб-воронку (см. ркс. 2.17), размещая его в пределах сопрягаю-
щих участков. Он обеспечивает плавный переход потока воды от
канала к сооружению. Угол 9 в раструбе-воронке принимают из
условия безотрывного протекания потока вдоль стенок.
Сопряжения по типу обратных стенок (рис. 2.19, а) приме-
няют с сопрягающими участками и без них (см. рис. 2.18). Сече-
ние обратных стенок выполняют одинаковым с сечением про-
дольных сопрягающих стенок, с запуском за бровку канала не
менее чем на 0,3...0,5 м. Обратные стенки очень широко приме-
няют в гидротехнических сооружениях из-за простоты выполне-
ния. К их недостаткам можно отнести большой расход материала
и неблагоприятные гидравлические условия из-за появления вих-
рей и отжима потока от продольных стенок на подходе, а также
образование водоворотных зон за обратными стенками. Однако
при небольших подходных скоростях в канале последнее обстоя-
тельство не имеет существенного значения.
Ныряющей стенкой (рис. 2.19, б) принято называть такое со-
прягающее устройство, плоскость гребня которого наклонена под
уровень воды. Ныряющие стенки размещают на части длины со-
прягающих участков. Переход от откоса канала к откосу ныряю-
щей стенки выполняют по криволинейной поверхности или пере-
секающимся плоскостям, которые покрывают одеждой. Длина
ныряющей стенки определяется заложением ее откоса и глубиной
канала. По условиям производства работ необходимо иметь хотя
бы небольшой участок с горизонтальной плоскостью на уровне
верха берегового устоя в месте примыкания к нему, поэтому дли-
на сопрягающего участка должна быть больше.
Стенка типа косой плоскости (рис. 2.19, 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. Ли-
цевая 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 сторо-
ны обратной засыпки) имеет отрицательное заложение в месте
примыкания к каналу и положительное в месте примыкания
к устою. Примерно посередине стенки будет сечение, где тыло-
вая поверхность имеет вертикальное направление. Двумерность
поверхности лицевой плоскости стенки, плавно сопрягающей
Рис. 2.19. Типы сопряжений каналов с сооружениями:
а — обратная стенка; б — ныряющая стенка; в — косая плоскость
плоскость откоса канала с вертикальной плоскостью устоя, соз-
дает чрезвычайно благоприятные гидравлические условия, по-
этому 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 сред-
ней части шлюза-регулятора: устои, быки (бычки), служебные и
проезжие мосты, водобойная плита и гасители на ней. Основные
из них, определяющие конструкцию регулирующего сооруже-
ния, — это устои и быки, которые по внешнему очертанию могут
быть представлены несколькими типами (рис. 2.20) 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), ко-
гда грунты основания мало сжимаемы и не ожидается неравно-
мерная осадка частей сооружения. Неразрезная конструкция
(доковая) характерна для шлюзов-регуляторов монолитной кон-
струкции, когда средняя часть сооружения представляет собой
единый блок, и для сооружений, которые расположены на грун-
тах, подверженных значительной и неравномерной осадке.
Устои (береговые стенки) служат ограждающими конструк-
циями, которые воспринимают силу давления грунта обратной
засыпки и одновременно используются для размещения пазовых
конструкций и опирания пролетного строения мостов — служеб-
ных и проезжих. Тип и толщина быков и устоев среднего участка
шлюза-регулятора зависят от типа используемого затвора. Из-за
необходимости расположения затворов в пазах при маневриро-
вании часть быка со служебным мостиком выполняют более вы-
сокой, чем требуют условия расположения максимальных уров-
ней воды. Верх устоев обычно выполняют горизонтальным.
Быками (бычками) называют вертикальные стенки, кото-
рые разделяют водосливной фронт на пролеты. Бычки, как и
устои, используют для размещения пазовых конструкций, они
служат также в качестве опор для пролетного строения мостов.
Рис. 220. Типы контуров устоев и быков в водоподпорных сооружениях:
тип I — с низко расположенным служебным мостиком; тип II — то же, но
с проезжим мостом; тип 1П — с повышенным расположением служебного
мостика; тип IV —то же, но с проезжим мостом; тип V — с двумя служебны-
ми мостиками, низко расположенными для маневрирования шандорами и
высоко расположенными для маневрирования основными затворами, с про-
езжим мостом и без него; 1 — основные затворы; 2 — пазы для ремонтных за-
творов; 3 — служебный мостик; 4 — проезжий мост; 5 — ограждение
Однако необходимо заметить, что бычки не являются обязатель-
ным элементом всех регулирующих сооружений. Часто в неболь-
ших шлюзах-регуляторах на khHujiax гидромелиоративных систем
они отсутствуют, а пазовые конструкции и служебные мостики
размещаются на устоях.
Гидравлические расчеты и типовые расчетные схемы шлю-
зов-регуляторов. Открытые шлюзы-регуляторы обычно работа-
ют по схеме водосливов с широким порогом, имеющих затворы.
Исходные данные для определения их размеров: расчетные зна-
чения расходов, глубины потока в отводящем канале за сооруже-
нием, допускаемые напоры перед шлюзом-регулятором, форма и
размеры поперечного сечения канала. Схему работы открытых
шлюзов-регуляторов 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 рас-
четах приводится к расчетной схеме. Правильно принятая схема
и соответствующие ей числовые коэффициенты в формулах по-
зволяют обеспечить работу построенных сооружений в заданном
режиме и главное — гарантировать пропуск расчетных расходов
воды через сооружение.
Размеры регулятора определяют из условия пропуска через
него максимального расчетного расхода при полностью подня-
тых затворах.
Шлюзы-регуляторы в гидравлическом отношении рассматри-
ваются как водосливы с широким порогом с подтопленным или
неподтопленным истечением (рис. 2.21).
Расчет шлюзов-регуляторов с подтопленным истечением.
Для этого случая работы регулятора (рис. 2.21, а, б) расчетная
формула имеет следующий вид:
Q = be<pB^2g^, (2.68)
где б — коэффициент, учитывающий характер подвода воды к во-
досливу и зависящий от утла а между осями подходного потока п
потока за водосливом (принимается ни табл. 2.20); е — коэффи-
циент, учитывающий боковое сжатие потока (определяется по
(2.70); <р — коэффициент скорости (принимается по табл. 2.22);
В — ширина сооружения, м; h — глубина воды на пороге водо-
слива, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; z0 — разность
уровней воды в бьефах с учетом скорости подхода.
Величина z0 определяется по формуле
аи2
z0-z+—,
(2.69)
где р — скорость подхода воды, м/с.
Рис. 2.21. Расчетные гидравлические схемы открытых
шлюзов-регуляторов:
я — водослив с приподнятым широким порогом; б — донный водослив с ши-
роким порогом с подтопленным истечением; в — водослив с широким поро-
гом с неподтопленным истечением; г — истечение через большие неподтоп-
ленные 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
Таблица 2.20
Значения коэффициента 6 в (2.68)
Угол о, град. 0 30 45 60 75 00
8 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:
е = 1-0Д^пе^-,
Ь
(2.70)
vji/et, — коэффициент, учитывающий влияние формы устоев и бы-
ков (принимается: для прямоугольных устоев — 1, полуциркуль-
ных или заостренных — 0,7 и криволинейных заостренных —
0,4 (рис. 4.46); nt — число боковых сжатий потока, равное удво-
енному числу пролетов; Но — 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, со-
гласно табл. 2.21. Тогда полная ширина регулятора
B' = nb + t(n-l), (2.71)
где п — количество пролетов; t — толщина быков, м (ориентиро-
вочно t = (0,06...0,1)6).
Таблица 2.21
Шярпа (пролет)
отверста*, и
Высота отвер-
ста*. в
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; 6; 7; 8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 27; 30_____________
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; 0; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20
Примечания: 1. Зв пролет отверстия принимается размер в свету меж-
ду ограничшающнми отверстие вертикальными гранями сооружений.
2. За высоту отверстия принимается размер от порога до нормального
подпорного уровня воды (для поверхностных отверстий), размер от поро-
га до верхней грани отверстия (для глубинных отверстий).
Расчет тлюаов-регдхяторов с непо&топяенмым истечением.
Такие регуляторы, как промывные, сбросные, концевые, обычно
работают по схеме неподтопленного водослива с широким поро-
гом (см. рис. 2.21, в). В этом случае
Q = 8emBj2gH%2, (2.72)
где т — коэффициент расхода.
Постоянные величины в (2.72) можно объединить одним зна-
ком:
М =m^2g.
Тогда
Q = 8eMBH*2.
(2.73)
(2.74)
Значения коэффициента расхода т и соответственно коэффи-
циента водослива М приведены в табл. 2.22 [14].
Таблица 2.22
Значения коэффициентов ф, т, М для водосливов с широким порогом
Условия истечения Ф m м
При отсутствии гидравлических сопротивлений 1,00 0,385 1,70
При хорошо подобранной форме входа 0,95 0,365 1,62
Закругленный входной порог 0,92 0,350 1,55
При притупленном входном ребре 0,88 0,320 1,42
При незакругленном входном ребре (острая кромка) 0,85 0,320 1,42
При неблагоприятных гидравлических условиях 0,80 0,300 1,33
входа (острое и неровное входное ребро)
Характер истечения через водослив устанавливают по критерию
подтопления, который, по П.Г. Киселеву, может быть принят [14]:
ha > l,25hKp или ha < 1,25йкр,
(2.75)
где ha — глубина подтопления со стороны нижнего бьефа, м; Лкр —
критическая глубина на водосливе, определяемая по формуле
(2.76)
где а — коэффициент кинетической энергии потока (коэффици-
ент Кориолиса, принимается равным 1,0...1,1).
При hB > 1,25Акр водослив подтоплен, при й„ < 1,25/1^ — водо-
слив не подтоплен.
Порядок расчета рэгулятора при полностью открытых затво-
рах. При заданном расходе и известной глубине воды перед поро-
гом водослива неизвестными величинами в (2.68) будут В, е, Л и
2, а в (2.72) — В ие. Поэтому определение ширины регулятора
рекомендуется вести ij такой последовательности:
1. Предполагают Характер истечения: подтопленный или не-
под топ ленный.
2. Предварительно задаются значением е в пределах 0,85. ..0,95
и величиной г в пределах 0,1...0,5 м в зависимости от назначения
регулятора (например, при орошении (обводнении) г нужно при-
нимать меньшим, чтобы сохранить командование над орошаемой
площадью). Тогда h = H-ж.
3. Из(2.68)или(2.72),в зависимости от характера истечения,
определяют ширину регулятора В.
4. В случае необходимости водосливной фронт найденной ши-
рины разделяют быками на пролеты в соответствии с типовыми
размерами отверстий (см. табл. 2.21). Количество пролетов же-
лательно принимать нечетным, чтобы предотвратить сбойность
потока в нижнем бьефе.
5. Определяют полную ширину регулятора Во с учетом приня-
тых типовых размеров отверстий и толщины быков по зависимо-
сти (2.71).
6. По (2.70) уточняют значение коэффициента бокового сжатия.
7. При неподтопльнном истечении по определенному £ из (2.72)
находят ширину регулятора и при необходимости изменяют ее.
Для данного расчетного случая определение размеров регулятора
на этом заканчиваете^.
Для подтопленного истечения по известной полной ширине ре-
гулятора и уточненному значению коэффициента бокового сжа-
тия из формулы (2.68) определяют величину z0.
8. Зная z0, из (2.69) находят г и уточняют глубину воды на по-
роге h-H -г.
9. По (2.76) определяют критическую глубину на водосливе и
по критерию (2.75) Проверяют правильность предположения о ха-
рактере истечения.
Расчеты шлюзов-регуляторов при частично перекрытых от-
верстиях. Размеры регуляторов определяют из условия пропуска
через них расчетных максимальных расходов при полностью под-
нятых затворах..
При проверочных расчетах, т.е. при пропуске части расчетно-
го расхода воды, отверстия частично перекрывают затворами.
Особенность расчетов в этом случае состоит в том, что их выпол-
няют ири известных размерах, сооружения. При таких расчетах
определяют расход воды, проходящий через суженное отверстие
шлюза регулятора, или находят размеры этого отверг тия, если
известен расход, который нужно пропустить через него. В этих
случаях определяют возможность работы сооружения с неподто-
□ лени ой струей и в случае необходимости проектируют различ-
ного типа гасители кинетической энергии потока (водобойные
колодцы, водобойные стенки, шашки и др.).
Расчеты по пропуску потока поды через пролгты шлима-регу-
лятора, частично перекрытые затворами, ведут по двум основ-
ным схемам: истечение из больших отверстий и выпуск воды
из нод затвора. К больтим относят отверстия, размер (высота)
которых Ирен ышаеТ 0.1Н .
Истечение из больших отверстий. В схемах истечения пото-
ка воды из больших отверстий, размеры которых соизмеримы
с глубиной воды перед сооружением, расчет для неподтопленно-
го отверстия (см. рис. 2.21, г) при постоянном напоре ведется по
формуле ___
Q=pa4^7T0, (2.77)
где ц — коэффициент расхода (приближенно принимается по
табл. 2.23); со — площадь отверстия в свету, м2; — глубина
над центром тяжести отверстия с учетом скорости подхода, м.
Для подтопленного отверстия (см. рис. 2.21, д) расчет ведется
по формуле
О = рш^2о, (2.78)
где z0 — разность уровней воды с учетом скорости подхода, м.
И стечение воды и>под затвора. Здесь могут быть два случая
работы шлюза-регулятора:
1) выпуск воды из-под затвора а горизонтальный лоток с пе-
подтоплецным истечением;
2) выпуск воды из-под затвора в горизонтальный лоток с под-
топленным истечением.
Для первого случая работы регулятора (см. рис. 2-21, е) рас-
четная зависимость имеет вид;
Q=<fe'aB^2g(H0-e'a), (2.79)
где а — высота открытия затвора, м; е' — коэффициент верти-
кального сжатия, зависящий от отношения высоты отверстия
к глубине воды перед затвором (табл. 2.24). При предваритель-
ных расчетах коэффициент вертикального сжатия принимают
равным 0,62.
Таблица 2.23
Значения коэффициента расхода ц для предварительных рас четов
гидросооружений (по Н.Н. Павловскому) [ 14]
Тип опигрстяя Ц
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 алия нием бокового сжатия Ч,65...0,70
Данны* .TiBeiiCTHa с главными боковыми подход.'МИ ),80—0,85
Таблица 2.24
К расчету Тс, s’ и а при ястеченяи из-под плоского вертикального
затвора в горизонтальный лоток (по Н.Е. Жуковскому)
Ч е' а/Н Ф»Ч) £* а/Н
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 1.384 0,395 0,660 0.61)
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 сжа-
тую глубину за плоским затвором в русле без порога при извест-
ном расходе, напоре и коэффициенте скорости можно определять
с помощью таблиц, рассчитанных по формулам Н.Е- Жуковско-
го. Для этого находится функция относительной сжатой глубины
т€ = Лс /£'(, по формуле
Ф(Т<) = Л? (2-80)
©V
где q — удельный расход, м2/с; = Но — полный напор, м.
Удельный расход определяется но зависимости
чЛ
В
(2.81)
По значению Ф(тг) из табл. 2.24 находят те, отношение н/Н. То-
гда высота открытия затвора а—(а/ Н)Н, а глубина воды в сжа-
том сечении Ле = те Но
Для второго случая — выпуск воды из-под затвора в горизон-
тальный лоток с подтопленным истечением (см. рис. 2.21, ж) —
расчет выполняется по формуле
(2.82)
где ht — глубина воды в сечении, в котором при истечении через
незатопленное отверстие наблюдается сжатая глубина, м.
Глубину Л, находят но зависимости
V \ "
(2.83)
где величину N вычисляют по зависимости
N = 4p2a2^—
Me
(2.84)
где h6 — бытовая глубина воды в отводящем канале, м; ц — коэф-
фициент расхода (ц =<реили по табл. 2.23); Ле — глубина воды
в сжатом сечении, м (йг =s'a).
Коэффициенты <р и Е' имеют такие же значения, как и при ис-
течении через иезатипленное отверстие.
Истечение будет подтопленным, если Лв > Л' (Л' — глубина,
сопряженная с hc).
Глубина, сопряженная с сжатой, определяется по формуле
Следует отметить, что при работе регулятора с неподтоплен-
ной струей, если эго необходимо, проектируют гасители избы-
точной энергии.
Пример 2.3. Определить ширину шлюза регулятора.
Исходные данные. Пропуск расхода Q= 38,0м’/с, нм юр в е пороге ре-
1улитора равен глубине воды в подводящем канале Н = 2,6 м.
1. Расчет ширины регулятора будем проводить ло схеме водослива
с широким порогом. предположив подтопленный характер истечения
(см. рис. 2.21, 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,
<р = 0,95. Коэффициент бокового сжатия е принимаем предварительно
равным 0,85. Задаемся разностью уровней z = z0 = 0,20 ы.
Тогда h - Н г - £5 -0,2-2.3 м.
3. Из (2.68) определяем ширину сооружения:
____SL = =____________38 „.=_== 1033 м
8e9hy[2g!0 1 035 0,95-237^931 0,2 ‘
4. Принимаем три пролета шириной Ь = 3,5 м (согласно табл. 2.21).
5. Определяем полную ширину pei-улятора с учетом принятых нор-
мативных отверстий, предварительно приняв толщину быков
t = 0,12b = 0,42 -0,4 м.
Полная ширина регулятора
В„=лЬ + «п-1) = 3 • 3,5+0,4(3-1)= 11.3м.
6. Определяем напор с учетом скорости подхода
Ho=H + ((toa)/(2ff>.
где и — скорость подхода потока.
Получим 0 38 v =—- = ———=1,36 м/с. 11Д 2,5
Тогда Но =2,5 + У-1’3*3! =2$ м. 0 2-931
7. Форму быков принимаем заостренной (Е = 0,7).
8. По зависимости (2.70) уточняем зничение коэффициента бокового
сжатия:
е = 1-0ДЕ,».—=1-0,1 0,7 6 —=0,90.
' В 113
9. Далее из (2.68) определяем величину ze:
£_______& __ =_____________38а__________
’’ ‘бМф’В’Л^ (1 6,90 035 113-23)1 2 931 "
Без учета скорости подхода разность уровней
сш! 1,1.1,36* ллг
z=20------= 0,15-------------« 0,05м.
° 2g 2 9,81
1С. Уточняем глубину воды на пороге регулятора:
Н = Л„ = Н - г = 2,5 - 0,05 = 2,45 м.
11. Проверяем правильность предположения о характере истечения,
для чего определяем критическую глубину на пороге водослива:
Л =s = 1 Ы 38я
'v\gB* ^9,8110,5*
= 1,21 м.
Тогда 1,25*^ = 1,25 • 1,21 = 1,51 м.
Так как — 2,1 м > 1,25 Лч = 1,51 м, то вотослив подтоплен, что уквзы-
вает на правильность принятого предположения о характере истечения.
2.3.3. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы
Конструктивные особенности. Это разновидность открытых
шлюзов-регуляторов, в которых по линии основных затворов име-
ется стенка-диафрагма (забральная стенка), нижнее ребро кото-
рой расположено несколько выше расчетного уровня воды в от-
водящем канале. Образующееся отверстие между диафрагмой и
пирогом шлюза-регулятира перекрывается затвором. Конструк-
ция диафрагмового шлюзн-регулятора приведена на рис. 2.22.
Рис. 2.22. Схема диафрагмового шлюза-регулятора:
1 — понур; 2 — бетонные плиты крепления; 3, 5 — пазы для ремонтных за-
творов; 4 — диафрат ма; б — основной затвор; 7,8,9 — плиты соответственно
порога, водобоя, рисбермы; 10 — обратные фильтры
Диафрагма представляет собой железобетонную плиту (стен-
ку) прямолинейного или криволинейного очертания, заделан-
ную в устои и быки. Нижнее ребро диафрагмы усиливают балкой
жеткости, располагая ее со стороны нижнего бьефа.
Диафрагмовые шлюзы-регуляторы применяют при значитель-
ной разнося и уровней воды верхнего и нижнего бьефов. Следует
обратить внимание на ошибочность указаний, приводимых ино-
гда в учебниках, о применении диафрагмовых шлюзов-регулято-
ров только в местах глубоких выемок. Наличие диафрагмы позво-
ляет сократить высоту затворов, что дает снижение стоимости
строительства сооружения и экономию при его эксплуатации.
Особенности расчета диафрагмового и промывного шлюзов-
регуляторов. При проектирований диафрагме-кого регулятора
обычно назначают его ширину и задаются характером истече-
ния. Затем по (2.79) или (2.82) вычисляют высоту отверстия под
диафрагмой и проверяют характер истечения. Таким путем опре-
деляют и ширину регулятора при заданном расстоянии между
нижней кромкой диафрагмы и порогом сПлютбета.
При расчете промывного шлюза-регулятора его водосливной
фронт определяют из формулы водослива с широким порогом при
неподтопленном истечении — (2.72). Особенность расчета состоит
в том, что вначале задают величину размывающей скорости, при
которой происходит смыв отложившихся наносов, затем опреде-
ляют глубину воды в канале, которую и подставляют в (2.72).
12 М В Нестеров
Трубчатые сооружения
2.4.1. Общие сведения
При пересечении каналами небольших водотоков, протекаю-
щих в неглубоких и широких долинах, строительство акведука
оказывается неэкономичным. Поэтому каналы в таких случаях
устраивают в насыпях, в которых прокладывают трубы для про-
пуска ливневых и паводковых вод.
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. 2.23, а) включает входной оголовок 1,
затворы 2, водопроводящую часть в виде трубы 3, выходной ого-
ловок, гаситель и переходные участки. Применяют затворы пло-
ские, 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 требо-
вания к ее фильтрационной защите и создаются условия заиле-
ния трубы в нерабочем состоянии, но при этом имеются опреде-
ленные удобства в управлении работой регулятора и водоучета.
2.4.2. 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 сопряже-
ния с нижним бьефом.
Гидравлический расчет входного участка трубы выполняют
в зависимости от условий его работы.
Различают следующие режимы работ ы груб:
• безнапорный (рис. 2.23, б) — входное и выходное сечения
не затоплены и на всем протяжении трубы поток имеет свобод-
ную поверхность: т.е. < Нг < ATP(d), где и Нг — соот-
ветственно глубина воды перед трубой и за трубой; h^d) — высо-
та (диаметр) трубы;
• полунапорный (рис. 2.23, в) — входное сечение трубы зато-
плено, т.е. на входе труба работает полным сечением, а на осталь-
ном протяжении поток имеет свободную поверхность: Н, > ^(d)
иНг< h^d);
• напорный (рис. 2.23, г) — входное сечение трубы затоплено
и по всей длине труба работает полным сечением: Ht > l,2h^d) и
Ht>hw(d).
Рис. 2.23. Конструкция трубы-регулятора института «Белгипроводхоз» (в)
и схемы к гидравлическому расчету труб для режимов:
б — безнапорного; в — полунапорного (частично напорный); г — напорного
При выборе режима работы трубы следует учитывать, что наи-
более безопасным является безнапорный режим с обеспечением
такого возвышения высшей точки внутренней поверхности тру-
бы над поверхностью воды, при котором возможно проплывание
12*
через трубу некрупных предметов. Следует отметить, что безна-
порный режим достаточно устойчив, не вызывает колебания уров-
ней воды в бьефах, позволяет оборудовать сооружение автомати-
ческими водомерными и водорегулирующими устройствами, га-
рантирует надежную работу стыков между звеньями труб, но
живое сечение трубы при этом используется не полностью.
При затоплении входного сечения через трубу проходит боль-
ший расход, но при этом возникают дополнительные трудности
в эксплуатации сооружений. Наиболее опасным является пере-
ход от полунапорного режима к напорному и неустойчивый на-
порный режим, при которых в трубе возникает перемепное дав-
ление 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 трещи-
ны, что приведет к потере несущей способности насыпи. При ра-
боте трубы с затопленным входом должна быть обеспечена водо-
непроницаемость стыков звеньев и блоков, отсутствие сквозных
трещин, а также устойчивость насыпи против воздействия под-
пора воды и ее фильтрации через тело насыпи. В связи с вышеиз-
ложенным полунапорный режим в сооружениях мелиоративных
систем применять не рекомендуется, тем более следует избегать
его как переходного, когда из напорного режим периодически пе-
реходит 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 уст-
ройств. Однако пропускная способность трубы в напорном режи-
ме 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 толь-
ко два режима работы труб: безнапорный и напорный.
Безнапорный режим работы трубы. При безнапорном режи-
ме протекания (по условиям работы мелиоративных и дорож-
ных водопропускных труб) основным является случай, когда
сжатое сечение не затоплено и пропускная способность зависит
только от условий входного участка трубы (до сечения, в кото-
ром спокойный поток переходит в бурный при «длинных» тру-
бах). Когда сжатое сечение затоплено, пропускная способность
трубы снижается.
Затопление сжатого сечения может быть вызвано влиянием
сопротивления по длине трубы при относительно большой ее дли-
не и малом уклоне, повышенной шероховатостью или затоплени-
ем из нижнего бьефа.
В зависимости от влияния длины трубы на пропускную спо-
собность различают «короткие» и «длинные» трубы.
У ♦ коротких* труб сжатое сечение не затоплено и их общая
длина не оказывает влияния на пропускную способность, а глу-
бина воды в трубе примерно равна сжатой глубине h^. В «длин-
ных» трубах сжатое сечение затоплено, и на протяжении всей
длины трубы сохраняется спокойный поток, вследствие чего со-
противления по длине трубы влияют на пропускную способность.
Иногда считают, что при l/d >10 труба «длинная», а при l/d <10 —
«короткая».
Предельная длина «коротких» труб при :т = 0, т.е. при уклоне
трубы, близком к нулю, для бетонных труб с обычной (не повы-
шенной) шероховатостью может быть определена по эмпириче-
ским зависимостям [45]:
l^/Hl0 = 13^/m2(0,385-m)2 + 1£&/т*; (2.86)
^/ЛЖР =107^(0^85-ш)2 + 1Д, (2.87)
где Znp — предельная длина «коротких» труб; Н10 — глубина воды
перед трубой с учетом скоростного напора; Ажр — критическая
глубина воды в трубе; т — коэффициент расхода (определяется
по табл. 2.25).
При уклонах трубы, близких к критическому, рассчитанные
по (2.86) и (2.87) значения lav увеличивают на 30 % [45].
При уклоне трубы, большем критического (Ц, > i^), трубы лю-
бой длины являются «короткими».
Поскольку на каналах мелиоративных систем применяются,
как правило, «короткие» трубы, то в данном пособии приводится
методика только их расчета, а расчет «длинных» труб можно
найти в [32].
Таблица 2.25
Значения коэффициента расхода т в зависимости от типа входного
оголовка и формы поперечного сечения трубы
Тил входного оголовка Форма поперечного еечеппа трубы
прямоугольная круглая
Без оголовков 0,310 0,31
Портальный с конусами 0,325 0,31
Коридорный 0,340 0,32
Воротниковый (<1р = 0°) 0,315 0,31
Раструбный с углом раструбности а,,:
10° 0,360 0,33
20° 0,360 0,33(0,35)
30...45" 0,350 0,33
Примечания: 1. В скобках дано значение т для труб с коническим зве-
ном на входе. 2. Значения т для прямоугольных труб с раструбными ого-
ловками соответствуют условиям <0,85 при а,, = 10° и < 1J0
при Ор = 20°. В остальных случаях т следует определять по формулам:
при а,, = 10° т =0,36-0,12(Hi/hrv -0,85), при а,, = 20° гп=0,Зб-0,12х
Критическую глубину йжр для труб прямоугольного сечения
можно определить по зависимости
(2.88)
где — ширина трубы.
Для круглого сечения й^, находится из общего уравнения кри-
тического состояния потока:
< Q2
B^d6 gd6'
(2.89)
Безразмерное выражение /(BKfd&), называемое критиче-
ской функцией, зависит только от йжр /d. Его значения приведены
в приложении 8.
Вычислив по заданным расходу Q и диаметру d критическую
функцию<?2/(#/8), в табл. 2 приложения 8 находим отношение
hKV/d и по нему йкр.
В зависимости от критической глубины Л^, определяют глубину
воды в сжатом сечении Сжатую глубину в трубах, уложен-
ных с уклоном меньше критического (ц, < i^,), по рекомендации
Н.П. Розанова следует определять по следующим соотношениям:
• для труб, выпущенных из насыпи (без оголовков), с пор-
тальными и воротниковыми оголовками = (0,7&..0,80)Акр;
• для труб с коридорными и раструбными оголовками =
= (0,80...0,85)Лч>;
• для труб с обтекаемыми оголовками Леж = 0,9Лкр.
При расчете труб, уложенных с уклоном более критического
(Ц, > *ч>)> сжатую глубину рекомендуется определять следующим
образом (по В.П. Троицкому):
1) круглые трубы:
• с портальным оголовком — Лсж = 0,78Л|ф;
• с коническим обтекаемым оголовком — = О.ЭХЛ^,;
2) прямоугольные трубы:
• с оголовком коридорного типа — = (0,74...0,78)/^;
• с оголовком раструбного типа с заплечиками — =
= 0,79^;
• с оголовком раструбного типа без заплечиков Л^, =
= (0,84...0,89)Лжр.
При безнапорном режиме расчетная формула для определения
размеров поперечного сечения трубы зависит от его формы. Расчет
безнапорных труб прямоугольного сечения при подтопленном ис-
течении выполняют по (2.68), а при неподтопленном — по (2.72).
При этом имеется в виду, что вход в трубу соответствует условиям
водослива с широким порогом. Критерий подтопления устанавли-
вают по П.Г. Киселеву.
Расчет пропускной способности круглых труб в безнапорном
режиме ведут по формуле
Q = л/2^Я10-Л„),
(2.90)
где <р — коэффициент скорости (для портального и раструбного
оголовков ф = 0,98, для обтекаемого — 0,97 (47]); со^ — площадь
сжатого сечения потока на входном участке трубы (определяется
по таблицам круговых сегментов в зависимости от отношения
h/d; приложение 9); H1Q — глубина воды на пороге водослива
184
2. Каналы и гидротехнические сооружения на них
Расчет пропускной способности безнапорных круглых труб,
согласно [20], можно вести и по зависимости
(2.91)
где £ — коэффициент бокового сжатия (для портальных оголов-
ков принимаюте = 0,85, для раструбных оголовков — 0,9); v— ко-
эффициент, зависящий от отношения глубины наполнения тру-
бы А к ее диаметру d (определяют по табл. 2.26); Но —
разность уровней воды перед трубой и за трубой с учетом скоро-
ai>o )
сти подхода о0 Яо = Н + —— L
Таблица 226
Значения коэффициента v в зависимости от отношения глубины
наполнения трубы h к диаметру d
*/<* V Л/d V h/d V
0,995 0.784 0,75 0,628 0.50 0,398
0,950 0,772 0.70 0,588 0,45 0,344
0,900 0,742 0,65 0,542 0,40 0,295
0,850 0.714 0,60 0,492 0.35 0,246
0.800 0,673 0,55 0,442 0,30 0,198
Для пропуска через безнапорную трубу плавающих тел отно-
шение глубины воды в верхнем бьефе к диаметру трубы должно
составлять Hx/d = 0,7...0,8.
Напорный режим работы трубы. Для эффективного примене-
ния напорных труб должны иметь место следующие благоприят-
ные условия:
• глубина канала должна быть достаточной;
• во избежание образования вакуума в трубе, кавитации, от-
гона прыжка за трубой уклон трубы должен быть не более гидрав-
лического уклона;
• насыпь должна иметь достаточную высоту, соответствую-
щую подпору при Q„,„;
• труба должна быть защищена от образования в ней наледей;
• грунты русла должны быть достаточно устойчивы против
размыва, чтобы не приходилось предусматривать значительные
мероприятия по гашению высоких скоростей на выходе из трубы;
• паводочный поток не должен нести большого количества
наносов;
• водосборный бассейн должен иметь преимущественно лив-
невый сток, дающий более кратковременные паводки, чем снего-
вой.
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 дорогостоя-
щие мероприятия.
Пропускную способность трубы, работающей в напорном ре-
жиме при истечении под уровень, рассчитывают по (2.77).
Коэффициент расхода сооружения (трубы) определяется по
формуле
И» . - L ==, (2.92)
где — коэффициент сопротивления на вход (при острой кром-
ке принимают = 0,5, при плавном входе — 0,2); — коэффи-
циент сопротивления по длине трубы (определяется в общем слу-
чае по зависимости =(2g/)/(Cz7l), где I — длина трубы; С —
коэффициент Шези; R — гидравлический радиус); — коэф-
фициент сопротивления на выход (принимается равным 1,0 или
вычисляется по формуле =(1-со/<ож)2, где о — площадь по-
перечного сечения трубы; <ож — площадь живого сечения канала
за трубой).
Если ось регулятора расположена под углом к оси подводяще-
го канала, то скорость подхода потока учитывать не следует, но
в (2.91) и (2.77) необходимо ввести коэффициент 5, учитываю-
щий поворот потока (см. табл. 2.20).
Необходимо заметить, что напорные трубы испытывают боль-
шее давление воды, чем безнапорные, а следовательно, и напор-
ный режим требует более тщательного выполнения стыков. Од-
нако при одинаковых расходах поперечное сечение напорных
труб меньше, чем безнапорных.
Расчетным режимом в большинстве трубчатых регуляторов
является напорный с затопленным истечением.
При расчете труб-регуляторов обычно решают одну из следую-
щих задач:
1. По расходу Q и размерам отверстия А^ х или d опреде-
лить возможный подпор перед сооружением и скорость тече-
ния воды на выходе у|1И.
2. По напору Н и расходу Q определить требуемые размеры
трубы х или d и скорость на выходе
3. По подпору перед сооружением и размерам отверстия
&тр х ^п>или определить расход Q и скорость на выходе u,UI.
2.4.3. Гидравлический расчет труб-регуляторов
Порядок гидравлического расчета труб, работающих в безна-
порном режиме.
1. Выбирают форму поперечного сечения трубы (круглая или
прямоугольная). Следует отметить, что институтом «Белгипро-
водхоз» разработаны типовые проекты трубчатых сооружений
круглого сечения диаметром 0,6 м; 0,8; 1,0; 1,2 и 1,4 м, а также
прямоугольного сечения размером 1,4 X 2,0 м.
2. Задают ориентировочное значение отверстия трубы или d.
3. Определяют критическую глубину воды в трубе Алр: для
прямоугольного сечения по (2.88), для круглого сечения — по
табл. 1 и 2 приложения 8.
4. По условию (2.75) проверяют затопление или незатопление
на выходе трубы.
5. Пи найденной величине Акр назначают высоту трубы А^,
в соответствии с запасом АЛ, где ДА — наименьшее допустимое
возвышение высшей точки внутренней поверхности безнапор-
ных труб над свободной поверхностью потока при расчетном
расходе (при высоте труб до 3 м для труб прямоугольного сече-
ния ДА = Лтр 6, для труб круглого или овиидального сечения
ЛЛ = Лтр/4).
6. Определяют глубину воды в трубе в сжатом сечении
в зависимости от вида сечения и типа входного оголовка.
7. Определяют площадь сжатого сечения потока на входном
участке трубы е^. Для труб прямоугольного сечения
Дл я труб круглого сечения мт предела ни по таблицам круговых
сегментов в зависимости от отношения h/d (приложение 8).
2.4. Трубчатые сооружения
187
8. Определяют скорость в сжатом сечении у входа
v
сж
9. Находят глубину воды (подпор) перед трубой Я,:
H|0"V
Я,
(2.93)
где и0 — скорость движения воды в подводящем канале.
Глубина воды перед трубой с учетом скорости подхода опреде-
ляется по зависимости
Оа
н-Л+_2^
2^<p2coa
(2.94)
или
(2.95)
где т — коэффициент расхода незатопленного водослива.
Если окажется, что Я, > Л^,, то высоту трубы увеличивают и
расчеты повторяют с начала. Если Hv > d, то диаметр трубы уве-
личивают до ближайшего стандартного и расчеты повторяют
с начала.
Если же по условиям работы трубы допускается полунапор-
ный режим работы, то размеры трубы оставляют прежними и
расчет продолжают.
10. Определяют длину трубы по формуле
L = Няж(т1 + /п2) + В — hTp(m} + /п2), (2.96)
где Нж — высота насыпи (рис. 2.24); mt и тг — соответственно
значение коэффициентов заложения верхового и низового отко-
сов насыпи; В — ширина насыпи по гребню; — высота или
диаметр трубы.
Следует отметить, что высота насыпи Нт определяется в за-
висимости от глубины канала, высоты дороги и должна быть
Нж > + 0,5 м из условий распределения нагрузки на трубу от
проезжающего транспорта.
Если в трубе отсутствует низовой оголовок, в (2.96) подстав-
ляют = 0. Если отсутствуют оба оголовка, верховой и низо-
вой, то длина трубы будет
(2.97)
L = Нлае(т1 + т2) + В.
Рис. 2.24. К расчету длины трубы
11. По (2.86) или (2.87) определяют предельную длину «ко-
роткой» трубы 1ц. Если L < 1ц, то в расчетном случае труба «ко-
роткая» и глубина воды в конце трубы равна hcx.
12. Принимая скорость в выходном сечении трубы, равной
скорости в сжатом сечении (и„„ •= о^), сравнивают ее величину
с по укреплению нижнего бьефа при глубине Если
1,5о__ < ит, расчеты продолжают дальше. В обратном случае за-
даются или большим размером отверстия и расчеты повторяются
сначала, или более мощным типом крепления в нижнем бьефе и
выполняют расчет нижнего бьефа.
13. Определяют критический уклон для данной трубы при
расходе по (2.29). Критический гидравлический радиус для
круглых труб определяется по приложению 9.
Порядок гидравлического расчета труб, работающих в на-
порном режиме.
1. Принимают форму поперечного сечения трубы (круглую
или прямоугольную).
2. Задаются ориентировочным значением отверстия трубы d
или Ь„ х Л_.
3. Определяют длину трубы по (2.96) или (2.97).
4. Определяют скорость движения воды в трубе:
v =<?/ш.
5. Определяют ожидаемый подпор перед трубой по следую-
щей формуле:
Hi =Яг+-^-у(^в+^тр + ^вЛ)-/Ь, (2.98)
2gw2' '
где Н2 — глубина воды за трубой (Я2 = Л); i — уклон трубы.
Коэффициенты сопротивлений на входе по длине и на
выходе можно определить, как было указано ранее.
Иначе коэффициент сопротивления на входе можно опреде-
лить по формуле
(2.99)
где ф„ — коэффициент, принимаемый по графику (рис. 2.25) в за-
висимости от длины трубы [44].
Коэффициент гидравлического сопротивления по длине для
прямоугольных труб определяется по (2.58), для круглых труб —
по формуле
2gn*L
0,15 7d 4/1
(2.100)
Уклон трубы i принимают равным уклону трения it и опреде-
ляют по формуле
2gL
(2.101)
Для труб мелиоративных систем обычно принимают i = 0.
6. Полученный подпор перед трубой должен удовлетворять
условию
^<(^-0.5)- (2-102)
Если >(Япяе -0,5), т.е. не соблюдается условие в отноше-
нии подтопления бровки земляного полотна, то или принимается
решение о повышении насыпи, или отверстие трубы увеличива-
ется до ближайшего большего типового и расчеты повторяются
с начала.
7. Определяют величину действующего напора:
H = Hi+iL-H2.
(2.103)
8. Проверяют достаточность ранее принятого отверстия:
• для прямоугольных труб
(2.104)
• для круглых труб
2д12л2Я
(2.105)
При совпадении расчетного отверстия с ранее принятым рас-
чет продолжается. В противном случае расчет повторяется для
другого размера отверстия.
9. Так как значительная кинетическая энергия, развиваю-
щаяся в напорной трубе, способствует оттеснению уровня ниж-
него бьефа, такая труба будет работать по схеме затопленного
насадка только при достаточном возвышении уровня нижнего
бьефа над верхом выходного отверстия трубы. То есть для затоп-
ления трубы со стороны нижнего бьефа необходимо выполнение
условия
й, > (2.106)
гдеон & — скорость движения воды в нижнем бьефе.
Если условие (2.106) не выполняется, то производят расчет га-
сителей кинетической энергии в нижнем бьефе, т.е. за трубой.
Сопрягающие сооружения
2.5.
2.5.1. Выбор типа сопрягающих сооружений
Сопрягающие сооружения предназначены для сопряжения
участков каналов, расположенных на различных отметках в мес-
тах падения рельефа местности, а также участков трассы откры-
тых береговых водосбросов гидроузлов с глухими плотинами.
По условиям движения потока эти сооружения делят на две
основные группы:
• без отрыва от жестких границ сооружения — быстротоки,
трубчатые быстротоки и перепады;
• с отрывом от жестких границ сооружения на отдельных его
участках — ступенчатые и консольные перепады.
В дальнейшем будет идти речь только о ступенчатых перепа-
дах, быстротоках и консольных перепадах (консолях) как < наи-
более распространенных сопрягающих сооружениях.
Тип сопрягающих сооружений выбирают на основании техни-
ко-экономических расчетов, сравнений вариантов с учетом об-
стоятельств, связанных с производством работ и эксплуатацией.
Главным критерием, оказывающим влияние на выбор типа,
является характер рельефа местности, на которой предполага-
ется устройство сопрягающего сооружения. На пологих склонах
(при падении уклонов от 0,08 до 0,20, а по рекомендации некото-
рых авторов и до 0,25) можно проектировать быстротоки — при
прочих равных условиях они будут более экономичны. На кру-
тых склонах (при 1 = 0,2...0,3) экономически целесообразнее уст-
раивать перепады, так как в этом случае быстротоки могут ока-
заться дороже из-за недопустимых скоростей. Если же рельеф
местности обрывистый и уклоны равны единице и круче, то реко-
мендуется применять консоли.
Второй немаловажный критерий — уровень стояния грунто-
вых вод. При близком их залегании от дневной поверхности луч-
ше выбирать быстротоки или консоли как менее массивные со-
оружения.
Качество грунтов основания также влияет на выбор типа
сопрягающих сооружений. Консоли наиболее требовательны
к грунтам по двум причинам: во-первых, для опоры нужно твер-
дое основание, а во-вторых, размеры воронки размыва при сла-
бых грунтах иногда получаются неприемлемо большими.
На втором месте после консолей по требовательности к каче-
ству грунтов основания стоят перепады, а потом уже идут быст-
ротоки как наиболее легкие сооружения.
Большое значение для выбора типа сопрягающего сооруже-
ния имеют и условия эксплуатации. Особенно они важны для
консолей, так как необходимо постоянно наблюдать за состояни-
ем опоры и глубиной воронки размыва.
За быстротоками нужно особенно следить зимой, когда во вре-
мя 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 благопри-
ятным 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 со-
прягающего 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 стои-
мости опоры.
В табл. 2.27 приведены рекомендации различных авторов по
выбору типа сопрягающих сооружений в зависимости от кон-
кретных условий.
Таблица 2.27
Рекомендации по выбору типа сопрягающих сооружений
Условия Рекомендации
Рельеф местности При 1 = 0,08...0,25 — быстротоки, i = 0,20...0,30 — перепады, < = 1,0 и круче — консоли
Уровень грунтовых вод При близком залегании — быстротоки и консоли
Качество грунтов осно- вания Наиболее требовательны консоли, затем перепады и наименее требовательны — быстротоки
Эксплуатационные условия Наиболее требовательны консоли, быстротоки; наи- менее требовательны — перепады
Экономическая оценка Наиболее экономичны консоли, затем быстротоки и перепады как массивные сооружения
Сопрягающие сооружения должны отвечать основным требо-
ваниям:
• создавать безопасные гидравлические условия движения
воды как в самом сооружении, так и на примыкающих к нему
участках водотоков. Это значит, что при расчетном гидравличе-
ском режиме в верхнем (подводящем) канале не должно быть ни
подпора, ни спада, а в нижнем (отводящем) — размыва. В пре-
делах сооружения скорости должны быть не выше допускае-
мых;
• быть прочными и устойчивыми;
• иметь наиболее рациональные и по возможности простые
формы;
• обеспечивать пропуск в нижний бьеф плавающих тел и шуги.
Следует отметить, что обычно индивидуальные (крупные) со-
оружения предварительно проектируют в нескольких вариантах,
после чего выбирают один из них и окончательно дорабатывают и
уточняют все детали. Мелкие сооружения устраивают по типовым
проектам.
13 МВ Нестеров
2.5.2. Перепады
Конструктивные особенности. Перепады имеют входную (по-
нурную), транзитную (ступени) и выходную части. Транзитная
часть между входом и выходом у одноступенчатого и многосту-
пенчатого (рис. 2.26) перепадов представляет собой соответствен-
но ступень или ряд ступеней, каждая из которых образована вер-
тикальной стенкой падения, боковыми стенками и водобойной
плитой обычно по типу водобойного колодца.
Рис. 2.26. Многоступенчатый перепад:
1 — подводящий канал; 2 — входная часть; 3 — понур; 4 — стенка падения;
5 — водобойная плита; 6 — первая ступень; 7 — сливные отверстия; 8 — вто-
рая ступень; 9 — боковая стенка; 10 — воздушные отверстия; 11 — последняя
ступень; 12 — рисберма; 13 — застойны й дренаж; 14 — смотровой колодец
В водосливной стенке (над стенкой падения) устраивают от-
верстия размерами от 10 х 10 см до 20 х 20 см для опорожнения
колодцев во время выключения перепада из работы.
Длину входной (понурной) части 1и в небольших перепадах
с удельным расходом q < 2 м*/с принимают не менее 2Н, где Н —
глубина воды у входа в перепад, в более крупных перепадах
с q > 2 м’/с — не менее ЗН. Длина предпонурного крепления
= (2...3)Л, толщина плит понура 0,1...0,2 м.
Работа последней ступени и выходного участка перепада
наиболее ответственна для сооружения, так как размывы в ниж-
нем 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 рас-
труба с обратными стенками или косых плоскостей. Очень час-
то водобойный колодец последней ступени получается расши-
ряющимся в плане, так как канал почти всегда шире перепада.
Прилежащий к водобойной части перепада участок канала дол-
жен быть закреплен. Длину участка крепления принимают рав-
ной удвоенной длине водобойного колодца для небольших пере-
падов и (6...8)Н — для больших.
Число ступеней, их длину и высоту стенок падения выбирают
в результате технико-экономического сравнения нескольких ва-
риантов. При этом стремятся к тому, чтобы сооружение вписы-
валось в рельеф склона наиболее просто, без больших выемок.
Высоту стенки падения р принимают до 3...5 м. Толщину днища
водобойных колодцев бетонных и каменных перепадов рекомен-
дуется принимать: 0,35...0,4 м при удельном расходе q < 2 м3/с
и высоте стенки падения р < 2 м; 0,5 м — при q = 2 м’/с и высоте
стенки падения/? < 2 м; 0,6...0,7 м — при 2 <q <5 м*/сир = 2,5 м;
0,8... 1,0 м — прид > 5 м’/с ир = 2,5 м. В железобетонных пере-
падах толщина плит днища принимается: 0,12...0,15 м при
q < 2 м3/с ир = 1,5 м, 0,15...0,3 м— при больших q и р. В других
случаях для расчета толщины водобоя используют приближен-
ную формулу В.М. Домбровского:
t =025y[qjp. (2.107)
Гидравлический расчет многоступенчатого перепада состоит
из расчета следующих основных частей:
1) входной части;
2) числа ступеней и основных размеров первых двух из них;
3) выходной части — последней ступени перепада, рисбермы
и ее сопряжения с отводящим каналом.
Расчетная схема приведена на рис. 2.26.
Ширину прямоугольной входной части определяют из фор-
мулы незатопленного водослива с широким порогом, так как ис-
течение происходит без подтопления со стороны нижнего бьефа:
Q = mebH0y]2gH0,
(2.108)
где т — коэффициент расхода (для водослива с широким поро-
гом т = 0,36); £ — коэффициент бокового сжатия (предваритель-
но принимают 0,9...0,95); b — ширина входной части перепада;
Но — глубина воды в подводящем канале с учетом скорости под-
хода.
После определения ширины b в первом приближении по (2.70)
вычисляют коэффициент бокового сжатия.
Определив е из (2.108), уточняют ширину Ь, т.е. выполняют
второе приближение.
Далее определяют число ступеней:
(2.109)
где г — разность уровней воды подводящего и отводящего кана-
лов; р — высота стенки падения; d — глубина водобойного колод-
ца на промежуточных ступенях.
N рассчитывают, принимая ориентировочнор= 1,5й,р и глуби-
ну водобойного колодца:
(2.110)
где икр и Лкр — скорость и глубина в конце входа. Полученное зна-
чение округляют и принимают окончательное значение N.
Иногда предварительно принимают высоту ступени падения
р = 1,5Л0, а высоту водобойного колодца d = 0,5/ц, где — нор-
мальная глубина в подводящем канале.
Насколько удачно принятыр и d и обеспечивают ли они затоп-
ление прыжка в колодце ступени, определяют по дальнейшим
расчетам.
Критическую глубину и скорость рассчитывают по формулам
(2.111)
где q — удельный расход.
Затем рассчитывают первую ступень. Определяют глубину
воды в сжатом сечении:
(2.112)
где ф — скоростной коэффициент (по рекомендации Е. А. Замари-
на принимается в зависимости от высоты стенки падения р по
табл. 2.28).
Таблица 2.28
Зшчеш скоростного коэффнцневт* <р джя зв шчеава высоты «ленка
надеваяр
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
л. а 1 1.0...0.05 1 0,05...0,91 1 0,91—0,88 1 | 0,88...0,86 | 0,86... 0,85
Определив подбором htl, сопряженную ей глубину вычисляют
по формуле
(2.113)
Следует отметить, что сопряженные глубины можно опреде-
лять, пользуясь графиками профессора М.Д. Чертоусова [59].
Из формулы водослива с тонкой стенкой определяют напор на
водосливе первой ступени:
(2.114)
где т — коэффициент расхода (для водослива с тонкой стенкой
т = 0,42).
Тогда напор на водосливе
=H0l =гЯ~' (2.115)
2tf bhcl
Далее определяют глубину водобойного колодца на первой сту-
пени:
d^A^-H,.
(2.116)
Длина водобойного колодца на всех ступенях, кроме послед-
ней, будет
~ Ли +0Д£пр1,
(2.117)
где£01 и — соответственно длина отлета струи и длина прыж-
ка на первой ступени, определяются по формулам
(2.118)
Вторую ступень рассчитывают аналогично. Глубину воды
в сжатом сечении на второй ступени Лг2 определяют из уравнения
I / 2
. LJ гт аи. ,
Ч = фйс2 2d р+Н, + —-1— Лс2
V \ 2g
(2.119)
где Vj — скорость подхода к водосливу^ = Q/(AA'j)].
Сопряженная глубина Л®2 на второй ступени будет равна:
(2.120)
Напор на водосливе второй ступени
(2.121)
Яг
= Н -
02 2g ’ 2
Q
Глубина и длина водобойного колодца на второй ступени
d2=^c2—= J-oi+Q^LBf2,
где Ьо2 и Ьпр2 — соответственно длина отлета струи и длина прыж
ка на второй ступени, равные
Все последующие ступени, кроме последней, не рассчитыва-
ют, так как они будут точно такими же, как и вторая ступень.
После расчета второй ступени окончательно назначают глуби-
ну и длину водобойного колодца, одинаковые для всех промежу-
точных ступеней в целях упрощения и облегчения производства
работ.
Последняя ступень, в данном случае третья, рассчитывается
с учетом того, что здесь происходит сопряжение с каналом.
Длина последней ступени
•^3 = ^-оз +-^-прз + (2.122)
где LM — длина запаса (Lm=(1...3) hK; hK — глубина воды в отво-
дящем канале.
Длина отлета = Lm.
Если ширина последней ступени постоянная, то LBpa = 1>пр2,
так как вторая сопряженная глубина на последней ступени рав-
на второй сопряженной глубине на предыдущей ступени, т.е.
л:2=^.
Глубина колодца
d3 =оЛ’8 -Лж -Дз, (2.123)
где о — коэффициент запаса (обычно а = 1,05...1,1); Аг — пере-
пад уровней при выходе из колодца в канал, определяется из
формулы
Q = <pt>hB1/2gAz0; <р=0,95; Дз = Дз0-^-; (2.124)
Однако чаще всего последняя ступень устраивается в виде рас-
труба, расширяющегося в плане от Ь до В. В этом случае вторая
сопряженная глубина Л'3 находится из формулы прыжковой
функции, имеющей для прямоугольного русла перепада следую-
щий вид:
= (2125)
gnt 2 gwt 2
где И) — живое сечение в месте падения струи (СО) = bh^; ш, —
живое сечение за местом падения струи (со 2 = ВЛ',).
Следует отметить, что расширяющийся выходной участок пе-
репада должен проектироваться с углом роспуска 0, который во
избежание отрыва потока от боковых стенок и для равномерного
заполнения русла потоком без резкого изменения глубин в сече-
нии следует определять из формулы
tgO = —=, (2.126)
где Пк — параметр кинетичности [П, = (<w^)/(^Ac>)]; ozi — ско-
рость воды в сечении с сжатой глубиной AcJ на последней ступе-
ни, в данном случае третьей.
23.3. Быстротоки
Конструктивные особенности. Быстротоками называются
такие сооружения, которые с большими скоростями переводят
воду из верхнего канала в нижний по лотку без отделения струи
воды от лотка. Они состоят из входного участка, лотка (транзит-
ной части) и выходного участка-гасителя (рис. 2.27).
В конструктивном отношении входная и выходная части бы-
стротока аналогичны, как и в перепадах.
По конструкции транзитной части быстротоки бывают
открытые и закрытые (трубчатые), криволинейные в плане,
с искусственной шероховатостью, струйные (с лотком, разде-
ленным продольными стенками на несколько лотков), перемен-
ной ширины.
Рис. 227. Бетонный быстроток:
1 — вход; 2 — лоток; 3—отверстая в плитах; 4—шов; 5 — водобойный коло-
дец; 6 — выход; 7 — застойный дренаж; 8 — смотровой колодец
Поперечное сечение лотка быстротока может быть прямо-
угольным, трапецеидальным, треугольным и полигональным.
По гидравлическим условиям работы оптимальным считается
прямоугольное поперечное сечение, так как в других сечениях
происходит концентрация струи на осевой части, что приводит
к неустойчивости потока.
При прямоугольном поперечном сечении быстротока боко-
вые стенки устраиваются в виде подпорных стенок, поперечные
размеры которых определяются на основании статического рас-
чета.
Днище (флютбет быстротока) обычно выполняют постоянной
толщины — 0,2...0,5 м. Иногда толщину флютбета в лотке назна-
чают переменной: меньшую в начале и большую в конце. Такой
переход делают участками, относя их смену на деформационные
швы. Различная толщина флютбета лотка вызывается различи-
ем действующих на него сил.
Из условия пропуска поверхностного потока толщину флют-
бета можно определить по формуле В.М. Домбровского:
t=(0,0a..0,035)aoVft, (2.127)
где v — средняя скорость потока воды в лотке; h — глубина воды
в рассматриваемом сечении; а — коэффициент, характеризую-
щий грунт основания (для глин и плотных суглинков a = 1, для
супесей — 1,5, для песков — 2).
В зависимости от климатических и грунтовых условий через
5...20 м подлине лотка выполняют поперечные деформационные
швы (рис. 2.28). Продольные швы, как правило, совмещают с об-
резами фундаментов подпорных стенок лотков.
Деформационные швы могут быть водопроницаемые и водоне-
проницаемые. Под водопроницаемыми швами обязательно уст-
раивают обратные фильтры. Вода через шов должна проходить
нормально к плоскости дна лотка, поэтому обратные фильтры огра-
ждают боковыми водонепроницаемыми стенками. Это уменьшает
вероятность возникновения контактной суффозии в зоне шва.
Водонепроницаемые швы герметизируют уплотнениями в ви-
де профилированной резины, металлических пластин, просмо-
ленных досок, полимерных профилей и т.п.
Швы желательно выполнять утолщенными — для увеличе-
ния площади соприкосновения и уменьшения тем самым фильт-
рации через швы, а также для усиления сопротивления сдвигу
лотка быстротока.
Под действием напора воды в грунте основания быстротока
возникает фильтрационный поток воды, входящей в основа-
ние до входной части быстротока и выклинивающейся в отводя-
щем канале. Чтобы уменьшить или снять фильтрационное дав-
ление на лоток, а также понизить депрессионную поверхность
фильтрационного или грунтового потока, в его дне и концевой
части устраивают разгрузочные отверстия, а за боковыми стен-
ками — застенный дренаж. Фильтрационная вода через разгру-
зочные отверстия выходит в лоток быстротока, а из дренажа
сбрасывается в нижний бьеф. Если уровень грунтовых вод в ос-
новании сооружения близок к поверхности земли, дренаж вы-
полняют и под лотком. Дренаж обычно устраивают на нижней
трети (половине) быстротока, заканчивается он в начале отво-
дящего канала.
Рис. 2.28. Швы лотка быстротока:
а, б — поперечные для больших уклонов; в, г, д — то же, для малых уклонов;
е, ж — продольные (1 — дренаж 0=10 см; 8= 1...2.5 см; I — 0 = 1,0...1,5 мм;
П — 0 = 5,0...20,0 мм; Ш — 0 = 25,0...50,0 мм)
Превышение боковых стенок лотка быстротока Дй над рас-
четным уровнем воды, определенным с учетом аэрации потока,
принимается в зависимости от расхода Q (табл. 2.29).
Таблица 2.29
Значения Дй в зависимости от Q
Q, М3/с 1 1...10 11...30 31...50 51...100
ДА, и 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6
Следует отметить, что криволинейные в плане быстротоки,
устраиваемые чаще всего при обходе препятствий, проектируют
с приподнятым внешним бортом в соответствии с наклоном уров-
ня воды, который определяется при спокойных потоках по урав-
нению
v1
tga = —, (2.128)
Rg
где a — угол наклона уровня воды к горизонту; и — средняя ско-
рость воды на повороте; R — радиус закругления по отношению
к середине лотка; g — ускорение силы тяжести.
Минимальный радиус закругления принимают равным деся-
тикратной ширине литка.
Гидравлический рг счет быстротока (см. рис. 2.27) состоит из
расчета входной част ,, определения глубины воды в конце лотка
и построения кривой спада, а также расчета нижнего бьефа вы-
ходной части.
Поскольку вход в быстроток одинаков со входом в перепад,
то его расчет аналогичен расчету входной части перепада.
Расчет глубины воды в конце лотка быстротока ведут в сле-
дующей последовательности.
Определяют критическую глубину, которая устанавливается
в начале быстротока:
ЛЧ,=»^ = Л1, (2.129)
где q — удельный расход на быстротоке (q = Q/b).
Далее находят нормальную глубину на быстротоке Л, по фор-
муле Шези (2.1). Исходными данными для расчета служат шири-
на лотка Ь, равная ширине входа и определенная при расчете
входной части, расход канала Q, уклон лотка (местности) », длина
лотка (протяженность участка сопряжения) L, коэффициент ше-
роховатости материала лотка л. Глубину й, лучше определять
подбором. С этой целью задают в лотке глубины воды й, и по фор-
муле Шези находят соответствующие этим глубинам расходы Q(.
По полученным данным строят график Q.-Дй.) и с него при из-
вестном значении Q снимают значение й,.
Для построения графика Q = Дй J расчеты удобнее вести в таб-
личной форме (табл. 2.30).
Таблица 2.30
Определение нормальной глубины водотока
л0
х-мгло
я-<»1
С-2я» Q=<ncV»
п
Кривую спада в лотке быстротока строят, используя уравне-
ние неравномерного движения воды (2.30).
Следует отметить, что гидравлический показатель X Для пря-
моугольного русла равен
Х = 3»4——
(b/h^+2
(2.130)
где А^ =(Aj + А2)/2 (Aj и А, — соответственно глубины в начале и
конце быстротока).
Задавая различные глубины А, по уравнению неравномерного
движения, определяют, на каком расстоянии от начала быстро-
тока находится заданная глубина Ах. Соединяя вершины отрез-
ков Л2 плавной кривой, получают кривую спада. По этому же
уравнению подбором определяют глубину воды в конце лотка
быстротока Аа.
Зная положение кривой спада в лотке быстротока, легко най-
ти скорость движения воды в любом сечении.
Когда известна глубина воды в конце быстротока А2, выполня-
ют гидравлический расчет нижнего бьефа (выходной части) ана-
логично расчету выходной части перепада.
При проектировании быстротоков возможны случаи, когда
скорости в лотке получаются слишком большие, не допустимые
для материала сооружения, а уменьшать уклон экономически
нецелесообразно. В этом случае используют лотки с повышенной
(искусственной) шероховатостью.
Для определения размеров повышенной шероховатости суще-
ствует несколько методов. Наибольшее распространение получил
метод Е.А. Замарина, согласно которому размеры повышенной
шероховатости находят по эмпирической формуле, имеющей об-
щий вид:
С(А-Еа±Пр) = 1000,
(2.131)
где А, Е, D — числовые коэффициенты, полученные опытным пу-
тем для различных видов повышенной шероховатости (значения
даны в табл. 2.31); а = Л/Д; Р = b/h (h — глубина воды над высту-
пами шероховатости; Д — высота шероховатости).
Оптимальное расстояние между ребрами шероховатости при-
нимается 1 = 8Д при р = кроме шероховатости одиночного
зигзага, для которого 6 > Р > 1.
Формулы для определения размеров искусственной шерохо-
ватости получены при уклоне i = 0,15. При других уклонах лотка
быстротока значение коэффициента Шези С в формуле расчета
размеров шероховатости умножается на числовые коэффициен-
ты, приведенные в табл. 2.32.
Таблица 2.32
Значения переходных коэффициентов для различных уклонов
быстротока
Тип шероховатости Уклон 1, %
4 7 10 15
Нормальные и округленные бруски 0,90 1,00 1,06 1
Одиночный и двойной зигзаг 0,76 0,86 0,93 1
Бруски вразбежку и шашки 1,00 1,00 1,00 1
При скоростях потока в лотке, превышающих 3...4 м/с, проис-
ходит насыщение его пузырьками воздуха, так называемый про-
цесс аэрации. Аэрация потока на быстротоках усиливает процесс
гашения избыточной энергии, уменьшает размыв за сооружени-
ем. Однако глубина аэрированного потока увеличивается, что сле-
дует учитывать при проектировании боковых стен быстротока.
Процесс аэрации потока начинается с некоторого его сечения,
в котором средняя скорость v больше или равна критической ско-
рости начала аэрации. Величина о может быть определена по
следующей зависимости [9]:
v =6,С>;^7йсоз6 1+0,001Д (1+54^|
41 \ R2{ Rve )
(2.132)
где g — ускорение свободного падения; 9 — угол наклона дна во-
допропускного сооружения к горизонту; R — гидравлический
радиус потока; п — коэффициент шероховатости поверхности со-
оружения.
Таблица 2.31
Типы усиленной шероховатости
Название шероховатости Форма шероховатости Значение коэффициентов Условия применения
A E D
Нормальные бруски 47,5 -1,2 + 0,1 8>Д>3
Бруски вразбежку 54.2 -2,1 + 0,33 8>Д>3
о; и т и j 5 у ПППИП11П11ПИПДП11пд
Шашки 52 -5,1 -0,8 5>Д>2
С с с с □□□ □ □□□ ODD DOD □ □DO □ □□ □ ODD □ DO □ □□□
Одиночный зигзаг м V V V V ст 85.8 -3,9 -0,8 8»Д>3,5
Двойной зигзаг w w 116,1 -6,1 -1.2 12>Д>5
Ступени по течени 22 -0,57 +10^ 7>Д>3
Ступени против течения ~ -db „ < 38 -1,33 +iofc 7>Д>3
Бортовая шероховатость 59Vm Пр + 131 Bi=l (S-l) 5% т = Л/5е; s=b/be тот 0,12 до 0,50 Sot 1,08 до 1,2 Х = (10-12)Д
Требуемая высота боковых стенок h„ в каком-либо сечении
аэрированного потока может быть установлена по зависимости
Лст =—+8,
СТ <
1-3
(2.133)
где Л — глубина потока в рассматриваемой сечении без учета
аэрации; 8 — конструктивный запас (8? 0.3 м); з — средняя кон-
центрация воздуха в аэрированном потоке (от дна до слоя с кон-
центрацией воздуха 99 %), определяемая по формуле В.Г. Лом-
татидзе:
з =
0,035+
_4
Rv* JygA
-2
1+ 0.035+
и_4441+«£
gR 1 Яи6
=, (2.134)
-2
где п — коэффициент шероховатости; и' = 0,009 = const; v — ско-
рость потока в данном сечении без учета аэрации.
Расчет рекомендуется проводить для нескольких расходов
воды (а не только для максимального) и принимать наибольшее
значение h.
СТ
Пример 2.4. Выполнить гидравлический расчет быстротока с посто-
янной шириной [14].
Исходные данные. На трассе канала, по которому пропускается рас-
Х°Д - 32 м’/с, =40 м’/с и =24 м’/с, имеется сосредоточенное
падение местности с разностью отметок по дну каналов 16 м и уклоном
поверхности земли i = Каналы проходят в суглинистых грунтах,
заложение их откосов т = 1,5. Поток воды в месте сосредоточенного па-
дения местности переводится быстротоком постоянной ширины с укло-
ном лотка i = 0,22. При таком уклоне верх бортовых стенок практически
следует Ливии Поверхности земли, что дает минимальный ->бъем работ
по котловану.
J. Расчет быстротока при заданных расходах состоит в определении
размеров входа, глубины воды в конце лотка быстротока и расчете со-
пряжения в нижнем бьефе. Расчет быстротока, как и каналов, произво-
дится на нормальный расход =32 м3/с, оста льные рас ходы являются
проверочными. Быстроток выполняется из бетона класса 1^15, для кото-
рого принимается коэффициент шероховатости п = 0,014. При гидрав-
лических расчетах используются таблицы, приведенные в учебниках по
гидравлике, по ним определяются значения C-jR и функции <р(т|), входя-
щие в уравнения неравномерного движения (см. приложение 6).
Размеры канала и его гидравлические характеристики, определен-
ные по формуле равномерного движения, приведены в табл. 2.33.
Таблица 2.33
К примеру 2.4
Гидравлические характеристики канала Q, /с
32,0 40,0 24,0
и, м/с 0,91 0,96 0,83
2 0), м 35,28 41,52 28,80
Ь,м 8,40 8,40 8,40
h, м 2,80 3,16 2,40
Х.“ 18,48 19.78 17,04
Я.м 1,91 2,10 1,69
1,38 1,45 1,30
с-/я 62,16 66,23 51,23
с 4504 45,68 44,02
К, м’/с 2193,01 2741,26 1644,76
1 0,0002129 0,0002129 0,0002129
2. Расчет входа в быстроток. Вход в быстроток рассчитываем, как
водослив с широким порогом с неподтопленным истечением. Коэффи-
циент бокового сжатия предварительно можно принять равным е = 0,98
(в дальнейшем он должен быть подтвержден расчетом), коэффициент во-
дослива М = 1,62 (см. табл. 2.22), при этом напор с учетом скорости под-
хода равен Яо =2,80 +(0,91’/19,62)=2£4 м. Размер входа в сооружение
определяют из (2.108):
b =------—-------Иг =4’21 м-
0,98 1,62 2,84*’
Коэффициент, учитывающий боковое сжатие потока при криволи-
нейных заостренных устоях (^ = 0,4), определяют по (2.70): е = 1 -0,1 х
х0,4-2(2,80/4,21)=0,95, что примерно равно ранее принятому. В против-
ном случае необходимо выполнять второе приближение, т.е. пересчи-
тать ширину входа на рассчитанное е.
14 М. В. Нестеров
3. Расчет лотка быстротока. Сечение лотка быстротока прини-
маем прямоугольным, одинаковой ширины с входом в сооружение.
Длина лотка быстротока при разности отметок верхнего и нижнего
бьефа 16,8 м (с учетом глубины водобойного колодца) будет равна
= 16 Д'0^2 = 76Д6м. Удельные расходы в лотке g =32/4^1 =7,6мг/с.
В лотке быстротока установится кривая спада с глубинами: в нача-
ле — равной критической Л, =Лжр =^(1,1-7,6*)/йД1 =1,86 м; в конце —
hp которая определяется из уравнения неравномерного движения.
Найдем величины, входящие в это уравнение.
Глубину воды Ло (глубину при равномерном режиме) определим по
формуле Шези. Соответствующий модуль расхода будет Ко =32,0/\/022 =
= 68,22 м’/с. Значение Ло можно определить подбором. Примем Ло =
= 0,424 м, тогда
со = 4,21 0,424 = 1,79 м2; Хо = 4,21 + 2 0,424 = 5,06 м;
1.79 I—
Яо=~ =0,354 м; ^=0,595.
По таблице (из учебника гидравлики)С0^Я^ =38,15,отсюда Со = 64,12
и Ко = 1,79 • 38,15 = 68,29 м’/с, что соответствует вычисленному модулю
при равномерном режиме потока. Нормальную глубину (с округлением)
можно принять равной Ло = 0,42 м.
В параметр у =(сйСД,В)/(^хср)- входят средние значения и и
вычисляемые при ht = = 1,86 м и h0 = 42 м.
Для ht = 1,86 м имеем
<0, = 4,21 -1,86 = 7,83 м2; %, = 4,21 + 2 • 1,86 =7,93 м; 7^ =
7,83
7,93
=0,99.
По таблице С, = 70,99, отсюда
= 70Д9 =?W5 и к 70 99.7 83 = 555 85 м»/с
' Тодэ
Для Ло = 0,42 м имеем = 1,79 м2, Хо = 5.06 м, Со = 64,12 и Ко =
= 68,22 м’/с (вычисляются аналогично).
Среднее значение
71,85+64Д2 7,93 + 5,06
41 2 2
1Д 0,22 67.732 4Л __вй
------вдгм---------
Гидравлический показатель русла
Igg, -lgg„ 2lg555,85-lg68^2 _2 2,74-133
lgft,-lgA0 lgl36-lg0,42 036+037
=239.
В расчете используем ближайшее большее табличное значение гид-
равлического показателя русла х = 3.
Величина =1,86/0,42=4,43, по таблице из приложения 6 <р(Т|,) =
= 0,026.
После подстановки известных величин в уравнение получим:
— 7636 » л, -4,43-(1 -7339)[<р(т|а)-0,026]
0,42
или 46,31 =Ца +72,29ф(т12).
В этом уравнении неизвестной величиной будет ht — глубина воды
в конце лотка быстротока. Для ее определения используем метод подбора.
Зададим Л2 = 0,47 м, тогда Т|2 =0,47/0,42 = 1Д2, по таблице <р(ц2) = 0,626,
отсюда правая часть уравнения будет 1,12 + 72,29 - 0,626 = 46,37, что
практически соответствует левой части уравнения. Следовательно, глу-
бина воды в конце лотка быстротока будет равна 0,47 м. Так как й2 > ho,
равномерный режим еще не установится.
Скорость потока воды в конце лотка быстротока v = 7,6/0,47 =
= 16,17 м/с.
Проверяем поток на возможность аэрации, для чего определяем кри-
тическую скорость начала аэрации по (2.132), предварительно опреде-
лив совО и R:
cos0=71-sin20 =-^1-0,22s =0,97; R = -ffi1 =0,38м;
4,21 + 2 0,4 <
0,014)
038 )
у,,, =6,63^931 0Д8 037 il + 1 + 8,7
У 0,38 \
= 11,00 м/с.
Определяем глубину воды в лотке, где скорость равна ожр:
h
Q
=---
32,0
4,21 11,0
=0,70м.
Используя уравнение неравномерного движения, определяем рас-
стояние от начала лотка до сечения, откуда начинается аэрация пото-
ка, определив вначале параметры уравнения неравномерного движе-
ния:
14»
п 4.21-0,70 rzr
Я _—-----------=0,53м; Сл/Я =48,50;
4,21 + 2 0,70
С =66,62; С =gt±£ = 71>35 + 66'62 =68,99;
<0,53 ф 2 2
7,93 + 5,61 . 1,1 0,22 68,99* 4,21
Хер—=6.77м; л,= 9 81-б 77-
л=21™=1,67; <р01) = О,187.
0,42
Тогда
I 187-0,026)= 16,86 м,
0,22
т.е. аэрация потока начинается примерно с 17,0 м, считая от начала лот-
ка быстротока.
Определим среднюю концентрацию воздуха в аэрированном потоке
4,21 0,47
4,21 + 2-0,47
в конце лотка быстротока с глубиной Л, = 0,47 м и Вг =
-0,38 по (2.134):
0,035+3,2
0,014-0,009
16,17*
0.38,/в ]\ 9,81 0,38
-44
1 + 8,7 °-014
0,38”
1+ 0,035 + 3,2
0,014-0,009
0,38v*
9,81 0,38
16,17*
8,7 0,014 Y
0,38' “ J
0,32
1 + 0,32
=0,24.
Тогда высота боковых стенок аэрированного потока в конце лотка
быстротока определится по (2.133):
0,47
Л_ =— -----+ 0,3 =0,92 м.
" 1-0,24
Аналогичным образом определяется высота боковых стенок лотка
быстротока и в других сечениях аэрированного потока.
4. Расчет сопряжения в нижнем бьефе. За лотком быстротока уст-
раиваем водобойный колодец, имеющий в плане форму раструба. Ши-
рина колодца в начале равна ширине лотка быстротока В, = 4,21 м,
а в конце — ширине канала по дну Вг = 8,4 м. Стенки колодца выполня-
ем вертикальными.
Сопряжение в нижнем бьефе выполняем по типу надвинутого прыж-
ка, в котором первая сопряженная глубина Лс соответствует глубине по-
тока воды в конце лотка быстротока, а вторая сопряженная глубина h°
определяется из уравнения прыжковой функции.
Для первого сечения
h' = 0,47 м, ю, = 4,21 • 0,47 = 1,98 м2, г, = 0,5 • 0,47 = 0,235 м,
для второго сечения<оа =8,4Л', za =0,5Л'.
Подставляя известные величины в уравнение прыжковой функции и
приняв а — 1,05, получим
1,05 -32,02
+1,98-0,235 = Л.+8,4/»; -ОДЛ”.
Уо,4Лв
1,05-32,0*
9,81 1,98
После приведения уравнение примет следующий вид:
55,82=^^ + 4,2(Л')’.
Ле
Решая уравнение подбором, получим Л* =3,523 м. Таким образом,
принимаем вторую сопряженную глубину равной Л' =3,52 м.
При выпуске воды из водобойного колодца в канал будет перепад
уровней Az, который определяется из формулы подтопленного водосли-
ва с широким порогом (2.124). Если принять <р = 0,98, пренебрегая ско-
ростным напором, тогда
0,982 2,82 19,62 8,4*
Надвинутый прыжок обеспечивается при Л' <Лв. Из этого условия
при коэффициенте затопления, равном 1,05, глубина водобойного ко-
лодца будет d = 1,05 • 3,52 — (2,8 + 0,1) = 0,796 м.
Принимаем водобойный колодец глубиной d — 0,8 м.
Длину водобойного колодца определяем по (2.122):
L = 'o + U+i-’
Так какр = 0, то и длина отлета струи /0= 0.
Длину прыжка вычисляем по (2.118):
Z =4,3 V =4,3 3,52 = 15,14м.
р ’ с
Длина запаса (МИ = (1...3)ЛЖ = 1- 2,8= 2,8 м.
Тогда Z. = 15,14 + 2,8 = 17,94 м.
Принимаем длину водобойного колодца 1Ж = 18,0 м.
Для протекания потока воды без отрыва от стенок водобойного ко-
лодца угол растекания должен удовлетворять условию (2.126) П, =
=(ai>’)/(2ghCM),rAei> — скорость в конце лотка быстротока (о = 16,17 м/с),
а = 1,1; Лл — глубина воды в конце лотка быстротока (Л^, = 0,47 м), от-
сюда
П = -’---6,17-=31,19; tgO=-=l—=0,179 и 8 = 10,17°.
19,62 0,47 731«19
Фактический угол растекания равен tgO=(8,4-4JJl)/(2 18)=0Д2 и
0 = 6,6°, следовательно, условие безотрывного протекания потока вдоль
стенок водобойного колодца обеспечено.
5. Пропуск через быстроток форсированного расхода = 40,0 м’/с.
При ширине входа в быстроток 4,21 м по формуле неподтопленного водо-
слива с широким порогом, для которого можно принять е = 0,98, М = 1,62,
глубина воды перед водосливом будет равная’72 =40,0/(0Д8-1,62 4,21) =
= 5,98; Яо = 5,98272 = 3,29 м.
Скорость потока воды в канале и = 0,96 м/с, отсюда скоростной на-
пор v/(2g) = 0,9б’/19,62 = 0,04 м и Я = 3,29 - 0,04 = 3,25 и. Из усло-
вия пропуска = 40,0 м’, глубина воды в канале равна = 3,16 м,
следовательно, перед сооружением будет подпор ДА = 3,25 - 3,16 = 0,09 м
и скорость в канале перед сооружением будет
40,0
v = --------—--------=0,93 м/с.
(8,4 + 1,5 3,25)3,25
Из условия равномерного движения при пропуске по каналу форси-
рованного расхода скорость была определена равной = 0,96 м/с, от-
сюда видно, что скорость уменьшилась на 0,03 м/с.
6. Пропуск через быстроток минимального расхода Qml, = 24,0 м’/с.
Перед входом в быстроток глубина воды будет
Я*’=---------------=3,59; Я0 = 3,592/а = 2,34 м.
0 0,98 4,21 1,62 0
При скорости в канале о =0,83 м/с скоростной напор v2 /(2g)=
=0,96’ /19,62 =0,04, отсюда Я = 2,34 - 0,04 = 2,3 м. Из условия пропуска
Qmta = 24,0 м’/с глубина воды в канале равна = 2,4 м, следователь-
но, будет кривая спада с понижением уровня у сооружения на
ДА = 2,4-2,3 = 0,1 м, и скорость в канале составит
о =
24,0
(8,4+1^ 2^)23 ° М/С‘
Из условия равномерного движения потока воды она была равна
0,83 м/с.
Пример 2.5. При исходных данных примера 2.4 рассчитать быстро-
ток с усиленной шероховатостью.
1. Местоположение начала шероховатости. В конце лотка быстрото-
ка, как это следует из предыдущего примера, скорость равна 16,17 м/с.
Для бетона невысоких марок рекомендуется ограничивать скорость
10 м/с. Снижение скорости с 16,17 до 10 м/с достигается путем уста-
новки усиленной шероховатости, начиная с глубины:
А=-£-;А=^
Ю
=0,76м.
Расстояние от начала лотка быстротока до сечения, где ус-
тановится эта глубина, определится из уравнения неравномерно-
го движения, в котором
тн=^|=4,43; <р(П>) = 0,026; П1=^|=131; qXn2) = 0,154.
0,42 U,4Z
Функции чИП1) и <р(Л1) взяты при гидравлическом показателе русла
X = 3. Средние значения и определим при глубинах Л, - Л,р = 1,86 м
и Л2 = 0,76 м. Для Л, = 1,86 м имеем ш, = 7,83 м’, Xi = 7,93 м, Ct = 71,71
(вычисления приведены в предыдущем примере).
Для Л2 = 0,76 м имеем
ш, = 4,21 0,76 = 3,2 м*; х2 = 4,21 + 2 0,76 = 5,73 м;
Rt =3,2/5,73 =0,56; Vfl =0,75,
по таблице С-JR = 50,11 и С, = 66,81.
Среднее значение
Л 4
1Д 0,22 69,26’ 4,21 -оа.
отсюда । -------------------=7234.
ч’ 9Д1 6ДЗ
После подстановки известных величин в формулу неравномерного
движения получим:
—L. = 131 - 4,43 -(1 - 72,94X0,154 - 0,026),
0,52 "*
откуда = 12,65 м.
2. Расчет размеров усиленной шероховатости. Усиленную шерохо-
ватость принимаем в виде нормальных брусков (см. табл. 2.31), высота
ее определится из уравнения 1000Л" = 47,5-1,2а + 0,1р, где К — величи-
на, обратная скоростному множителю С:
г_л/ОЛГо^2 0,76 4Л
л — — , л — —и,и<55, ОС— , р — — 5,о4.
С Vm 10 Д 0,76
После подстановки известных величин в формулу получим:
1000 0,035 =47,5 -1,2— + ОД 5,54,
Д
откуда Д = 0,07 м.
Расстояние между брусками шероховатости принимаем по зависимо-
сти X = 8Д: X = 8 • 0,07 - 0,56 м.
3. Сопряжение в нижнем бьефе при усиленной шероховатости. Сни-
жение скорости в конце лотка быстротока ведет к уменьшению глуби-
ны водобойного колодца и его длины. Вторая сопряженная глубина h‘,
считая за первую сопряженную глубину воды над шероховатостью
hc = 0,76 м, определится из уравнения прыжковой функции, в которой
= 4,21 0,76 = 3,2 м; г, = 0,5 • 0,76 = 0,38; и>г =8,4Л'; г2 =0,55'.
После подстановки известных величин в уравнение прыжковой функ-
ции получим:
1,05-32,0*
9,81 3,2
+ 3,2 + 0,38 =1,05 32-°- -г 8.4А' 0,5Л'.
9,81-8,4Л' ‘
После приведения 37,87 =
13,05
+ 4,2(А')2.
Уравнение проще решить подбором. При А' =2,7 м получим тождест-
во (правая часть будет равна левой), следовательно, вторая сопряженная
глубина в водобойном колодце будет равна 2,7 м.
Так как А' =2,7<ЛШ =2,8 м, прыжок будет надвинут и водобойный
колодец не требуется.
Для увеличения коэффициента подтопления и обеспечения более
равномерного распределения удельных расходов при выпуске потока
воды на рисберму принимаем конструктивно водобойный колодец глу-
биной 0,3 м.
Длина водобойного колодца будет = 4,3 2,7 = 11,61 м.
Примем водобойный колодец длиной !„, = 12,0 м. Угол раструба в во-
добойном колодце будет равен tgO =(8,4-4,21 )/(2 12)=0,175;в-9,9°,что
обеспечивает протекание потока воды без отрыва от стенок.
2.5.4. Консольные перепады
Конструктивные особенности. Консольный перепад получил
свое название по гасительному устройству, представляющему со-
бой струенаправляющий лоток, который расположен на опоре,
доходящей до материкового грунта или выполненной в виде ви-
сячих свай.
В состав консольного перепада (рис. 2.29) входят: вход, быст-
роток, струенаправляющий лоток на опоре и крепление грунта
в зоне предполагаемого размыва, т.е. в пределах будущей ворон-
ки размыва.
Рис. 2.29. Схема консольного перепада:
1 — входной участок; 2 — служебные мостики; 3 — лоток; 4 — воронка раз-
мыва; 5 — рамная опора; 6 — консоль; 7 — габионное крепление; 8 — балки
жесткости; 9 — дренаж; 10 — трамплины
Входная часть и быстроток консольного перепада в конст-
руктивном отношении такие же, как и в быстротоках.
Лоток проектируют таким образом, чтобы в его конце скоро-
сти потока достигали предельной расчетной величины. Длину
консоли принимают 2...4 м. Дальность отлета струи определяется
скоростью, высотой падения и особенностью конструкции конце-
вой части консоли.
При постоянном или близком к постоянному расходе воды
можно устраивать консоль с обратным (отрицательным) укло-
ном. Обратный уклон создает условия для большего отлета струи
от опор, в связи с чем от них удаляется воронка размыва. Если
расходы воды на консоли непостоянны, то устраивать обратный
уклон не рекомендуется, так как при малых расходах может про-
исходить подмыв опор. Чтобы вода не затекала под дно лотка
консоли, особенно при малых расходах, в его конце устраивается
слив (рис. 2.30).
Рис. 2.30. Концевые устройства в консольных сбросах:
а — раструб; б — продольные ребра; в — трамплины; г — поперечные стен-
ки; д — щелевая безбортовая площадка
Габариты воронки размыва зависят от скорости струи и сопро-
тивляемости грунта размыву. Гашение энергии ниспадающего
потока обеспечивается только после того, как падающая струя
размыла грунт и создала воронку таких размеров, при которых
происходит успокоение потока.
Для предохранения откосов воронки от размыва их крепят со
стороны консоли и с боков. В верхней части крепление довольно
мощное: габионы, фашины, фашинные тюфяки, в нижней — мо-
щение камнем или каменная наброска из крупного камня. Зало-
жение укрепленного откоса воронки принимают: 1:(1,25... 1,5) —
для плотного суглинка; 1:(1,5...2,0) — для суглинка средней
плотности; 1:(2,5...3,0) — для супеси.
Если по склону можно ожидать выклинивание грунтовых вод,
то следует предусматривать дренаж, гарантирующий устойчи-
вость склона против оползания.
Следует отметить, что использование плавучих деревянных
рам-клеток позволяет уменьшать размеры воронок, так как вода,
падая на них, гасит большую часть энергии и меньше размывает
грунт.
На слабых грунтах, где могут образоваться большие воронки
размыва (илистые, мелкопесчаные, лёссовые), консоли не при-
меняются.
Глубина воронки размыва зависит от компактности струи и
длины отлета от концевого ребра статической консоли. При по-
мощи конструктивных способов Можно уменьшить удельные рас-
ходы потока воды на сливном ребре, изменить структуру потока
и увеличить дальность отлета свободно падающей струи.
Для уменьшения удельных расходов применяют раструб в пре-
делах длины консоли (см. рис. 2.30, а). Угол Н при этом определя-
ют из условия безотрывного протекания потока воды от бортовых
стенок (2.126).
Для лучшего растекания падающего с консоли потока цен-
тральный угол роспуска консоли (в плане) 0 рекомендуется прини-
мать не более 8...12°, причем наименьшее значение угла берется
для наибольшей скорости. Самый конец консоли следует очерчи-
вать по дуге круга, в центре которого пересекаются продолжения
линий боковых стен консоли.
Необходимо отметить, что центральный угол роспуска можно
увеличить до 15... 18° путем установки на консоли от конца лотка
водоската до конца свеса тонких железобетонных направляю-
щих стенок — ребер высотой (1,2...1,5)Л±, где Л2 — глубина пото-
ка в конце быстротока. В этом случае центральный угол роспус-
ка, считая от оси консоли, между двумя соседними стенками
принимают 15... 18°, т.е. для средних стенок, и 6...8° для боковых
(см. рис. 2.30, б).
Для уменьшения глубины и ширины воронки размыва и боко-
вых водоворотов за ней в конце консоли устраиваются трампли-
ны, которые расщепляют струю на нижние и верхние струи.
Верхние струи, насыщаясь воздухом, имеют меньшую размы-
вающую способность. Трамплины устраивают высотой (1,2... 2)йг
при скоростях 8... 15 м/с. Большей скорости потока соответству-
ет и большая высота трамплинов. Между трамплинами делают
просветы, ширина которых в 1,2...2 раза меньше ширины трам-
плинов. Трамплины можно устанавливать в одну линию вдоль
кромки консоли или 1 шахматном порядке. В последнем случае
происходит более интенсивное расщепление потока. Их выпол-
няют с криволинейной сливной гранью так, чтобы угол схода по-
тока был в пределах 30...60°. Применение трамплинов уменьша-
ет глубину воронки размыва до 50 %.
Боковые стенки лотка консоли являются несущими элемен-
тами (балками). Там, где дно консоли расположено выше по-
верхности земли, устраивают служебные мостики. При шири-
не лотка до 2 м их выполняют в виде настила по поперечным
балкам, уложенным по верху продольных стенок (рис. 2.31, а).
В лотках с большой шириной и повышенной глубиной воды
служебные мостики располагают на внешней стороне борто-
вых балок, на уровне их верха (рис. 2.31, в). В лотках с малой
глубиной воды служебные мостики ставят на уровне дна лотка
(рис. 2.31, б).
а
'И И в
\в
Рис 2.31. Служебные мостики в концевой части консольных сбросов:
а — посередине лотка; б — на уровне дна лотка; в — на уровне верха борто-
вых стенок; 1 — поперечные балки; 2 — настил; 3 — служебные мостики;
4 — перила; 5 — контрфорсы; 6 — опоры
Железобетонные лотки консолей располагают на опорах. Их
количество их зависит от горизонтального проложения склона,
на котором ставят опоры. В консолях применяют свайные, сто-
ечные, рамные, сплошные и консольные опоры (рис. 2.32). По-
дошву крайних опор закладывают с учетом глубины воронки
размыва. Подошву остальных опор определяют из условия ус-
тойчивости, принимая во внимание глубину промерзания грун-
тов, если они пучинистые.
Рис. 2.32. Типы опор под лоток консольного сброса:
а — свайные; б, в — рамные; г — сплошные; д — стоечно-консольные
Преимущество свайных опор заключается в том, что в про-
цессе их погружения не нарушается массив грунта, примыкаю-
щий к воронке размыва. Рамные и сплошные опоры выполняют
в котловане, тем самым нарушается монолитность массива грун-
та и последующая обратная засыпка грунта легко размывается
водой.
Для надежной эксплуатации консольного сброса необходимо:
* располагать опоры консоли на надежном основании;
• подошву опор, если это железобетонные рамы, располагать
не выше наинизшей точки дна воронки размыва, а если это сваи,
то на такой же отметке должен находиться верх их расчетной
глубины после размыва;
• укреплять грунт под концом консоли, чтобы не допустить
подмыва опоры со стороны воронки размыва;
• предотвращать подмыв берегов справа и слева от консоли
путем устройства защитных запаней и берегоукрепительных ме-
роприятий.
Гидравлический расчет консольного перепада. Входную часть
консольного перепада рассчитывают по той же формуле донного во-
дослива с широким порогом, что и в перепаде или быстротоке. Ло-
ток быстротока рассчитывают так же, как и лоток обычного быст-
ротока, при этом определяют глубину воды в конце лотка h, и
соответствующую ей скорость иг. Приняв эти же значения глубины
и скорости воды на консоли, определяют глубину воронки размыва.
Расчетная схема приведена на рис. 2.33.
Расчет ведут в следующем порядке.
Определяют дальность полета струи при горизонтальной
консоли:
=0,45фо2/р+Лг, (2.135)
где ф — коэффициент скорости, зависящий от высоты падения
струир (см. табл. 2.28).
Если консоль имеет обратный уклон, то дальность полета
струи определяется по формуле
i’fsin|kosp е v^ostJ.i'efsin^ 4 2g( Р 4 йэ )
Г, =ф- ---- --- ----*---------— (2.136)
g
где |) — угол наклона консоли к горизонту.
Скорость входа падающей струи в воду воронки размыва
(2.137)
где vx и и) — горизонтальная и вертикальная составляющие ско-
рости входа в воронку размыва, м/с.
Горизонтальную составляющую определяют по формуле
иж =фи2, (2.138)
вертикальную - __________
о, =^2g(pTh2), (2.139)
угол наклона струи, входящей в воронку размыва, к горизонту —
y)2g(p+h2)
tga = -» = . (2.140)
C2
Рис. 2.33. Растекание струи в толше воды и схема к гидравлическому
расчету воронки размыва га консольным перепадом
Длина растекания падающей струи в воронке размыва
i = Wg
vo
(2.141)
где q — удельный расход в месте падения струи в воду воронки
размыва (q =Q/b, м2/с; Ь — обычно принимают равной ширине
коицевой части консоли, м); одлп — допускаемая скорость на раз-
мыв для грунта в воронке размыва, м/с (од„п = vK; ик — скорость
воды в канале, м/с): К — коэффициент уменьшения допускаемой
скорости (К = 0,7...0,8).
Если угол наклона струи, входящей в воронку размыва, к го-
ризонту а < 10°, то наибольшая глубина воды в воронке размыва
i=h3+2Ltgalt (2.142)
где 2<Xj — средний центральный угол растекания струи (ем.
рис. 2.33).
При а > 10°
t = Lsina.
(2.143)
Также наибольшая глубина воды в воронке размыва может
быть определена по формуле М.С. Вызго:
। 1 р2
t = AK j „+ 2
I »
(2.144)
где А — коэффициент аэрации (в зависимости от глубины воды Л2
и скорости и2 р конце консоли принимается по табл. 2.34); Кр —
коэффициент размыва (в зависимости от рода грунта и угла на-
клона струи, входящей в воронку размыва, принимается по
табл. 2.35).
Таблица 234
Значения коэффициента аэрации А
Л.и V, м/с
5 10 15 20 25
0,2 0.70 0.64 0.62 0.61 0,60
0,5 0,в8 0,71 0,66 0,63 0,52
0,7 1.00 0.90 0.70 0.66 0.64
Таблица 2.35
Значения коэффициента размыва Кр
Рад грг«пь а» град.
0 12 25 40 60 &0
Очень слабые iтунаы (а хывуч ы) 1,4 1.8 2,4 2,8 3.3 4,5
Прочие грунты и скала (после длительного nd змыва| 1.4 1.7 2,0 2,4 2,7 3,3
Глубина воронки размыва (от дна отводящего канала) нахо-
дится цо формуле
=t-hK, (2.145)
где hK — глубина воды в отводящем канале.
Пример 2.6- Определить глубину воронки размыва консольного бе-
тонного перепада прямоугольного поперечного сечения.
Исходные данные. Расчетный расход консоли Q = 30 м’/с, ширина
консоли Ь — 8 м, длина консоли Г, = 4 м, скорость в конце консоли
v2 = 12 м/с, глубина воды в конце консоли Л2 = 0,3 м, высота падения
струир = 5 м. Грунт в месте расположения консоли — суглинок. Глубина
воды в отводящем канале = 2 м (см. рис. 2.33) [19J.
1. Принимаем скорость в отводящем канале о, = 0,95 м/с. Тогда рас-
ход на 1 м ширины консоли составит
q = Q/b = 30/8 = 3,75 м*/с.
2. Угол наклона струи, входящей в воронку размыва, к горизонту
находим по (2.140):
,/2 9,81-(5+ 0,3)
tga =1-------i-----1 =0,85,
12
откуда а = 40°30'.
3. Наибольшую глубину воды в воронке размыва определяем по (2.144).
Для этого принимаем коэффициент аэрации Л = 0.65, а коэффициент
размыва Кр = 2,4. Тогда
Г I 12*
(=0,65-2,4. 3,75. 5+——— = 5,66м.
У 2 9,81
4. Глубина воронки размыва, если считать от дна отводящего канала,
по (2.145) составит
(, = 5,66 - 2 = 3,66м.
1S Ы В. Нестеров
ГРУНТОВЫЕ ПЛОТИНЫ
Обшие сведения о грунтах
3.1.1. Происхождение и состав грунтов
Грунты, — горные породы, являющиеся объектом инженер-
но-строительной деятельности человека и используемые как ос-
нование, среда или материал для возведения сооружений.
По происхождению (генезису) горные породы делятся на маг-
матические, осадочные и метаморфические. Магматические
{изверженные) породы, образовавшиеся в результате застывания
магмы, имеют кристаллическую структуру и классифицируются
как скальные грунты. Осадочные породы, образовавшиеся в ре-
зультате разрушения (выветривания) горных пород и осаждения
продуктов выветривания из воды или воздуха, могут быть скаль-
ными и нескальными. Метаморфические породы — это магмати-
ческие и осадочные породы, претерпевшие изменения под влияни-
ем высоких температур и больших давлений. Они характеризуют-
ся наличием жестких, преимущественно кристаллизационных
связей и классифицируются как скальные грунты.
Осадочные грунты по своему происхождению делятся на кон-
тинентальные и морские отложения. При этом к морским отно-
сятся отложения современных и древних морей. Древние мор-
ские отложения — это мелы, песчаники, известняки, доломиты,
мергели, юрские и девонские глины и др.
В зависимости от возраста грунты относят к различным геоло-
гическим системам. Самыми молодыми осадочными грунтами
являются отложения четвертичной системы (Q). Более древние
грунты относятся к следующим системам: неоген (N), палеоген
(Р), меловая (К), юрская (J), триасовая (Т), пермская (Р), камен-
ноугольная (С), девонская (D), силурийская (S), ордовикская (О),
кембрийская (Е). В инженерной деятельности чаще используют-
ся четвертичные осадочные грунты, которые подразделяются
на несколько генетических типов (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Генетические типы грунтов четвертичного возраста
Твои грунтов
Обозначе-
ние
Аллювиальные (речные отложения)
Озерные
Озерно-аллювиальные
Делювиальные (отложения дождевых и талых вод на склонах
и у подножия возвышенностей)
Аллювиально-делювиальные
Эоловые (осаждения из воздуха): эоловые пески, лёссовые грунты
Инициальные (ледниковые отложения)
Флювиогляциальные (отложения ледниковых потоков)
Озерно-ледниковые
Элювиальные (продукты выветривания горных пород, оставшиеся
на месте образования)
Элювиально-делювиальные
Пролювиальные (отложения бурных дождевых потоков в горных
областях)
Аллювиально-пролювиальные
Морские
а
1
1а
d
ad
L
g
f
lg
e
ed
P
ap
m
Грунты, как правило, являются трехфазными системами и со-
стоят из твердых частиц, поры между которыми заполнены водой
и газом. Строительные свойства грунтов определяются минерало-
гическим и гранулометрическим составом, структурой, текстурой
и состоянием в природном залегании.
При изучении состава грунтов выделяют четыре основные
группы образований.'
• первичные минералы (кварц, полевые пшаты, слюды и др.);
• глинистые (вторичные) минералы, образовавшиеся в про-
цессе выветривания магматических и метаморфических пород;
• соли — сульфаты (гипс, ангидрит и др.), карбонаты (каль-
цит, доломит и др.), галоиды;
• органические вещества.
15*
Под структурой грунта понимают размер, форму и количест-
венное соотношение слагающих его частиц, а также характер свя-
зи между ними. Размер частиц и их количественное соотношение
в грунте определяют на основе гранулометрического (зернового)
анализа. Содержание каждой фракции выражается в процен-
тах от массы высушенной пробы грунта. По характеру структур-
ных связей выделяют грунты с жесткими (кристаллизационны-
ми) и грунты с водно-коллоидными связями [8]. Кристаллиза-
ционные связи развиты в магматических, метаморфических и
осадочных сцементированных породах, т.е. в скальных грунтах.
Водно-коллоидные связи характерны для глинистых грунтов.
Под текстурой грунтов понимают пространственное располо-
жение элементов грунта с разным составом и свойствами. Тек-
стура характеризует неоднородность строения грунта в пласте
(например, слоистые текстуры песчано-глинистых грунтов). Тек-
стурные особенности грунтов определяют пути фильтрации во-
ды, интенсивность и направление деформаций сдвига массива
грунта.
3.1.2. Физические свойства грунтов
Одной из основных характеристик грунта является плотность.
Для грунтов различают:
• плотность частиц грунта у, — отношение массы сухого грун-
та (исключая массу воды в его порах) к объему твердой части это-
го грунта;
• плотность грунта у — отношение массы грунта (включая
массу воды в порах) к занимаемому этим грунтом объему;
• плотность сухого грунта yd — отношение массы сухого грун-
та (исключая массу воды в его порах) к занимаемому им объему
(включая имеющиеся в этом грунте поры).
Плотность грунта определяется путем отбора проб грунта не-
нарушенного сложения и последующего анализа в лабораторных
условиях. В полевых условиях она определяется зондированием
и радиоизотопным методом, а для крупнообломочных грунтов —
методом «шурфа-лунки».
Пористость п — важнейшее исходное свойство как сыпучего,
так и связного грунта. Это объем пор в единице объема грунта, из-
меренный в относительных единицах. Пористость грунта очень
часто характеризуется коэффициентом пористости е — отноше-
нием объема пор к объему твердых частиц в единице объема
грунта.
Плотность сложения грунта {степень уплотненности) ха-
рактеризуется пористостью п или коэффициентом пористости е и
плотностью сухого грунта. Так, например, при е < 0,5 — грунт
плотный, а при е > 1 — очень рыхлый.
Плотность сложения песчаных грунтов в полевых условиях
определяется с помощью статического и динамического зонди-
рования.
Влажность грунтов W определяют высушиванием пробы
грунта при температуре 105 °C до постоянной массы. Отноше-
ние разности масс пробы до и после высушивания к массе абсо-
лютно сухого грунта дает значение влажности, выражаемое
в процентах или долях единицы. Доля заполнения нор грунта
водой является степенью влажности или коэффициентом во-
донасыщения грунта. Влажность песчаных грунтов (за исклю-
чением пылеватых) изменяется в небольших пределах и прак-
тически не влияет на прочность и деформационные свойства
этих грунтов.
Для пылевато-глинистых грунтов влажность характеризует
их пластичность. Характеристики пластичности пылевато-
глинистых грунтов — это влажности на границах текучести WL
и раскатывания Wp, определяемые в лабораторных условиях,
а также число пластичности 1Р и показатель текучести (конси-
стенции) IL. Характеристики WL, Wpm 1р являются косвенны-
ми показателями состава (гранулометрического и минералоги-
ческого) пылевато-глинистых грунтов. Высокие значения этих
характеристик свойственны грунтам с большим содержанием
глинистых частиц, а также грунтам, в минералогический со-
став которых входит монтмориллонит. Следует отметить, что
число пластичности 1Р характеризует тип глинистого грунта,
а показатель текучести IL — разновидность. Так, например, при
1 < 1Р < 7 грунт относится к супеси, а если показатель конси-
стенции IL больше единицы, т.е. IL> 1, то супесь будет текучая.
Расчетные зависимости основных физических характеристик
грунтов приведены в табл. 3.2.
Таблица ЗЯ
Расчетные зависимости основных физических характеристик грунтов
Характеристика Формула
Плотность сухого грунта, г/см’ (т/м3) у - Y Ь 1+ W
Пористость, % n=h-l£|100 1 У )
Коэффициент пористости л “ Y7 е = или е = ——— 100-л У,
Полная влагоемкость W0=eb- У,
Степень влажности Sr=^ «7.
Плотность взвешенного в воде грунта У-=^ 1+ е
Плотность полностью насыщенного водой грунта Число пластичности 7-е = У а + "У. h = wL-wr
Показатель текучести •*ч Г II * 1 1 .4*
Примечание. — плотность воды = 9,81 кН/м’).
3.1.3. Классификация фунтов
Грунты оснований зданий и сооружений подразделяются на
два класса [36]: скальные (грунты с жесткими связями) и не-
скальные (грунты без жестких связей).
В классе скальных грунтов выделяют магматические, мета-
морфические и осадочные породы, которые подразделяются по
прочности, размягчаемости и растворимости (табл. 3.3). К скаль-
ным грунтам, прочность которых в водонасыщенном состоянии
менее 5 МПа (полускальные), относятся глинистые сланцы, песча-
ники с глинистым цементом, алевролиты, аргиллиты, мергели,
мелы. При водонасыщении прочность этих грунтов может сни-
жаться в 2...3 раза. Кроме того, в классе скальных грунтов выде-
ляются искусственные — закрепленные в естественном залега-
нии трещиноватые скальные и нескальные грунты. Эти грунты
подразделяются по способу закрепления (цементация, силикати-
зация, битумизация, смолизация, обжиг и др.) и по пределу проч-
ности на одноосное сжатие после закрепления (так же, как и
скальные грунты).
Таблица 3.3
Классификация скальных грунтов
Критерий Грунт Значение показателя
Предел прочности на Очень прочный Rc >120
одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии, МПа Прочный Средней прочности 120 > Д.>50 50 >R*> 15
Малопрочный 15>Не>5
Пониженной прочности 5 > > 3
Низкой прочности 3>КС>1
Весьма низкой прочности H,<1
Коэффициент раз- Неразмягчаемый *„/>0.75
мягчаемости в воде Размягчаемый Км/<0,75
Степень растворимо- Нерастворимый Растворимость менее 0.01
стив воде (осадоч- но-цементирован- ные), г/л Труднорастворимый Среднерастворимый Растворимость 0,01 _ 1 Растворимость 1—10
Легкорастворимый Растворимость более 10
Нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные,
песчаные, пылевато-глинистые, биогенные и почвы. К крупно-
обломочным относятся несцементированные грунты, в которых
масса обломков крупнее 2 мм составляет 50 % и более.
Свойства крупнообломочного грунта при содержании песчано-
го заполнителя более 40 % и пылевато-глинистого более 30 % оп-
ределяются качеством заполнителя и могут устанавливаться по
испытанию заполнителя. При меньшем содержании заполнителя
свойства крупнообломочного грунта устанавливают испытанием
грунта в целом. При определении свойств песчаного заполнителя
учитывают следующие его характеристики: влажность, плот-
ность, коэффициент пористости; пылевато-глинистого — допол-
нительно учитывают число пластичности и консистенцию.
По степени засоленности крупнообломочные грунты подраз-
деляют на незасоленные и засоленные. Крупнообломочные грун-
ты относятся к засоленным, если суммарное содержание легко-
и среднерастворимых солей (% от массы абсолютно сухого грунта)
равно или более:
• 2 % — при содержании песчаного заполнителя менее 40 %
или пылевато-глинистого заполнителя менее 30 %;
• 0,5 % — песчаного заполнителя 40 % и более;
• 5 % — пылевато-глинистого заполнителя 30 % и более.
Песчаные — это грунты, содержащие менее 50 % частиц
крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности (число
пластичности IP < 1 % ). Крупнообломочные и песчаные грунты
классифицируются по гранулометрическому составу (табл. 3.4)
и степени влажности (табл. 3.5).
Таблица 3.4
Классификация крупнообломочных и песчаных грунтов
по гранулометрическому составу
Грунт Размер частиц, мм Масса частиц, % от массы воадушио-сухого груитя
Крупвообломочный:
валунный (глыбовый) >200 >50
галечниковый (щебенистый) > 10 >50
гравийный (дресвяный) >2,00 > 50
Песок:
гравелистый >2,00 >25
крупный >0,50 >50
средний >0,25 >50
мелкий >0,10 >75
пылеватый >0,10 <75
Таблица 35
Классификация крупнооблочочвых и песчаных грунтов
по степени влажности Sr
Грунт Степень влажности
Маловлажный 0<Sr<0,5
Влажный 0,5 <Sr< 0,8
Насыщенный водой 0,8 <Sr< 1,0
Основным показателем песчаных грунтов, определяющим их
прочностные и деформационные свойства, является плотность
сложения. Признаками классификации песков по плотности ело-
жения являются: коэффициент пористости е, удельное сопротив-
ление грунта при статическом зондировании и условное сопро-
тивление грунта при динамическом зондировании qd (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Классификация песчаных грунтов по плотности сложения
Классифика- циоввый признак Песок По плотности сложения
плотный средней плотности рыхлый
Коэффици- ент порис- Гравелистый, крупный и средней крупности е < 0,55 0,55 0.7 е>0,7
тости Мелкий е <0,6 0,6<е<0,75 е>0,75
Пылеватый е <0.6 0,6 < е < 0,80 е>0,80
Удельное сопротивле- ние при Крупный и средней круп- ности независимо от влаж- ности >15 15>gr>5 gr<5
статиче- ском зонди- ровании, МПа Мелкий независимо от влажности Пылеватый: qc >12 12>?г>4
маловлажный и влажный чс> ю 10>gf>3 9с<3
водонасыщенный 7>?г>2 ?,<2
Условное динамиче- ское сопро- тивление Крупный и средней круп- ности независимо от влаж- ности Мелкий: <?d > 12,5 12,5 >qd> 3.5 gd<3,5
при дина- мическом маловлажный и влажный qd> 11.0 11>д4>3 <7w<3
эондирова- водонасыщенный 9и>8,5 8,5>qd>2 Qa <2
нии, МПа Пылеватый маловлажный и влажный Ял > 8,5 8,5 > 2 9и<2
Песчаные грунты относятся к засоленным, если суммарное
содержание легко- и среднерастворимых солей составляет 0,5 %
и более от массы абсолютно сухого грунта.
При относительном содержании органического вещества
0,03 < 1„ = 0.1 песчаные грунты называют грунтами с примесью
органических веществ.
Пылевато-глинистые грунты подразделяют по числу пластич-
ности 1Р (табл. 3.7) и консистенции, характеризуемой показате-
лем текучести IL (табл. 3.8). Среди пылевато-глинистых грунтов
необходимо выделять лёссовые грунты и илы.
Таблица 3.7
Классификация пылевато-глинистых грунтов
по числу пластичности
Грунт Число пластичности
Супесь 1</Р<7
Суглинок 7</Р<17
Глина /Р>17
Таблица 3.8
Классификация пылевато-глинистых грунтов
по показателю текучести
_________Грунт
Супесь:
твердая
пластичная
текучая
Суглинок и глина:
твердые
полутвердые
тугопластичные
мягкопластичные
текучепластичные
текучие
Показатель текучести
4<о
iL<o
0<ZL<0,25
0,25 41L < 0.50
0,50 0,75
0.75 <ZL< 1,00
4>>
Лёссовые грунты — это макропористые грунты, содержащие
карбонаты кальция и способные при замачивании водой давать
под нагрузкой просадку, легко размокать и размываться.
Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, обра-
зовавшийся в результате протекания микробиологических про-
цессов. Он имеет влажность, превышающую влажность на гра-
нице текучести, и коэффициент пористости, значения которого
приведены в табл. 3.9.
Пылевато-глинистые грунты (супеси, суглинки и глины) на-
зывают грунтами с примесью органических веществ при относи-
тельном содержании этих веществ 0,05 < 1„ = 0,1.
По степени засоленности супеси, суглинки и глины подразде-
ляют на незасоленные и засоленные. К засоленным относятся
грунты, в которых суммарное содержание легко- и среднераство-
римых солей составляет 5 % и более.
Таблица 3.9
Классификация илов по коэффициенту пористости
Ил Коэффициент пористости
Супесчаный е>0,9
Cyiтинистый 1<е<1,5
Глинистый в >1.5
Среди пылевато-глинистых грунтов необходимо выделять
грунты, проявляющие при замачивании специфические небла-
гоприятные свойства: просадочные и набухающие.
К просадочным относятся грунты, которые под воздействием
внешней нагрузки или собственного веса при замачивании водой
дают осадку (просадку); при этом относительная просадочность
е„Э0,01.
К набухающим относятся грунты, которые при замачивании
водой или химическими растворами увеличиваются в объеме;
при этом относительное набухание без нагрузки ет = 0,04.
В особую группу в нескальных грунтах выделяют грунты, ха-
рактеризуемые значительным содержанием органического веще-
ства — биогенные (озерные, болотные, аллювиально-болотные).
В их состав входят заторфовапные грунты, торфы и сапропеля.
К заторфованным относятся песчаные и пылевато-глинистые
грунты, содержащие в своем составе 10...50 % по массе органи-
ческих веществ. При содержании органических веществ более
50 % грунт называется торфом. Сапропеля (табл. 3.10) — пре-
сноводные илы, содержащие более 10 % органических веществ и
имеющие коэффициент пористости, как правило, более 3, а по-
казатель текучести — более 1.
Таблица 3.10
Классификация сапропелсй по относительному содержанию
органического вещества
Сапропель
Минеральный
Среднеиинеральиый
Слабоминеральный
Относительное содержаияе вещества
0,1 </„<0,3
0,3 </„<0.5
4т >0,5
Почвы — это природные образования, слагающие поверхност-
ный слой земной коры и обладающие плодородием. По грануло-
метрическому составу почвы подразделяют так же, как крупно-
обломочные и песчаные грунты, а по числу пластичности — как
пылевато-глинистые грунты.
К нескальным искусственным грунтам относятся грунты, уп-
лотненные в природном залегании различными методами (трам-
бованием, укаткой, виброуплотнением, взрывами, осушением и
др.), насыпные и намывные. Они подразделяются в зависимости
от состава и характеристик состояния так же, как и природные
нескальные грунты.
Скальные и нескт хьные грунты, имеющие отрицательную
температуру и содержащие в своем составе лед, относятся к мерз-
лым грунтам, а если они находятся в мерзлом состоянии не ме-
нее 3 лет, то к вечномерзлым.
В приложении 10 приведены отдельные классификационные
показатели грунтов согласно стандарту Республики Беларусь
СТБ 943-93.
3.1.4. Деформируемость грунтов при сжатии
Общие сведения. Характеристикой деформируемости грунтов
при сжатии является модуль деформации, который определяют
в полевых и лабораторных условиях.
Для предварительных и окончательных расчетов оснований
зданий и сооружений П и Ш классов допускается принимать мо-
дуль деформации по табл. 3.11 и 3.12.
Таблица 3.11
Нормативные значения модуля деформации £ песчаных грунтов, МПа
Песок Коэффициент поркстоетк е
0,45 0,55 0,55 0,75
Гравелистый, крупный и средней крупности 50 40 30 -
Мелкий 48 38 28 18
Пылеватый 3D 28 18 11
Примечание. Значения Е приведены для кварцевых песков, содержа-
щих не более 20 % полевого шпата и не более 5 % в сумме различных
примесей (слюды, глауконита и пр.).
Нормативные значения модуля деформации £ пылевато-глинистых грунтов, М
Примечание. Значения £ не распространяются на лёссовые грунты.
Определение модуля деформации в полевых условиях. Мо-
дуль деформации определяют испытанием грунта статической
нагрузкой, передаваемой на штамп. Испытания проводят в шур-
фах жестким круглым штампом площадью 5000 см2, а ниже уров-
ня грунтовых вод и на больншх глубинах — в скважинах штам-
пом площадью 600 см2.
Для определения модуля деформации используют график за-
висимости осадки от давления, на котором выделяют линейный
участок, проводят через него осредняющую прямую и вычисляют
модуль деформации Е в соответствии с теорией линейно-дефор-
мируемой среды по формуле
д=а-у><цр (31)
Да
где v — коэффициент Пуассопа, или коэффициент поперечной де-
формации (для крупнообломочных грунтов v = 0,27, для песков и
супесей v = 0,30, для суглинков v = 0,35, для глин v = 0,42); со —
безразмерный коэффициент (со = 0,79); d — диаметр штампа;
Др — приращение давления на штамп; Да — приращение осадки
штампа, соответствующее Др.
При испытании грунтов необходимо, чтобы толщина слоя од-
нородного грунта под штампом была не менее двух диаметров
штампа.
Модули деформации изотропных грунтов можно определять
в скважинах с помощью прессиометра. В результате испытаний
получают график зависимости приращения радиуса скважины
от давления на ее стенки. Модуль деформации определяют на
участке линейной зависимости деформации от давления между
точкой рп соответствующей обжатию неровностей стенок сква-
жины. и точкой рг, после которой начинается интенсивное разви-
тие пластических деформации 1 грунте. Модуль деформации вы-
числяют по формуле
£=К^, (3.2)
Аг
где К — коэффициент; г0 — начальный радиус скважипы; Др —
приращение давления; Д)— приращение радиуса, соответствую-
щее Др.
Коэффициент К определяется, как правило, путем сопостав-
ления данных прессиометрии с результатами параллельно про-
водимых испытаний того же грунта штампом. Для сооружений II
и Ш классов допускается принимать следующие значения коэф-
фициентов К в зависимости от глубины испытания Л: при Л < 5 м
К = 3; при 5м<Л<10мК = 2; при 10 м < Л < 20 м К = 1,5.
Для песчаных и пылевато-глинистых грунтов допускается оп-
ределять модуль деформаци и на основе результатов статического
и динамического зондирования грунтов. В качестве показателей
зондирования принимают: при статическим зондировании — со-
противление грунта погружению конуса зонда q*, при динамиче-
ском — условное динамическое сопротивление грунта погруже-
нию конуса qd. Для суглинков и глин Е = 7qc и Е = 6gd; для
песчаных грунтов Е - 3qc. Значения Е по данным динамического
зондирования приведены в табл. 3.13.
Для сооружений I и II классов является обязательным сопос-
тавление данных зондирования с результатами испытаний тех
же грунтов штампами. Для сооружений 111 класса допускается
определять Е только по результатам зондирования.
Определение модуля деформации в лабораторных условиях. В
лабораторных условиях применяют компрессионные приборы —
одометры, в которых образец грунта сжимается без возможности
бокового расширения. Модуль деформации вычисляют на выбран-
ном интервале давлений tsp = р3 - pt графика испытаний по фор-
муле
(1+е0)Р
Е=Л-----2ZS, (3.3)
а
где е0 — начальный коэффициент пористости грунта; р — коэффи-
циент, учитывающий отсутствие поперечного расширения грунта
в приборе и назначаемый в зависимости от коэффициента Пуассо-
на v (табл. 3.14); а — коэффициент уплотнения:
a=^-Z£L. (3.4)
Рг-Pi
Давление pt соответствует природному, а р3 — предполагаемо-
му давлению под подошвой фундамента.
Таблица 3.13
Значения модуля деформации Е песчаных грунтов по данным
динамического зондирования, МПа
Песок Cd.MIU
2 3,5 7 И 14 17.5
Крупный и средней крупности 20-16 26 ..21 39—34 49-44 55-50 60-55
Мелкий 13 19 29 35 40 45
Пылеватый (кроме водоиасыщен- ных) 8 13 22 28 32 35
Таблица 3.14
Средние значения коэффициента Пуассона V и коэффициента |1
Грунт V P = l-2vz/(l-v)
Песок и супесь 0.30 0,74
Суглинок 0.35 0.62
Глина 0,42 0,40
Значения модулей деформации по компрессионным испыта-
ниям для всех грунтов (за исключением сильносжимаемых) по-
лучаются заниженными, поэтому они могут использоваться для
сравнительной оценки сжимаемости грунта площадки или для
оценки неоднородности по сжимаемости. При расчетах осадки
эти данные следует корректировать на основе сопоставительных
испытаний того же грунта в полевых условиях штампом.
Для четвертичных супесей, суглинков и глин можно прини-
мать корректирующие коэффициенты т (табл. 3.15), при этом
значения Е необходимо определять в интервале давлений
0,1...U,2 МПа.
Таблица 3.15
Значения коэффициента т для аллювиальных, делювиальных,
озерных и озерно-аллюниалъвых четвертичных грунтов при
показателе текучести IL = 0,75
Грунт Коэффициент пориспхти г
0,45 0.5 0,65 0,75 0.85 0.95 1,05
Супесь 4,0 4.0 3,5 3,0 2,0 - -
Суглинок 6,0 5,0 4,5 4,0 3,0 2,5 2,0
Г/ива - - 6.0 6,0 5,5 5,0 4,5
3.1.5. Прочность грунтов
Сопротивление грунта срезу характеризуется касательными
напряжениями в предельном состоянии, когда наступает разру-
шение грунта [36]. Соотношение между предельными касатель-
ными т и нормальными к площадкам сдвига напряжениями о
выражается условием прочности Кулона—Мора:
T = fftgq>+c, (3.5)
где ф — угол внутреннего трения; с — удельное сцепление.
Характеристики прочности ф и с определяют в лабораторных
и полевых условиях. Для предварительных, а также окончатель-
ных расчетов оснований зданий и сооружений П и Ш классов до-
пускается принимать значения ф и с по табл. 3.16 и 3.17.
Таблица 3.16
Нормативные значения удельных сцеплений с (кПа) и углов
внутреннего трения ф (град.) песчаных грунтов
Песок Характе- ристика Коэффициент пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75
Гравелистый и крупный с 2 1 0 -
<р 43 40 38 -
Средней крупное! и с 3 2 1 —
ф 40 38 35 —
Мелкий с 6 4 2 0
ф 38 36 32 28
Пылеватый с 8 6 4 2
ф 36 34 30 26
Примечание. Приведенные в таблице значения относятся к кварце-
вым пескам, содержащим не более 20 % полевого шпата и 5 % в сумме
различных примесей.
Таблица 3.17
Нормативные значения удельных сцеплений с (кПа) и углов внутреннего
трения ф (град.) пылевато-глинистых грунтов четвертичных отложений
Груит Показатели теку- чести Характе- ристика Коэффициент пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75 0.85 0,95 1,05
Супесь 0<Г£<0,25 С 21 17 15 13 * - -
ф 30 29 27 24 — - -
0,25 <IL<0,75 с 19 15 13 11 9 - -
ф 28 26 24 21 18 -
16 М. В. Herrrpoi
Окончание табл. 3.17
Грунт Показатели теку- чести Характе- ристика Коэффициент пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0.95 3,05
Сугли- 0<7t<0,25 с 47 37 31 25 22 19 -
нок ф 26 25 24 23 22 20 -
0,25 <IL< 0,60 с 39 34 28 23 18 15 -
ф 24 23 22 21 19 17 -
0,50 <IL< 0,75 с - - 25 20 16 14 12
ф — - 19 18 16 14 12
Глина 0<Гд<0,25 с - 81 68 54 47 41 36
ф - 21 20 19 18 16 14
0,25 <IL< 0,50 с - - 57 50 43 37 32
ф - - 18 17 16 14 11
0,50 </L С 0,75 с - - 45 41 36 33 29
ф - - 15 14 12 10 7
Примечание. Значения с и ф не распространяются на лёссовые грунты.
3.1.6. Водопроницаемость грунтов
Водопроницаемость грунтов, выражаемая коэффициентом
фильтрации, — одно из важнейших свойств, определяющих их
пригодность для тела плотины, противофильтрационных уст-
ройств, дренажей и других конструктивных элементов.
Фильтрация воды возможна через любой конструктивный
элемент грунтовой плотины, а также в ее основании и берегах.
Как известно, скорость фильтрации жидкости через грунт, яв-
ляющийся пористой средой, в общем случае определяется урав-
нением Смрекера:
v = k*l'/n, (3.6)
где — коэффициент фильтрации; I — градиент напора; т —
определяет режим фильтрационного потока и может изменяться
в диапазоне 1 < т < 2 в зависимости от типа грунта.
Существуют и другие уравнения для расчета скорости фильт-
рации, но они менее удобны.
При т = 1...1Д фильтрационный поток можно считать лами-
нарным, а (3.6) переходит в уравнение Дарси:
»=**! (3.7)
Такой режим фильтрации имеет место в мелкозернистых
(глинистых и песчаных), а также в некоторых крупнообломоч-
ных грунтах (гравийно-песчаных и даже плотных гравийно-га-
лечниковых).
В горной массе обычно, в зависимости от плотности укладки,
1 < т <2. Это создает специфические условия решения фильтра-
ционных задач для плотины, сложенной из таких грунтов. Это
необходимо учитывать для однородных по материалу плотин,
возведенных направленным взрывом, когда плотность сложения
горной массы по высоте плотины и ее зерновой состав изменяют-
ся, а следовательно, изменяются Аф и т. При т = 2 имеет место
турбулентный режим фильтрации, а при 1,1 < т < 1,85 — пере-
ходный.
Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации при
выполнении закона Дарси (3.7) можно определить для несвязных
грунтов по эмпирической формуле МЛ. Павчича [9]:
= ^формз^—В3 г _g_
* v V'(l-„)2 П Ю,0
где Кформ = 1 для песчаных и гравийных грунтов и 0,35...0,4 для
щебенистых грунтов; v — кинематическая вязкость воды (v =
= 0,15 10 5 м2/с при 15 °C); ц — коэффициент неоднородности;
d1T — размер частиц, см, мельче которых в грунте содержится
17 % по массе частиц; п — пористость; g — ускорение свободного
падения, м/с2.
Несмотря на некоторую противоречивость, которая выража-
ется в росте с ростом ц и введением в качестве действующего
диаметра d17, а не </10, зависимость (3.8), как установил А. Хазен
(1895), хорошо зарекомендовала себя для широкого диапазона
грунтов. Экспериментальная проверка этой зависимости приме-
нительно к песчано-гравийным и гравийно-галечниковым грун-
там дала расхождение не более 8 %.
Зависимости (3.7) и (3.8) определяют некоторые фиктивные
скорости фильтрационного потока, который условно занимает
все пространство. В действительности поток движется по порам,
которые в глинистых грунтах стеснены связной водой, а сте-
пень стеснения в общем случае зависит от градиента напора [3].
is*
В общем случае действительная скорость фильтрации оязависит
от активной пористости л,, т.е. от пористости с учетом стеснения
пор связной водой:
уд=и/п,. (3.9)
В песчаных грунтах ла = п.
При нелинейном законе фильтрации горная масса различно-
го зернового состава в зависимости от плотности сложения име-
ет Аф, изменяющийся приблизительно от 1 до 10 см/с, ат — со-
ответственно от 1,05 до 1,72, причем большие значения Аф и т
соответствуют горной массе с Т) = 20.. .30 и относительно рыхлому
сложению (р^ = 1,75...1,80 т/м3), а меньшие — т) = 100...200 и
Рсух “ 2,0...2,2 т/м3.
Предварительная оценка коэффициента фильтрации связ-
ных грунтов может быть выполнена по эмпирической формуле
ВЛ. Жиленкова'.
Аф = 4 10'п ехр---------, (3.10)
* 0,1 leL- 0,048
где е — коэффициент пористости грунта; eL — коэффициент по-
ристости при влажности грунта на пределе текучести WL:
eL =i,06b^L, (З.Ц)
Y.
1,06 — поправка на содержание воздуха; уа(<1 „ — плотность
твердых частиц диаметром d < 1 мм, так как частицы d < 1 мм
в составе глинистого грунта используются для определения WL
и Wp.
Выражение (3.10) правомерно, если в составе глинистого
грунта содержится более 35...40 % частиц d < 1 мм. В против-
ном случае мелкозернистых частиц может не хватить для пол-
ного заполнения пор и фильтрационных ходов, и значение Аф
будет занижено. Из анализа (3.10) следует, что при е-»0 Аф стре-
мится к 4 • 1011 см/с.
Необходимо отметить, что большинство грунтов сложено час-
тицами, по форме близкими к эллипсоидам или пластинам, т.е.
с преобладающим одним или двумя размерами. При укатке грун-
тов частицы ориентируются в массиве таким образом, что преоб-
ладающие размеры располагаются преимущественно горизон-
тально, что приводит к анизотропии в фильтрационных свойст-
вах, т.е. к различным значениям Лф по направлениям. Яркими
анизотропными свойствами обладают, как это отмечалось выше,
лёссовые грунты. Наблюдается анизотропность в глинистых грун-
тах (особенно с крупнозернистыми включениями) и гравийно-га-
лечниковых. Для учета фильтрационной анизотропии грунтов
используют коэффициент анизотропии где /гфг — наи-
больший коэффициент фильтрации (обычно в этом направлении
ориентирована ось х); — коэффициент фильтрации в перпен-
дикулярном оси х направлении.
3.1.7. Пучинистость грунтов
Гидротехнические сооружения мелиоративных систем неред-
ко приходится строить на грунтах, подверженных морозному пу-
чению. Под морозным пучением грунтов принято понимать их
способность увеличиваться в объеме при промерзании. Дневная
поверхность таких грунтов при промерзании поднимается, а при
оттаивании опускается; на склонах происходит течение переув-
лажненного грунта из-за вытаивания ледяных прослоек, обра-
зовавшихся при миграции влаги к фронту промерзания, и пере-
распределения влаги в грунте в период промерзания. Явление
пучения вызывает сильные деформации сооружений, располо-
женных в деятельном слое основания, который подвержен пе-
риодическому промерзанию и оттаиванию.
В зависимости от глубины промерзания, влажности, грануло-
метрического состава, глубины залегания уровня грунтовых вод
и высоты капиллярного поднятия грунты могут быть силънопу-
чинистыми и условно-непучинистыми (табл. 3.18) [9].
Промерзание грунтового основания наблюдается при возведе-
нии тонкостенных открытых лотков (доковых) и трубчатых со-
оружений, при устройстве открытых незатопленных и неутеп-
ленных котлованов и т.п.
При возведении соружений на пучинистых промерзаемых грун-
тах производят защиту основания от воздействия сил морозного
пучения.
Рис. 3.1. Вариант компоновки водохранилишного гидроузла
Отметка У МО зависит от срока службы водохранилища и ин-
тенсивности его заиления, санитарных требований, требуемой
отметки командования над орошаемой площадью (полезный объ-
ем воды используют в основном для самотечного орошения) или
над рыбоводным хозяйством (полезный объем воды используют
для замены воды в рыбоводных прудах при самотечной водоцо-
даче) и др.
форсированными называют уровни выше нормального, воз-
никающие в паводковые периоды. Форсировка уровня необходи-
ма при наличии автоматических (нерегулируемых) водосбросов
в составе гидроузла. Применение автоматических водосбросов по-
зволяет уменьшить основные и поверочные расходы водосброс-
ных сооружений путем трансформации гидрографа паводка в во-
дохранилище.
Отметку наибольшего форсированного уровня обычно прини-
мают исходя из условий пропуска поверочного паводкового рас-
хода водотока с учетом ущерба от временного затопления терри-
торий, прилегающих к водохранилищу.
Грунтовые плотины получили широкое распространение во
всех областях гидротехнического строительства благодаря сле-
дующим преимуществам:
* их возведение возможно в любых географических районах
независимо от климатических и грунтовых условий. В сейсмиче-
ских условиях грунтовые плотины надежнее прочих, так как не
теряют прочности и устойчивости;
• для возведения грунтовых плотин пригодны практически
все местные грунты, находящиеся непосредственно на месте строи-
тельства;
• затраты на материал свидятся только к его перемещению,
укладке и уплотнению:
• стоимость возведения грунтовых плотин, как правило., ниже
стоимости возведения плотин из других материалов за счет меха-
низации большинства видов работ;
• грунтовые плотины могут быть любой высоты;
• материал тела плотины не теряет своих свойств со време-
нем, а общая устойчивость грунтового сооружения только воз-
растает;
• в процессе эксплуатации плотины не требуют затрат на те-
кущий, а тем более капитальный ремонты, за исключением за-
трат на поддержание в рабочем состоянии покрытия откосов,
гребня и др. (не зависят от состояния самой плотины);
• грунтовые плотины можно неограниченно наращивать по
высоте, причем без выключения из работы водоема при старом
контуре плотины.
Наряду с достоинствами грунтовые плотины имеют и недос-
татки'.
• невозможность сброса максимальных расходов через гре-
бень плотины;
• наличие в теле плотины фильтрационного потока, потенци-
ально создающего условия для фильтрационных деформаций;
• возможность больших потерь воды на фильтрацию, если
тело плотины выполнено из грунтов повышенной водопроницае-
мости;
• трудность укладки насыпи при значительных и продолжи-
тельных минусовых температурах;
• неравномерность осадок по поперечному профилю плотины;
• ограничения в использовании некоторых видов грунтов для
тела плотины и оснований.
Следует отметить, что грунтовые плотины в зависимости от
грунтов основания и высоты делят на четыре класса (табл. 3.19).
Таблица 3.19
Классы плотин из грунтовых материалов
Класс
Грунты основания плотины 1 п ш IV
Высота плотины, м
Скальные Более 100 70... 100 25-70 Менее 25
Песчаные, крупнообломочные, глинистые в твердом н полутвер- дом состоянии Более 50 35...75 15-35 Менее 15
Глинистые, водонасыщенные в пластическом состоянии Более 50 25-50 15-25 Менее 15
Если при аварии плотины возможны последствия катастрофи-
ческого характера, при надлежащем обосновании класс плотины
повышают в соответствии с масштабом последствий.
По высоте различают грунтовые плотины: высокие — с мак-
симальным напором более 50,0 м; средние — 15...50 м; низкие —
с напором менее 15 м.
По способу производства работ различают насыпные и на-
мывные грунтовые плотины. Поскольку в гидромелиоративном
строительстве возводят преимущественно насыпные плотины, то
в дальнейшем мы будем вести речь только о них. Насыпные пло-
тины бывают с искусственным уплотнением и без него. Их вы-
полняют отсыпкой в воду, отсыпкой при помощи взрыва на вы-
брос и др.
Необходимо отметить, что грунтовые плотины классифициру-
ют также по использованным материалам и конструкциям про-
тивофильтрационных устройств в теле и основании плотины (см.
п. 3.2.3).
При проектировании и возведении грунтовых плотин необхо-
димо учитывать следующие основные требования:
• заложения откосов плотин должны обеспечивать устойчи-
вость сооружения и его основания при всех возможных условиях
строительства и эксплуатации;
• откосы и гребень плотины должны иметь покрытия, защи-
щающие их от волновых, ледовых и атмосферных воздействий;
• дренажные устройства должны обес печивать сбор и органи-
зованный отвод фильтрующейся воды, предотвращать фильтра-
ционные деформации в теле и основании сооружений;
• строительные и эксплуатационные деформации плотины,
ее отдельных элементов и основания не должны вызывать нару-
шения нормальной работы сооружения.
3.2.2. Выбор створа плотины
На положение створа плотины оказывают влияние различные
условия: топографические, инженерно-геологические, гидроло-
гические, строительные, трассировка водосбросного тракта, хо-
зяйственные и др. В процессе выбора ствира плотины на плане на-
мечается ряд возможных вариантов. Окончательный выбор про-
изводится на основании технико-экономического сопоставления
вариантов с учетом компоновочных решений и эксплуатацион-
ных затрат по узлу.
Учитывая. что не выб>1р створа п.титины оказывает влияние
ряд факторов, необходимо критически подойти к оценке каждого
из них и принять тот вариант, при котором затраты и сроки строи
тельства будут минимальны, а последующая эксплуатация гидро-
узла — наиболее проста. При рассмотрении условий, влияющих
на выбор створа плотины, необходим^- знать те шпимальны'* при -
делы, которые и должны быть положены в основу при оценке ка-
ждого из вариантов [43J.
Руководствуясь только топографией. створ плоти ны на иболее
целесообразно располагать в самом узком месте водотока, так
как это дает минимальный объем земляных работ. Желательно,
чтобы водохранилищ при выбранном створе имело минималь-
ную площадь зеркаг воды, что сокращает площади затопления
и потери воды на испарение. При этом подразумевается, что по
контуру водохранилища не будет оградительных дамб, затраты
на которые Moi-ут свести на нет преимущества короткого створа.
Геологические условия створа плотины прежде всего требуют,
чтобы грунты в основании плотины были прочны и способны
принять на себя дополнительную нагрузку от сооружений. Для
водохранилищных гидроузлов существенную роль играет водо-
проницаемость грунтов как в створе плотины, так и в чаше во-
дохранилища. Чем более мощный слой грунта с повышенным
коэффициентом фильтрации залегает в основании плотины, тем
сложнее и дороже 11]>чтив<1фи.тьтранионны₽ работы. Особенно тру-
доемки такие работы, когда их провидят непосредственно в ложе
водохранилища. Поэтому на геологическое строение чаши водо-
хранилища нужно обращать особое внимание, а при выборе ство-
ра плотины учитывать фильтрационные потери воды, которые
при неблагоприятном напластовании грунтов могут быть весьма
большими. Для примера рассмотрим несколько характерных слу-
чаев напластований грунтов в чаше водохранилища (рис. 3.2).
Первое сечение имеет синклинальное геологическое строение:
падение пластов идет к оси тальвега. При наличии водопрони-
цаемых пластов такое геологическое напластование благоприят-
но для устройства водохранилищ, так как безвозвратных потерь
воды на фильтрацию не происходит. За счет насыщения водой
водопроницаемых слоев создается аккумулирующий объем, ис-
пользуемый по мере сработки уровней воды в водохранилище и
обнажения проницаемых слоев.
Рис 32 Различные варианты напластований в чаше водохранилища:
1-1 — синклинальное; II-U — антиклинальное: Ш-Ш — наклонное;
IV-IV — линзовое
Второе сечение — с антиклинальным геологическим строени-
ем: падение пластов идет от оси тальвега. Наличие водопроницае-
мых пластов, особенно с большим коэффициентом фильтрации,
приведет к безвозвратным потерям воды на фильтрацию, размер
которых может оказаться таким, что водохранилище высохнет.
Антиклинальное расположение напластований неблагоприятно
для устройства водохранилищ. Противофильтрационные меро-
приятия по ложу водохранилища в этом случае обходятся очень
дорого и экономически не оправдываются.
Третье сечение с наклонным напластованием водопроницае-
мых грунтов, перемежающихся водоупорными слоями, занима-
ет промежуточное положение между первым и вторым сечения-
ми. Можно считать, что устройство водохранилищ в этом случае
неблагоприятно, но возможно.
Четвертое сечение характеризуется тем, что на всем протяже-
нии водохранилища залегают водонепроницаемые грунты, рас-
пространяющиеся на очень большую глубину, и только в преде-
лах самого русла водотока имеются аллювиальные отложения
небольшой мощности. Такое геологическое строение и для чаши
водохранилища, и для створа плотины наиболее благоприятно,
так как потерь воды через водопроницаемый слой не будет. В этом
случае по створу плотины предусматриваются противофильтра-
ционные мероприятия.
Разновидностью четвертого сечения, встречающегося в прак-
тике, является случай, когда основная покровная толща сложена
из водонепроницаемых грунтов, а в пределах ее встречаются про-
слойки или линзы водопроницаемых. Такое напластование также
благоприятно для устройства водохранилищ, но при этом нельзя
допускать обнажения водопроницаемых прослоек, через которые
фильтруется много воды.
Гидрологические условия влияют на выбор створа плотины,
так как при стоке заданной обеспеченности возможно наполне-
ние водохранилища только до заданного объема. На выбор створа
плотины большое влияние оказывают расположение водосброс-
ного тракта и размещение на нем сооружений. Это сказывается
как на стоимости всего узла, так и на эксплуатации.
При прочих равных условиях (геологических, гидрологиче-
ских и хозяйственных) выбор створа плотины нельзя подчинять
только топографии исходя из минимума объема работ по насы-
пи . Необходимо еще учитывать наиболее удачное расположение
водосбросного тракта, так как его стоимость часто превосходит
стоимость самой плотины. Необходимо уделять особое внима-
ние пропуску паводковых вод, от чего зависит устойчивость са-
мой грунтовой плотины.
На выбор створа плотины влияют также хозяйственные усло-
вия, использование запасов воды в водохранилище, удаленность
узла сооружений от потребителя. При использовании запасов во-
ды для ирригационных целей с учетом самотечной подачи требу-
ются заданные отметки уровней в водохранилище, обеспечиваю-
щие командование над орошаемой площадью. Близость располо-
жения промышленных объектов может привести к загрязнению
воды в водохранилище. Такой водой нельзя пользоваться, на-
пример, для водоснабжения. В экономическом отношении луч-
шим будет тот вариант створа плотины, НПУ, режима работы, за-
щитных мероприятий и т.д., при котором сумма затрат на строи-
тельство и мероприятия в пределах водохранилища, отнесенная
к единице продукции (1 м ‘ полезной емкости, 1 кВт ч электро-
энергии и др.), наименьшая. Следует также учитывать другие
стороны эффективности и ущерба, например возможность орга-
низации или улучшения судоходства, улучшение водоснабже-
ния, рекреационный и социальный эффект, перекрытие путей
миграции рыб и судоходства, влияние на прибрежные угодья и
лесные массивы и т.д.
3.2.3. Выбор типа плотины
Для возведения грунтовых плотин можно применять практи-
чески все виды нескальных грунтов, за исключением содержа-
щих [51]:
• водорастворимые включения хлоридных солей — более 5 %
по массе, сульфатных или сульфатно-хлоридных — более 10 % по
массе;
• не полностью разложившиеся органические вещества (на-
пример. остатки растений) — более 5 % по массе или полностью
разложившиеся органические вещества, находящиеся в аморф-
ном состоянии, — более 8 % по массе.
Эти грунты допускается применять при наличии соответст-
вующего обоснования и при условии проведения необходимых
защитных инженерных мероприятий, а также соблюдения пра-
вил охраны поверхностных вод от загрязнения.
Применение в грунтовых плотинах илистых грунтов и плот-
ных трудноразрабатываемых глин допускается при наличии тех-
нико-экономического обоснования. Для низовых частей профиля
грунтовых плотин всех типов допускается применять песчаные,
гравийные и галечниковые грунты.
При проектировании тип грунтовой плотины принимается
в зависимости от наличия на месте строительства грунта для
возведения плотины и рода грунта в ее основании. При наличии
в основании иловатых и переувлажненных глинистых грунтов
предусматривается дренирование основания. Торф допускается
оставлять в основании при степени его разложения не менее
50 %, давая надлежащее обоснование. Грунты, содержащие не-
разложившиеся растения и корни, а также ходы землеройных
животных, как правило, удаляются из основания или прореза-
ются зубом. Наличие в основании галечниковых, гравелистых
и крупнопесчаных грунтов требует устройства понура перед пло-
тиной или пересечения этих грунтов зубом, инъекционной заве-
сой, шпунтовой стенкой и др.
Грунтовые плотины можно строить из слабоводопроницаемых
и водопроницаемых грунтов на водопроницаемом и водонепрони-
цаемом основаниях. На водонепроницаемом основании можно
возводить следующие типы грунтовых плотин: однородные,
с пластичным или жестким экраном, с ядром, с диафрагмой, из
разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой призмой).
Однородные грунтовые плотины (рис. 3.3, а) строятся при на-
личии на месте строительства достаточного количества относи-
тельно водонепроницаемых грунтов: суглинков, лёссов. а также
тяжелых глин, насыщенных водой до нижнего предела пластич-
ности. То есть их строят практически из всех относительно водо-
непроницаемых грунтов. Грунтовые плотины из легких и сред-
них суглинков возводятся без защитного слоя. При возведении
плотин из тяжелых суглинков и глин с содержанием глинистых
частиц 20 Уо и более в районах с суровыми зимами целесообраз-
но устраивать защитный слой из гравийно-песчаного или песча-
ного грунта по откосам и гребню плотины. Толщина защитного
слоя должна быть не меньше глубины промерзания грунта. Для
однородных плотин можно также использовать песчаные грунты
при значении фильтрационного расхода воды, допустимого по
водохозяйственным расчетам [19].
В однородных грунтовых плотинах рекомендуется устраивать
дренажи со стороны низового откоса.
Грунтовые плотины с пластичным экраном (рис. 3.3, б) уст-
раиваются в том случае, когда тело плотины возводится из водо-
проницаемых грунтов (песков, супесей). Экран уменьшает фильт-
рацию воды через тело плотины, пчяижяет кривую депрессии. Его
можно устраивать из суглинка, смеси глины (не больше 54 %) и
песка, глинобетона (глины 24 %. песка 36 %, гравия 40 % по объ •
ему) и торфа [19].
17 М. В. Нестером
Рис. 3.3. Типы грунтовых плотин:
а — однородная; б — с пластичным экраном; в — с жестким экраном; г — с ядром; д — с диафрагмой; е —
разнородных грунтов; 1 — верховой откос; 2 — гребень плотины; 3 — низовой откос; 4 — тело плотины; 5
пластичный экран; 6 — защитный слой; 7 — жесткий экран; 8 — ядро; 9 — диафрагма; 10 — суглинок; 11
супесь; 12 — песок
Торфяные экраны бывают сплошные и слоистые. Слоистые
торфяные экраны состоят из 2.. .3 слоев торфа, между которыми
укладывается слой песка. Толщина каждого отдельного слоя
должна быть не менее 0,5 м. Для экранов берут хорошо разло-
жившийся торф, не промороженный и не высохший до воздуш-
но-сухого состояния, со степенью разложения не менее 50 %.
Торфяные экраны допускается применять только для низких и
средних по высоте плотин.
Для защиты от промерзания с верховой стороны экран покры-
вается защитным слоем из гравийно-песчаного грунта, песка, су-
песи, гравия или щебня. Толщина защитного слоя должна быть
не менее 1...1,5 м у основания плотины и не менее глубины про-
мерзания выше максимального уровня воды в водохранилище.
Толщина пластичного экрана должна быть не менее 0,8 м ввер-
ху и не менее 0,1Н (где Н — напор) внизу. Более точно толщину эк-
рана можно рассчитать из условия фильтрационной прочности до
формуле
t = -**К„
(3.12)
где Г, — толщина экрана; Ah — разность уровней воды перед экра-
ном и за ним; Кв — коэффициент надежности, учитывающий сте-
пень ответственности и значимости последствий при наступле-
нии тех или иных предельных состояний (в соответствии с [53]
принимают по табл. 6.8); 1кр — критический средний градиент
напора (в соответствии с [51] принимают по табл. 3.20).
Таблица 3.20
Значения критических градиентов напора
(утверждены СНиП 2.06.05-84)
Грунт Значение критических средних градиентов напора /вв
для понура для экрана и ядра для тела и призмы плотины
Глина, глинобетон 15 12 8-2
Суглинок 10 8 4-1,5
С у петь 3 2 2-1
Песок:
средний - - 1
мелкий — - 0,75
Значения критического среднего градиента принимают в за-
висимости от физико-механических свойств грунта и способа его
укладки, причем большие его значения следует брать для более
плотного грунта.
Следует отметить, что толщину экрана по формуле можно
уточнить лишь после выполнения фильтрационного расчета.
Превышение верха экрана над нормальным статическим уров-
нем воды может приниматься по табл. 3.21. При этом верх проти-
вофильтрационного устройства не должен быть ниже форсирован-
ного статического уровня воды с учетом ветрового нагона.
Таблица 3.21
Превышение верха протнвофильтрационных устройств
над нормальным подпорным статическим уровнем воды, м
Противофильтрационное устройство Класс сооружения
I, U Ш. IV
Экран 0,7 0,5
Ядро, диафрагма 0,5 0,3
Необходимо отметить, что экраны более удобны для осмотра и
ремонта, чем ядро, а также что в плотинах с экраном вода насы-
щает значительно меньшую часть объема тела плотины. Однако
для экрана требуется больше материала, и он более подвержен де-
формациям при осадке основания или тела плотины.
Грунтовые плотины с жестким экраном (см. рис. 3.3, в) воз-
водят при отсутствии соответствующих грунтов для пластичного
экрана. Жесткие экраны бывают бетонные или железобетонные.
Такие экраны имеют сложную конструкцию, и их стоимость по
сравнению с пластичными больше. Кроме того, при осадке тела
плотины в жестких экранах могут появляться трещины. Поэто-
му они применяются редко.
Грунтовые плотины с ядром (см. рис. 3.3, г), как и плотины
с экраном, возводятся из водопроницаемых грунтов. Ядро умень-
шает фильтрацию воды через тело плотины и устраивается из тех
же материалов, что и пластичный экран. Толщина ядра принима-
ется не менее 0,8 м вверху и не менее 0,1Н внизу, затем после вы-
полнения фильтрационного расчета уточняется по (3.12). Превы-
шение верха ядра над статическим уровнем воды принимается по
табл. 3.21.
Плотины с ядром, а также однородные плотины рекомендует-
ся возводить на сильнодеформируемых основаниях.
Грунтовые плотины с диафрагмой (см. рис. 3.3, д), как и пло-
тины с жестким экраном, возводятся при отсутствии соответст-
вующих грунтов для ядра, а также при скальном основании для
лучшего сопряжения тела плотины с основанием. Диафрагмы вы-
полняются из бетона, железобетона, металла и битумных мате-
риалов. Толщина диафрагмы из бетона и железобетона в верхней
части должна быть не менее 0,3 м. Превышение верха диафрагмы
над статическим уровнем воды принимается по табл. 3.21.
Диафрагмы, как и ядра плотин, недоступны для осмотра и ре-
монта. Располагать их следует под верховой бровкой гребня пло-
тины. Вследствие неравномерной осадки тела плотины и разно-
сти гидростатического давления на гранях жесткой диафрагмы
могут появляться трещины, поэтому предпочтение следует отда-
вать пластичному ядру.
Все более широкое применение находят экраны и диафрагмы
из полимерных материалов. Они обладают рядом достоинств:
гибкость, очень малая материалоемкость, водонепроницаемость,
химическая стойкость и морозостойкость. Для их устройства ис-
пользуют полимерные пленки толщиной 0,1...0,3 мм, уклады-
ваемые в один или в два слоя.
Пленку экрана укладывают на подстилающий слой песка тол-
щиной 0,1...0,3 м и пригружают защитным песчаным слоем
большой толщины, предотвращающим повреждаемость пленки.
Подстилающий и защитный слои отсыпают из песка с окатанны-
ми частицами размером не более 5,0 мм.
Пленочные диафрагмы выполняют так же, как и экран, но
в виде вертикальной зигзагообразной конструкции в центре пло-
тины. Пленочные противофильтрационные устройства можно
применять в плотинах Ш и IV классов, а при надлежащем обос-
новании — в плотинах I и П классов высотой до 60 м [43, 51].
Грунтовые плотины из разнородных грунтов (см. рис. 3.3, е)
возводят при отсутствии однородного грунта в необходимом ко-
личестве. В таких плотинах водонепроницаемый грунт (глина
или суглинок) располагается на верховой, напорной стороне пло-
тины.
При сопряжении грунтовой плотины с основанием обычно
водонепроницаемая часть плотины соединяется с водонепрони-
цаемым грунтом основания при помощи замка или зуба глуби-
ной 0,5...0,7 м (рис. 3.4, а). Однородные грунтовые плотины при
толщине водопроницаемого слоя до 5 м выполняются с замком из
водонепроницаемого грунта (рис. 3.4, б). Замок врезается в во-
донепроницаемый грунт на глубину не менее 0,5 м. Ширина
нижнего основания замка 2...3 м. Коэффициент откосов замка
тг = 0,5...1,0. Если толщина водопроницаемого слоя 5...7 м, то
однородная плотина строится с противофильтрационной завесой
(инъекционной или траншейной, выполняемой методом «стена
в грунте») или шпунтовой стенкой, доходящими до водопрони-
цаемого грунта (рис. 3.4, в). Какой из вариантов выбрать, реша-
ют на основании инженерно-геологических условий объекта
строительства и технико-экономических расчетов. При толщине
водопроницаемого слоя более 7 м — с «висячей» противофильт-
рационной завесой глубиной 0,5...0,1Н(рис. 3.4, г).
Грунтовые плотины с экраном, ядром или диафрагмой при
толщине водопроницаемого слоя 2...3 м выполняются с замком
(рис. 3.4, д, е, ж). Если в основании плотины толщина водопро-
ницаемого грунта большая, устраиваются однородные плотины
с понуром или с экраном и понуром (рис. 3.4, з). Понур является
продолжением экрана и устраивается из того же материала, что и
экран. Толщина его в верховом конце должна быть не менее 0,5 м,
а в месте соединения с экраном такой, чтобы градиенты напора
фильтрационного потока удовлетворяли критерию фильтраци-
онной прочности (3.12). Предварительно ее принимают 1...2 м.
Длина понура обычно принимается равной (2...3)Н. Максималь-
ную длину понура [9] можно определить по следующей формуле:
L„ =т/0Д95Г2 +2а5пТ-0,44Т, (3.13)
где Т — толщина водопроницаемого основания, м; 8П — толщина
понура, м; о — отношение коэффициентов фильтрации основа-
ния к коэффициенту фильтрации понура (а = K^/KJ.
Сверху понур, как и экран, покрывается защитным слоем тол-
щиной 1...1.2 м.
Рис. 3.4. Типы плотин и их сопряжение с основанием:
а — однородная плотина с замком; б — однородная с глубоким замком; в —
однородная с инъекционной завесой; г — однородная с «висячей» инъекци-
онной завесой; д — с экраном и замком; е — с ядром и замком; ж — с диа-
фрагмой и замком; з — с экраном и понуром; 1 — тело плотины; 2 — замок
(зуб); 3 — противофильтрационная завеса; 4 — экран; 5 — ядро; 6 — диа-
фрагма; 7 — понур
Противофильтрационные завесы, выполняемые методом «стена
в грунте», в настоящее время успешно внедряются в строитель-
ную практику. Их можно возводить как в основании, так и в теле
плотины. Сущность данного метода заключается в отрывке тран-
шеи, борта которой удерживаются от обрушения заполняющей их
тиксотропной жидкостью (разработка грунта производится под
слоем этой жидкости). В качестве тиксотропной жидкости обычно
применяют глинистые суспензии плотностью 1,1...1,2 т/ма, но
могут применяться и суспензии сапропелей [31].
Возведение противофильтрационных завес методом «стена
в грунте» может осуществляться различными способами в за-
висимости от применяемых грунторазрабатывающих механиз-
мов (рис. 3.5):
• обратной отсыпкой заглинизированного грунта или отсып-
кой комовой глины;
• перемешиванием разрабатываемого грунта с тиксотроп-
ной суспензией в процессе проходки без извлечения смеси из
траншеи;
• обратным намывом смеси разрабатываемого грунта с тик-
сотропной суспензией и др.
Кафедрой гидротехнических сооружений Белорусской сель-
скохозяйственной академии совместно с трестом «Гомельвод-
строй» Главполесьеводстроя разработан способ строительства
противофильтрационных завес глубиной до 4,5 м методом «стена
в грунте». Данный способ во много раз эффективнее известных,
применяемых в производстве. Возведение завесы осуществляет-
ся путем отрывки траншеи под слоем воды 10...20 см многоков-
шовым экскаватором ЭТЦ-202 или ЭТЦ-406, где вместо бунке-
ра-трубоукладчика навешена кассета с намотанной внутри поли-
этиленовой пленкой (рис. 3.5, г). В процессе вращения рабочего
органа экскаватора, а также при наличии в грунте глинистых
частиц образуется тиксотропная жидкость. При движении экс-
каватора пленка вытаскивается из кассеты в вертикальном поло-
жении, фиксируется поддерживающим устройством и сразу же
замывается разрабатываемым грунтом [2J.
В качестве противофильтрационных материалов для завес ис-
пользуются твердеющие и нетвердеющие заполнители. Твердею-
щие заполнители представляют собой композиции с использова-
нием глинистых грунтов и цементов в качестве вяжущего. В ка-
честве нетвердеющего мягкого заполнителя используют комо-
вую глину, глинистые пасты, заглинизированный песчаный грунт,
песчано-сапропелевые составы, а также полимерные материалы.
Рис. З^.Схемы строительства противофильтрационных завес методом
«стена в грунте»:
а — обратная отсыпка заглинизированного грунта (1 — направление разра-
ботки траншеи; 2 — тиксотропная суспензия; 3 — заполнение траншеи гли-
нистым грунтом или глиногрунтовой смесью; 4 — готовая часть глинистой
противофильтрационной завесы); б — перемешивание разрабатываемого
грунта с тиксотропной суспензией в процессе проходки без извлечения сме-
си из траншеи (1 — базовая машина; 2 — шнековый рабочий орган; 3 — от-
верстия для инъекции суспензии; 4 — подача суспензии); в — обратный на-
мыв смеси разрабатываемого грунта (/ — рабочий орган; 2 — направляющая
стойка (эрлифт); 3 — пульпопровод; 4 — направление движения рабочего
органа); г — устройство полиэтиленовой противофильтрационной завесы
(1 — базовая машина; 2 — кассета с намотанной полиэтиленовой пленкой;
3 — поддерживающие ролики; 4 — пленка)
Глубина противофильтрационных завес, возводимых способом
«стена в грунте», может достигать 25...30 м и более, их толщину
назначают с учетом напора и материала завесы. Минимальную
толщину завесы можно определить по (3.12), принимая 1^, = 180
для бетона, 125 — для глиноцементных растворов, 40 — для ко-
мовой глины, 25 — для глиногрунтовой смеси, 12 — для песча-
но-сапропелевой смеси [26, 47]. Толщина завес, выполняемых не-
прерывным способом, обычно составляет 1...4.0 м и во многом
зависит от применяемого оборудования и свойств грунтов.
Инъекционные завесы возводят путем бурения одного или не-
скольких рядов скважин, через которые под большим давлением
нагнетают битум, глиноцементный, глинистый и другие раство-
ры, уплотняющие поры водопроницаемого грунта. Число рядов
скважин зависит от вида уплотняемых грунтов и требуемой тол-
щины завесы.
Толщину инъекционной завесы определяют по (3.12), прини-
мая /„р = 7,5 для завес в гравелисто-галечниковых грунтах, 6 —
в крупных и средних песках, 4 — в мелких песках [47]. В осно-
вании плотины толщина инъекционной завесы уменьшается по
глубине. Глубина завес может достигать сотен метров.
В трещиноватых скальных грунтах основания чаще всего уст-
раивают цементационные завесы путем нагнетания цементного
«молока» в скважины.
Сопряжения тела грунтовой плотины с берегами следует
выполнять в виде наклонных плоскостей с короткими уступами
для удобства работ (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Сопряжение тела плотины с берегами:
а — наклонными плоскостями; б — вертикальными уступами (не рекомен-
дуется); 1 — гребень плотины; 2 — поперечные трещины; 3 — вертикаль-
ные уступы; 4 — наклонные сопрягающие плоскости
3.2.4. Выбор основных размеров профиля плотин
Очертание откосов. Откосы грунтовых плотин принимаются
в зависимости от типа плотины, ее высоты и вида грунта, из кото-
рого она возводится, а также свойств основания. Верховой откос,
который находится под воздействием волн и льда и насыщен водой
почти на всю высоту, делают более пологим, низовой откос — бо-
лее крутым. Откосы плотин высотой до 10...15 м принимаются
с постоянным коэффициентом заложения. При большей высоте
следует принимать ломаное очертание верхового и низового отко-
сов, постепенно уменьшая их уклон от гребня к основанию.
В местах переломов уклона откосов, особенно на низовом от-
косе, часто строятся горизонтальные площадки — бермы. Их
располагают через 10 м по высоте плотин как на верховом, так и
на низовом откосах. Устройство берм вызвано необходимостью:
• облегчить производство работ по покрытию откосов;
• создать более устойчивый упор для крепления откоса;
• включить в тело плотины строительные перемычки;
• осуществить переход от одного заложения откоса к другому;
• перехватить и отвести дождевые и талые воды, стекающие
с вышерасположенной части откоса;
• надзирать и ремонтировать откосы в процессе эксплуатации;
• прокладывать дороги;
• сопрягать откос плотины с дренажем, выполненным в виде
дренажной призмы.
Следует отметить, что первые четыре пункта касаются берм на
верховом откосе, а остальные — на низовом.
Поскольку бермы верхового откоса необходимы главным обра-
зом для производства, их размеры и местоположение принимают
исходя из принятой организации производства работ. Так, при
креплении откосов сборными плитами ширина бермы зависит от
базы подъемных кранов, а расстояние между бермами по высо-
те — от вылета стрелы (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Размещение берм на верховом откосе плотины при укладке
плит кранами
В случае, когда бермы предназначены только для создания
упора, их ширина равна 1,5. ..2,0 м. Если по условиям производ-
ства работ бермы не требуются, а упоры крепления устраивают
непосредственно на откосе, верховые откосы могут быть без берм.
Низовые откосы плотин средней высоты и тем более высоких,
как правило, имеют бермы. В низких плотинах бермы обычно от-
сутствуют, но не исключена возможность устройства одной бермы.
При интенсивных осадках (ливнях) наблюдаются значитель-
ные деформации откосов. Стекающая после дождей вода, образуя
ручейки, постепенно размывает грунт откоса. Для предупрежде-
ния размыва требуется усиленное крепление, так как обычное
крепление не в состоянии противостоять большим скоростям по-
тока воды. Бермы на откосе сокращают путь струек, уменьшают
их интенсивность и скорости, тем самым исключая применение
усиленного крепления. На низовом откосе бермам придают одно-
сторонний поперечный уклон в пределах 2...4 % в сторону верх-
него бьефа. Для сбора воды, стекающей по откосу, на берме уст-
раивают кюветы-канавки, располагая их на внутренней стороне.
Собранная вода стекает по лоткам, проложенным по откосу под
углом 45° к бровке. Конец лотка примыкает к канавке, идущей у
подошвы откоса, сопрягаемого с поверхностью земли. По этой
канавке в нижний бьеф стекает вода, просочившаяся через тело
плотины, и дождевая вода, поступающая из лотков. Схема разме-
щения кюветов, лотков и сборных канавок приведена на рис. 3.8.
Ширину берм назначают в пределах 1,5...2,0 м, если по ка-
ким-либо причинам не требуется ее увеличения, например при
устройстве проезда. Ширина бермы в этом случае должна отве-
чать габаритам транспортных средств.
Для невысоких грунтовых плотин IV класса, если в основании
грунты такие же, как в теле плотины, или более прочные, коэф-
фициенты заложения откосов принимаются по табл. 3.22.
Таблица 3.22
Значения коэффициентов заложения откосов
для невысоких грунтовых плотин IV класса
Откос При расчетной высоте плотины (м) я грунтах тела плотины
до Б 5...10 10...15
песча- ных глини- стых песча- ных глини- стых песча- ных
глини- стых
Верховой 2 2„2,5 2,5 2,5™3 3 3
Низовой с дренажем 1.5 2 1,75 2 1,75 2
Низовой без дрс-пажл 1,75 2 2 2,25 2,25 2,25
Рис. 3.8. Размещение кюветов, сбросных лотков и сборных канавок на
низовом откосе:
а — вид нв плотину с нижнего бьефа; б — поперечный разрез плотины; в —
деталь бермы;/ —кювет вдоль бермы; 2 —лотки для спуска дождевой воды;
3 — канавка для сбора фильтрационной воды; 4 — кювете одеждой; 5 — ук
реплеи ная бровка
Для предварительных расчетов плотин высотой 15...20 м ко-
эффициент заложения верхового откоса принимают 3...3,5, ни-
зового — 2,25...2,5, высотой 20...30 м — соответственно 3...3.5
и 2,25...2,75. После выполнения фильтрационного расчета пло-
тины нужно обязательно сделать статический расчет устойчиво-
сти откосов и уточнить коэффициент заложения.
Гребень плотины. Ширину гребня плотины принимают не ме-
нее 4,5 м в зависимости от условий производства работ и экс-
плуатации. Ее ли по гребню плотины предусмотрена дорога, то
ширина его зависит от категории дороги (табл. 3.23) [52, 58].
Проезжая часть гребня плотины укрепляется одеждой также
в зависимости от категории дороги. Гребень плотин без Дороги
специально не укрепляется.
Глинистые грунты тела плотины в зоне гребня за г пития ют сло-
ем из несвязных грунтов толщиной не менее расчетной глубины
промерзания. В поперечном направлении проезжей части прида-
ют 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.
Конструктивные схемы ограждений приведены па рис. 3.9
Таблица 3.23
Параметры гребня проезжей части грунтовых плотин
(утверждены СПиП 2.05.02-85 и СНиП 2.05.11-83)
Параметры Дороги
Число полос движения, шт.
Ширина, м:
полосы движения
проезжей части
обочин
разделительной полосы
Между разными йкприВИ-
ниими движения (наимень-
шая)
земля кого полотка
На прямолинейных участках дороги проезжую часть выпол-
няют с двусторонним поперечным уклоном. На криволинейных
участках гребня дорогу выполняют с виражом, придавая проез-
жей 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 устрой-
ством на нем дороги с покрытием из булыжной мостовой и гра-
вия приведен на рис. 3.10.
Воавышение гребня плотины необходимо определять для
двух случаев стояния уровня воды в верхнем бьефе [51]:
• при нормальном подпорном уровне (Ш1У) или при более вы-
соком уровне, соответствующем пропуску максимального павод-
ка, входящего в основное сочетание нагрузок и воздействий;
Рис. 3.9. Ограждения на гребне плотины:
а — деревянные столбы-надолбы; 0 — железобетонные столбы-надолбы;
в — железобетонные брусья на массивных опорах; г — парапет из каменной
(кирпичной) кладки; д — железобетонный (бетонный) парапет; е — пара-
пет-ограничитель наката
h7
Рис 3.10. 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 -окрытие;
5 — дренажная канава; 6 — тело плотины; 7 — мостовая из рваного камня;
8 — железобетонные надолбы; 9 — обратный фильтр-призма из местных ма-
териалов (щебня, гравия, хворостяных фашин)
• при форсированном подпорном уровне (ФГГУ), при пропус-
ке максимального паводка, относимого к особым сочетаниям на-
грузок и воздействий.
Возвышение гребня плотины Л, над соответствующим расчет-
ным уровнем (рис. 3.11, а) определяется по формуле
~ ^«1 + ^ranl% +О’
(3.14)
гдеДЛ^ —ветровой нагон воды в верхнем бьефе; hmnl% —высота
наката ветровых волн обеспеченностью 1 %; а — запас возвыше-
ния гребня плотины.
Рис. 3.11. Схемы к ипределению отметки гребия шилины:
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 — от-
метка верха парапета
При определении первых двух слагаемых в (3.14) обеспечен-
ность скорости ветра для расчета элементов волн, наката и наго-
на при основном сочетании нагрузок и воздействий (при Н1ТУ)
следует принимать по СНиП 2.06.04-82. т.е. для сооружений
I, П классов — 2 % (один раз в 50 лет), Ш, IV классов — 4 %
(один раз в 25 лет) [55]. При особом сочетании нагрузок и воздейст-
вий (при ФПУ) эти обеспеченности принимаются для I и II клас-
сов — 20 %, для Ш класса — 30, для IV класса — 50 %. При
отсутствии данных наблюдений за скоростью ветра ее значения
могут быть приняты пи справочным данным (приложение 14).
Запас а определяют как большую из величин — 0,5 м и 0,17ц %
(7ц% — высота волны 1% -вой обеспеченности) [51].
Из двух полученных результатов расчета выбирают более вы-
сокую отметку гребня.
Если на гребне плотины предусматривают парапет, то отмет-
ку последнего определяют как отметку гребня плотины (см.
рис. 3.11, 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 подразделяет-
ся на зоны:
• глубоководную — дно не влияет на основные характеристи-
ки волн;
• мелководную —дно оказывает влияние на развитие волн и
их основные характеристики;
• прибойную — начинается и завершается разрушение волн;
• приурезовую — в ее пределах поток от разрушенных волн
периодически накатывается на берег.
При проектировании плотин из грунтовых материалов наибо-
лее характерной является глубоководная зона с глубиной более
половины средней длины волны, т.е. d > 0,5Х.
Средние параметры волн в глубоководной зоне: высоту волны
Л (м), длину волны X (м) и период волн Т (с) определяют в сле-
дующем порядке.
Вычисляют безразмерные параметры
— ИЛИ V ,
и2
где L — длина разгона волн, т.е. длина водохранилища по на-
правлению ветра, определяемая по плану водохранилища с уче-
том розы ветров, м (рис. 3.12); 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; о„ —
расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с.
По параметру t, и графику 3.13 определяют е1 и t]j, аналогично
по значению т находят Ej и Пг- По меньшим значениям £ и q вычис-
ляют период волн T-zv^/g и высоту волны Л = т]о2/^. При из-
вестном значении Т определяют среднюю длину волны:
вТ2
к=—. (3.15)
2л
Рис. 3.12. Схема к расчету параметров волн:
а — роза ветров; б — план водохранилища (1 — створ плотины; 2 — ось водоема)
т - gt/v„
Рис. 3.13. График для определения элементов ветровых волн
в глубоководной зоне
18 М В. Псхтггрои
Высоту волны {-процентной обеспеченности следует рассчи-
тывать по зависимости
ht=hKt, (3.16)
где К, — коэффициент, определяемый но графику 3.14 в зависи-
мости от значения и расчетной обеспеченности высоты волн i.
Расчетная обеспеченность высоты волны г% в системе волн
при определении высоты наката на откос, устойчивости и проч-
ности креплений бетонными плитами принимается равной 1 %,
каменной наброской — 2 %.
Приближенную расчетную высоту волны Л„, и ее среднюю
длину Кп, в мелководной зоне можно определить по следующим
зависимостям:
(3.17)
где аир— коэффициенты, определяемые по графику 3.15.
Высоту наката на откос волн обеспеченностью 1 % по накату
(м) для фронтально подходящих волн (hx %) при глубине пе-
ред сооружением d > 2Л1% надлежит определять но следующей
формуле [55]:
=Л1чК,КрКч,КЛ1ЛКвК(.п,п, (3.18)
где ftj % — высота бегущей волны обеспеченностью 1 %, м; Кг и
К) — коэффициенты, учитывающие тип крепления откоса (при-
нимают по табл. 3.24); К„, — коэффициент, учитывающий ско-
рость ветра и заложение откоса (принимают по табл. 3.25);
К„л — коэффициент, учитывающий пологость волны и заложе-
ние откоса (принимают но графику 3.16); — коэффициент,
учитывающий угол фронта подхода волны к сооружению (при-
нимают по табл. 3.26); KinJ„ — коэффициент, учитывающий
обеспеченность по накату волны (определяют но табл. 3.27).
Рис 3.14. График значении коэффициента К.
Рис. 3.15. График зависимости коэффициентов а и р от функции d/X
2.5
2,0
1.8
1.2
1.0
од
0.2 0,3 0.4 0,6
0.8
ДЖ
0,8
0,5
0,4
HkWSlIIIIBIII
0,3
0,2
Х/^1%
3 4 5878» 10
тп, = ctga,
Рис. 3.16. График значений коэффициента Кшл
50 (30)
0(25)
30(21)
25 (30)
20(19)
15(13)
10(9,7)
7(7,0)
18*
Таблица 324
Значения коэффициентов Кг и Кр
Конструкция крепления откоса Относительная шероховатость r/hi4t Кг КР
Бетонные (железобетонные) плиты - 1 0,9
Гравий но-галечниковые, каменное 0,002 1 0,9
или бетонными (железобетонными) 0,005—0,01 0,95 0,85
блоками 0,02 0,9 0,8
0,05 0,8 0,7
0,1 0,75 0,6
0,2 0,70 0,5
Примечание. Характерный размер шероховатости г(м) следует при-
нимать равным среднему диаметру зерен материала крепления отко-
са или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков.
Таблица 325
Значения коэффициента К,р
ctgxx Коэффициент для скорости ветра, м/с
< 10 м/с > 20 м/с
0.4 1,1 1,3
0,4-2 1.1 1,4
3-5 1.1 1,5
Более 5 1,2 1.6
Примечание. <р — угол наклона откоса к горизонту, град.
Таблица 326
Значения коэффициента Кр
₽. п>*д- 0 10 20 30 40 50 60
Kf> 1 0,98 0,96 0,92 0,87 0,82 0,76
Таблица 327
Значения коэффициента К, „ц.
Обеспеченность по наклону 1, % 0,1 1 2 5 10 30 50
Коэффициент К, 1.1 1.0 0,98 0,91 0,86 0,76 0,68
При глубине перед сооружением d > 2Л, % коэффициент К^,
необходимо принимать для значений пологости волны, указан-
ных на рис. 3.16 в скобках.
Следует отметить, что при небольших значениях высоты вол-
ны и коэффициента заложения верхового откоса высоту наката
ветровых волн можно определять по табл. 3.28 [20].
Таблица 328
Высота наката ветровых волн
Высота волны *1%.“ Коэф- фици- ент Кп,„ Крепление железобетонное монолитное и сборное из плит, омоноличенных карты, асфальтобетон- ное Крепление железобетонное сборное из шарнирно со- единенных плит Крепление каменной наброской при относительной шероховатости
0.1 0,2
Расчетная скорость ветра м/с
<10 >20 <10 >20 < 10 >20 <10 >20
0,5 2,0 1,05 1,35 0.05 1,20 0,50 0,60 0,40 0,50
3,0 0,75 1,00 0,65 0,90 0,35 0,45 0,25 0,35
3,5 0,60 0,85 0,55 0,75 0.30 0,40 0,25 0.30
1,0 2,0 2,10 2,70 1,90 2.45 0.95 1,25 0,75 0,95
3,0 1,45 2,00 1,30 1,80 0,65 0,90 0,60 0,70
3,5 1,20 1,65 1,10 1,50 0,55 0,75 0,50 0.45
1,2 2,0 2,60 3,25 2,35 2,95 1,15 1,45 0,90 1,15
3,0 1,77 2,35 1,60 2,10 0,80 1,00 0,60 0,85
3,5 1,45 2,00 1,30 1,80 0,65 0,90 0,55 0,70
1,5 2,0 3,15 4,00 2,90 3,65 1,45 1,85 1,10 1,45
3,0 2.15 3,00 1,95 2,60 1.00 1,35 0,75 1,05
3,5 1,85 2,50 1,70 2,25 0,85 1,15 0,65 0,90
Высота ветрового нагона принимается по данным натур-
ных наблюдений, а при их отсутствии ее допускается определять
методом последовательных приближений по формуле
(3.19)
где Ки — коэффициент, принимаемый в зависимости от скорости
ветра (при = 20; 30; 40; 50 м/с соответственно Kw40e = 2,1;
3; 3,9; 4,8; для промежуточных значений значение Ка. можно
определять линейной интерполяцией); d — глубина воды в верх-
нем бьефе, м.
Расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды оп-
ределяется по формуле
v„ =
(3.20)
где икг — скорость ветра, измеренная на высоте г, м; Кг — коэф-
фициент приведения к высоте 10 м (К, >0,9 при г — 20 м); Kfl —
коэффициент пересчета данных по скоростям ветра, измеренным
по флюгеру (принимается по табл. 3.29).
Таблица 329
Значения коэффициента Кд
о*. М/с 20 25 30 35 40 45 50
Кд 1 0,95 0,92 0,89 0,88 0,86 0,85
Пример 3.1. Определить отметку гребня плотины в глубоководной
зоне.
Исходные данные. При отметке НПУ, равной 44,50 м, расчетная
глубина воды перед плотиной dx ~ 16,90 м, расчетная скорость ветра
на высоте 10 м над уровнем воды = 17,50 м/с, длина разгона ветро-
вой волны по направлению ветра Lt = 1,5 км, непрерывная продолжи-
тельность действия ветра t, = 9 ч, угол подхода фронта волны к соору-
жению 0, = 30°. При уровне воды на отметке ФПУ, равной 45,20 м,
dt = 17,60 м; = 12,50 m/c;L2 =1,7 км; tt = 7 ч; 02 = 40. Коэффици-
ент заложения верхового откоса пц = ctga, = 3,0. Откос крепится бе-
тонными плитами.
Первый расчетный случай.
1. Вычисляем безразмерные параметры:
^ = 931Л500 т=^ = 931 9-60 60 8
17,5’ ои1 17,5
По параметру Е, и графику (см. рис. 3.13) определяем с1 = 1,30 и
Т), = 0,0135. По параметру т аналогично находят е, = 2,90 и Т]2 = 0,045.
2. По меньшему значению е, = 1,30 вычисляем период волн:
8 931
По меньшему значению Т)(=0,0135 вычисляем высоту волны:
Л=П1
у^ 0,0135 17,5’
g 931
=0,42 м.
3. По (3.15) определяем среднюю длину волны:
? gT* 931 232*
” 2ж 2 3,14
=8,41.
4. Обеспеченность высоты волны при определении высоты наката
принимаем равной 1 %. Высота волны при этой обеспеченности опреде-
ляется умножением средней высоты волны h на коэффициент К, %, кото-
рый определяется по графику (см. рис. 3.14) в зависимости от gL,/о*, =
= 48,05 и К, = 2,07.
Тогда Л, % = Л • К, % = 0,42 • 2,07 = 0,87 м.
5. Высоту наката волн на откос определяем по(3.18), предварительно
определив значения коэффициентов, входящих в эту зависимость:
• Кг и Кр принимаем по табл. 3.24: для крепления откоса бетонными
плитами Кг = 1,0, Кр = 0,9;
• по табл. 3.25 при скорости ветра uwl = 17,5 м/с и заложении откоса
равном 3, путем интерполяции Kv = 1,40;
• по графику 3.16 в зависимости от заложения откоса mt = 3,0 и по-
логости волны Х/Л, % = 8,41/0,87 = 9,67 К^, = 1,39;
• по табл. 3.26 в зависимости от угла фронта подхода волн к соору-
жению р, = 30° Кр = 0,92;
• по табл. 3.27 в зависимости от обеспеченности по накату волны
1 = 1 % К.,, = 1,0.
Определяют высоту наката на откос волн 1 % -ной обеспеченности по
формуле
= Al%KrK^vKnu,KpKlnul =
=037 13 03 МО 139 032 1,0=1,40.
6. Высоту ветрового нагона определяют по (3.19) при Р) = 30’ и
Ки = 2,110*:
В первом приближении принимаем ДЛ^, = 0. тогда
=2,1 10*
931(1630 + 0)
=0,01 м.
Так как величина ветрового нагона воды на откос очень малая, то вто-
рого приближения при определении ДЛ^ не делают.
7. Запас высоты плотины а = 0,1 Л, % = 0,1 • 0,87 = 0,09 м.
Ввиду того что а < а,^, = 0,5 м, принимают а = 0,5 м.
Возвышение гребня плотины над ЦПУ рассчитаем по (3.14):
А, = ДЛ„, + » + а = 0,01 + 1,40 + 0,5 = 1,91 м.
Тогда отметка гребня плотины по первому расчетному случаю
ДГП = Д-НПУ + А, = 44,50 + 1,91 = 46,41 м.
Второй расчетный случай.
8. По аналогии с первым расчетным случаем при тех же параметрах
верхового откоса определяем:
• высота волны 1%-ной обеспеченности Л, % = 0,60 м;
• высота наката ветровой волны на откос плотины % = 0,76 м;
• высота ветрового нагона воды ДА^, •> 0;
• запас в высоте плотины а = 0,5 м.
9. Возвышение гребня плотины надФПУ Л, = 0,76 + 0 + 0,5 = 1,26 м.
Тогда отметка гребня плотины по второму расчетному случаю
Д-ГП = ДфПУ + А, = 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.
3.2.5. Крепление откосов
Общие сведения. Крепление откосов грунтовых плотин уст-
раивают для защиты их от следующих воздействий:
• размыва течением или волнением воды в бьефе;
• разрушения льдом;
• размыва фильтрационным потоком воды, вытекающей из
тела, плотины (из пор грунта), например, при снижении уровня
воды в бьефе или откате волн;
• размыва дождевыми и талыми водами, стекающими по от-
косу плотины (низовому), а также по откосу берега в нижнем
бьефе;
• разрушения под воздействием ветра;
• прорастания растений с сильно развитой корневой систе-
мой, при отмирании и гниении корней которых в теле плотины
могут раскрыться сосредоточенные ходы фильтрации;
• проникновения землеройных животных;
* пучения 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 эле-
ментов (рис. 3.17):
• крепление — защищает откос от размыва поверхности во-
дой бьефа, разрушения льдом и т.п.;
• подготовка — укладывается под крепление:
дренаж — причем дренаж (вместе с обратным фильтром
и защитным слоем) иногда может играть роль подготовки;
обратные фильтры — предотвращают вынос мелкозерни-
стых частиц грунта в дренаж или за пределы тела плотины;
защитный слой — совместно с креплением, подготов-
кой, дренажем и обратным фильтром защищает глинистый
грунт откоса от промерзания и других указанных выше воз-
действий.
Рис. 3.17. Схема покрытия откоса АВ (в общем случае):
1 — крепление; 2 — дренаж; 3 — обратный фильтр; 4 — защитный слой
(2-4 — подготовка)
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 [51]:
* каменные (насыпные);
• бетонные монолитные, железобетонные сборные и монолит-
ные с обычной и предварительно напряженной арматурой;
• асфальтобетонные;
• биологические.
При наличии данных, обоснованных исследованиями или опы-
том строительства и эксплуатации плотин, допускается приме-
нять и другие виды креплений верховых откосов, например, гра-
вийно-галечниковые, грунтоцементные и др. Крепление камнем
в виде одиночного или двойного мощения, требующее больших за-
трат 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, распо-
ложенное 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 крепле-
ние следует заканчивать ниже гребня на отметке высоты наката
hm, далее до гребня доводят облегченное крепление.
Нижнюю границу основного крепления (НГК) назначают, счи-
тая от минимального уровня сработки водохранилища (УМО), на
глубине Л = 2А,. При этом нижняя граница основного крепления
должна быть ниже минимального уровня сработки водохранили-
ща не менее чем на 1,51, где t — расчетная толщина ледяного по-
крова.
Для защиты верховых откосов чаще применяют сборные и мо-
нолитные железобетонные покрытия или каменную наброску,
несколько реже — бетонные, асфальтобетонные и биологические
крепления.
Сборные крепления (рис. 3.18) выполняют с омоноличивани-
ем стыков плит или с открытыми швами.
Омоноличенные покрытия из унифицированных плит марки
ПКП с размерами 2 х 4 м и толщиной = 0,12, 0,15 и 0,20 м
являются основным типом крепления откосов низких и средней
высоты водохранилищных плотин мелиоративного назначения.
Их применяют при высоте волны 1% -ной обеспеченности до 1,5 м
и толщине льда до 0,8 м. Плиты объединяют в секции (карты)
путем сварки выпусков арматуры (рис. 3.18, г) или шарнирным
соединением (рис. 3.18, д). Швы заделывают бетоном, асфальто-
бетоном или раствором. Секции выполняют прямоугольными
с соотношением сторон 1 < < 2, где btl — меньшая сторона,
располагаемая нормально урезу воды. Размер b,t при сварных со-
единениях арматуры принимают равным 10... 14 м, а длину сек-
ции 1Л — 20...24 м.
По периметру секций устраивают деформационные швы
(рис. 3.18, в), воспринимающие температурные и осадочные де-
формации. При шарнирном соединении плит температурно-оса-
дочные швы можно не делать.
Рис. 3.18. Конструкция крепления откоса сборными железобетонными
плитами (размеры в см):
а — разрез крепления; б — вариант упора крепления откоса без берм; в — по-
перечный температурно-осадочный шов (продольные швы (узел А) выполня-
ют аналогично); г — омоноличенный стык жесткосоединенных плит (узел Б);
8 — омоноличенный стык шарнирно соединенных плит; е — шарнирное со-
единение плит с открытыми швами; 1 — плиты ПКП-П; 2 — бетон; 3 — сетка
из стержней диаметром 8 мм с интервалом 0,2 м; 4 — фильтровая подготов-
ка; 5 — битумный мат толщиной 1 см; 6 — окраска битумом в два слоя; 7 и
9 — плиты ПКП-Ш и ПКП-ГУ; 8 — хомут диаметром 18 мм; 10 — арматура
диаметром 6 мм; 11 — бетон с мелким заполнителем; 12 — упорная призма
из камня размером 12...15 см
На откосах плотин из глинистых грунтов, способных к раз-
жижению, необходимо предусматривать под плитами обратный
фильтр из песчано-гравелистых, галечниковых или щебеноч-
ных грунтов, а также из искусственных волокнистых материа-
лов. Толщина одного слоя фильтра при ручной укладке грунта
должна быть не мевее 0,1, при механической — 0,2 м [471.
Искусственные фильтры из волокнистых материалов приме-
няют для защиты глинистых грунтов, мелкозернистых и сред-
незернистых песков. Для защиты связных грунтов, способных
к разжижению в воде, их наиболее целесообразно использовать
в сочетании с песчаным слоем фильтра.
Сборные покрыто из плит с открытыми швами требуют на-
дежной фильтровой подготовки. Их применяют редко: при зна-
чительной неравномерности осадки откоса, креплении подвод-
ных откосов или проведении работ в зимнее время.
Толщина однослойных фильтровых подготовок под покры-
тиями из плит с открытыми швами или сквозными отверстиями
принимается в следующих пределах:
35 см<:ф>10П6О. (3.21)
При многослойной подготовке, состоящей из двух или трех
слоев в зависимости от характеристик применяемых материа-
лов, для надежного контактирования с песчаным грунтом откоса
нижний слой подготовки выполняют из материала со степенью
неоднородности [8]:
Лво/ю 20, (3.22)
удовлетворяющего условиям соотношения размеров своих час-
тиц D и размеров частиц d грунта откоса:
-Oio/dio < Ю (3.23)
или
DM/di0 < 10. (3.24)
При этом материал последнего слоя должен удовлетворять
следующим основным условиям:
по коэффициенту неоднородности
Пводо ~ < 2;
(3.25)
по коэффициенту межслойности с расположенным под ним
слоем подготовки
Я«»Чо = 3...4. (3.26)
Монолитные покрытия применяют при высоте волны
hx % > 1,5...2 м. Их разрезают температурно-осадочными швами,
располагаемыми нормально урезу воды, на секции размером
40...60 м. В пределах каждой секции предусматривают темпера-
турные закрытые швы, разделяющие секцию на плиты размером
btl = 0,4k, но не более 20 м; 1,х = (1...2)6Ж1, где X — средняя длина
волны [51]. Секции армируют одиночной (располагаемой внизу)
или двойной арматурой. В пределах секции нижнюю арматуру вы-
полняют непрерывной. Верхнюю арматуру иногда предусматри-
вают лишь по периметру плит в виде арматурных поясов шириной
1...2 м. Крепление укладывают на однослойную подготовку из
песчано-гравийной смеси или щебня толщиной 0,15...0,25 м.
Согласно [8], толщина однослойных подготовок под сплош-
ными покрытиями типа монолитных и сборных железобетонных
с уплотненными швами или омоноличенными плитами прини-
мается в следующих пределах:
15 см < 1ф>4Пм, (3.27)
где — диаметр частиц слоя подготовки по кривой зернового
состава обеспеченностью 50 %.
Неоднородность материала однослойной подготовки должна
находиться в пределах
Пво/ю = ^«о/^1и = 5...20, (3.28)
где Dw и d10 — диаметры обеспеченностью 60 и 10 % по кривым
зернового состава соответственно для грунта подготовки и откоса.
Размеры частиц однослойной подготовки D10 выбираются
с учетом размеров частиц грунта откоса di0 по соотношению
Dl0/dM < 30. (3.29)
Под температурно-осадочными швами устраивается ленточ-
ная подготовка трапецеидального поперечного сечения по типу
обратного фильтра из двух-трех слоев разнозернистого материа-
ла (рис. 3.19).
286
3. Грунтовые плотины
Рис. 3.19. Крепление откоса монолитными железобетонными плитами:
а — план крепления; биг — верхняя и нижняя части крепления; в — кон-
струкция температурно-осадочных швов; 1 и 4 — облегченное покрытие со-
ответственно из сборных плит и камня;# — основное монолитное железобе-
тонное покрытие; 3 — гибкий тюфяк из сборных плит; 5 — дренажные
отверстия; 6 и 8 — температурно-осадочные швы; 7 — ленточный дренаж
Крепление гравелисто-песчаных и песчаных откосов при на-
дежном уплотнении закрытых швов можно устраивать без подго-
товки.
Расчетную толщину бетонных и железобетонных плит по-
крытия определяют по формуле
= О,О7цЛ1%
(3.30)
где Т] — коэффициент запаса (для монолитных плит Т| = 1,0,
сборных — г) = 1,1); ув и уь — соответственно плотность воды и
бетона, т/м*.
Если расчетное значение t,x < ОДЛ, то по условиям произ-
водства работ и долговечности крепления для монолитных плит
его принимают равным ОДЛ, %, нонеменее0,15 м, а для сборных
плит — стандартную ближайшую толщину.
Предварительную толщину плиты небольшого размера мож-
но подсчитать по формуле Б. А. Пышкина:
t = ^, (3.31)
2а
где t — толщина плиты; Рт,х — максимальное волновое давле-
ние на плиты, т/м2:
^Шлх=ЗЛ1%; (3.32)
а — расчетное напряжение на грунт откоса плотины (о=10.. .60 т/м2).
Плиты рассчитывают на прочность как балки на упругом ос-
новании. По максимальному изгибающему моменту от динами-
геского давления воды подбирают арматуру, которая может быть
одиночной, располагаемой внизу, или двойной. Армирование
плит составляет обычно 0,2...0,6 %.
Толщина непрерывно армированных монолитных железобе-
тонных покрытий t должна быть такой, чтобы обеспечивалась
их общая устойчивость или сопротивляемость всплыванию при
действии гидростатической и волновой взвешивающих нагру-
зок. Величина t может быть определена по следующим форму-
лам, выведенным исходя из условия равновесия плиты под дей-
ствием собственного веса и взвешивающего давления [9]:
Л2ч^у.[ЗВ1(1 + ^) + Л1%Т(Х5+ЛГ)2]
ss —" ------ --- ------,
3[В2уп-(В‘-В, )yjcosa
^^[ЗВ^ + ^ + Л^!^)2]
Г я =---------------X------------->
3(B2yn -B,yw)cosa
где Л, % — высота расчетной волны 1%-ной обеспеченности, м;
Т и К — параметры, значения которых в зависимости от зало-
жения откоса т, высоты волны Л, % и длины волны X приведены
соответственно в табл. 3.30-3.32; уш — плотность воды, т/м8; В,
и В2 — расстояния от уреза воды на откосе при статическом ее
Уровне соответственно до верхней и нижней границ крепления, м
(В = В, + В2); уп — плотность материала покрытия, т/мл; a —
угол наклона откоса к горизонту.
В табл. 3.30-3.32 h„ — ордината эпюры взвешивающего вол-
нового давления; lt и 1г — линейные размеры эпюры взвешиваю-
щего волнового давления по откосу.
За результат принимается большее из двух полученных значе-
ний толщины.
Таблица 3.30
Значения коэффициента
Коэффициент Значения £, - Лл/А| % при 1/Л] %
заложения откоса т 7 10 15
1 2 3 4
2 0,4 0,5 0,8
2,6—3.0 0,3 0,5 0,7
3,5 0,3 0,4 0,6
4,5 0,2 0.3 0,5
5 0,2 0,3 0,4
Таблица 3.31
Значения коэффициента Ф
Коэффициент заложения откоса т Значения у - ij/Aj % при Х/Aj *
7 10 15
1 2 3 4
2,5—3,0 1.2 1,75 2,65
3,0...3,5 1.6 2,2 3,3
4.0...5.5 1.9 2,8 4,2
Таблица 3.32
Значения коэффициента К
Коэффициент Значения К -/]/А| Ч npn^-A^/Aj к
заложения откоса т 0,2 0.4 0,6 0,8
. 1 2 3 4 5
2 1.2 1.2 0,8 0,4
2,5-3,0 1.1 1.0 0,6 0,2
3,5 0,9 0,8 0,4 -
4,5 0,7 0,5 ОД -
5 0,5 0,2 - -
Покрытие откосов из каменной наброски выполняют, как
правило, из несортированного камня (горной массы). Для креп-
ления откосов обычно применяют каменные материалы из извер-
женных, осадочных и метаморфических пород, которые в зави-
симости от требуемой долговечности покрытия должны обладать
плотностью > 2,4...2,9 т/м’, пределом прочности в водонасы-
щенном состоянии Rc > 40...50 МПа и маркой по морозостойко-
сти F > 50...150.
Каменно-набросные покрытия обладают рядом достоинств.
Их выполняют независимо от температуры воздуха. Разрушен-
ные участки покрытия легко и быстро восстанавливаются, креп-
ление 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 воз-
можности 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 выполня-
ется преимущественно из несортированного камня, что связано
с техническими трудностями сортировки, особенно при значи-
тельных размерах камня. Наброска располагается на однослой-
ной или многослойной подготовке при общей ее толщине, иногда
достигающей 60 см.
Для крепления из несортированного камня наименьший рас-
четный диаметр камня (м), приведенного к шару, определяют
по его устойчивости я условиях волновых воздействий при отко-
сах с заложениями в пределах т = 2...5 по формуле
В, = 0Д2С—(т*+ 10)2’8'П~°’8—, (3.35)
" m* 1£т + 1 уж-у,
где С — гидравлический коэффициент сопротивления (при диа-
метре камня более 15 см и высоте волны более 0,5 м С = 0,2);
mh — пологость волны обеспеченностью 1 % (тд = Х/Л; для водо-
хранилищ mh = 7); Л1 — высота волны обеспеченностью 1 %; т —
заложение откоса; уж — плотность камня, т/м3; у, плотность
аэрированной воды в струе от разрушающейся волны на откосе на-
броски, принимается с учетом коэффициента запаса 1 t/mj [8].
19 М. В. H-vr-pn«
Размер D„ относится к наименьшим фракциям камня, кото-
рые при наброске не перемещаются в нижнюю часть ее попереч-
ного сечения, а задерживаются на поверхности покрытия.
Вышеприведенная формула получена для случая действия на
откос наброски прибойной волны и такого расположения расчет-
ного камня, при котором он на половину диаметра выступает за
пределы габарита поперечного профиля покрытия.
Расчетный размер камня Dt (м), приведенного к шару, необ-
ходимого для образования опорной пространственной решетки
и обеспечения общей устойчивости наброски из несортирован-
ного материала в условиях волновых воздействий при откосах
с заложением в пределах т = 2...5, определяют по зависимо-
сти [2]:
D6
+0,5
m + 13 Y.
13m-l ук-у.
(3.36)
Несортированный материал для наброски должен содержать
не менее 50 % по объему камня наибольшего расчетного разме-
ра Dt, 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 рас-
четных диаметров, т.е. D„ и D6.
При составлении проекта производства работ по наброске кам-
ня следует предусматривать такие технологические методы, ко-
торые обеспечивают равномерное распределение фракций несор-
тированного каменного материала как по поперечному сечению,
так и по площади укрепляемого откоса.
Толщину покрытия из несортированного камня определяют
для условий волнового воздействия по зависимости
< = (2..2Д)Лв. (3.37)
На нижней границе каменно-набросного покрытия следует
предусматривать каменный упор в виде банкета, железобетонный
упор в виде массива либо надежный упор иной конструкции, со-
прягаемый в необходимых случаях с облегченным покрытием
дна или нижней части откоса для защиты их от размыва и нару-
шения устойчивости основания самого покрытия.
Толщину каменной наброски из сортированного камня для
предварительных расчетов можно определять по формуле
Г>(2Д.З)з—, (3.38)
' 4/0,5247 к
где QK — расчетная масса отдельного камня в наброске, т; ук —
плотность камня, т/м3.
QK определяют по формуле П.А. Шанкина:
QK =к1к2л’%-^\,
Y « -1
(3.39)
где Kj — коэффициент, зависящий от длины и высоты волны,
при Л./Л1 ч<15 Kj = 7,2, при ч>15 Kj = 8,2; К2 — коэффи-
циент, принимаемый в зависимости от заложения откосов т по
табл. 3.33.
Таблица 3.33
Значения коэффициента К2
m 1.5 2.0 2,5 3 3,5 4,0 5.0
Кг 0.039 0,022 0,014 0,0093 0,0069 0,0049 0.0034
Следует отметить, что опыт строительства и эксплуатации за-
щитных сооружений из каменной наброски подтверждает целе-
сообразность применения этого типа крепления для откосов с за-
ложением т = 3 [6].
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 = 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 следую-
щих пределах:
20 см < > 7ПМ. (3.40)
На рис. 3.20 приведен пример возможной конструкции креп-
ления откоса каменной наброской.
Рис. 3.20. Пример крепления откоса каменной наброской:
1 — основное покрытие; 2 — обратный фильтр; 3 — облегченное крепление
(гравий или щебень t = 0,3 м)
Покрытие в виде одиночной или двойной мостовой выпол-
няют из камней продолговатой формы с соотношением размеров
приблизительно 1:2. Камни укладывают длинной стороной нор-
мально к откосу на однослойном или двухслойном фильтре из
крупнообломочных грунтов. Для повышения устойчивости оди-
ночный мостовой камень иногда укладывают в клетки из сбор-
ных бетонных элементов.
Толщина крепления одиночной или двойной мостовой опреде-
ляется по имеющимся зависимостям. По формуле Б. А. Пыткина:
(3.41)
гдет] —коэффициент запаса (принимают л = 1,2...1,5);Р —дав-
ление, возникающее при сбегании воды с откоса, т/м*; уж —
плотность камня (принимают в пределах 2,0...2,2 т/м3); т —ко-
эффициент заложения откоса.
Давление, возникающее при сбегании воды с откоса, рассчи-
тывается по зависимости
Р = 0Д78А1%, (3.42)
где Aj % — высота волны 1%-ной обеспеченности, м.
По формуле П.А. Шанкина толщина крепления мостовой оп-
ределяется следующим образом:
* = 1,75—Ь—КЛ», (3.43)
гдеук —плотность камня (принимается в пределах 2,6...2,7 т/м3);
К] — вспомогательный коэффициент, принимается в зависимо-
сти от коэффициента заложения откоса т по табл. 3.34 или оп-
ределяется по формуле
Таблица 3.34
Значения вспомогательного коэффициента К,
т 1.5 2,0 2.5 3,0 3,5 4.0 5
К. 0,34 0,28 0,24 0,21 0,19 0,17 0,15
Если вычисленные по (3.41), (3.43) t меньше 0,25 м — прини-
мают крепление одиночной мостовой толщиной 0,2...0,3 м, если
t больше 0,25 м — двойную мостовую толщиной 0,4...0,6 м.
Следует отметить, что при устройстве мостовой расход камня
гораздо меньше, чем при каменной наброске. Однако при этом
требуется подбор штучных камней, ограничена возможность ме-
ханизации работ, т.е. требуются большие затраты ручного труда.
Это крепление менее гибко, чаще разрушается, так как при де-
формациях откосов плотины нарушается цельность крепления.
Его применяют при малой высоте волны, наличии дешевого кам-
ня и ручного труда.
Асфальтобетонные покрытия могут быть однослойными или
двухслойными.
Однослойные покрытия (рис. 3.21, а, б) толщиной* = 4...6 см
применяют при высоте волны Л, % < 1,0 м и расчетной толщине
льда не более 0,4 м. Покрытие толщиной t = 8 см можно преду-
сматривать при А1М = 1,0...1,5 ми толщине льда 0,4...0,6 м.
Двухслойное покрытие (рис. 3.21, в) обычно состоит из вы-
равнивающей щебеночной или гравийной битуминизированной
подготовки толщиной 6... 10 см, дренажного слоя из пористого
асфальтобетона и слоя плотного асфальтобетона.
Рис. 3.21. Конструкция асфальтобетонного крепления откоса (размеры в см):
а — однослойное на откосе из песчаных или гравелисто-песчаных грунтов;
б — однослойное (укладываемое в два хода) на откосе из связных грунтов;
в — двухслойное; 1 — асфальтовая мастика; 2 — асфальтобетон; 3 — грунт
откоса, покрытый слоем битумной эмульсии; 4 — щебень или гравий; 5 —
слой щебня или гравия, обработанный разжиженным битумом; 6 — фильт-
ровая подготовка; 7 — супесчаное или суглинистое тело плотины; 8 — по-
ристый асфальтобетон
Если верховой клин тела плотины отсыпан из хорошо водопро-
ницаемого песчаного или гравелистого грунта, то покрытие можно
укладывать непосредственно на спланированный и хорошо уп-
лотненный грунт откоса или на откос, покрытый слоем битум-
ной эмульсии или пропитанный разжиженным битумом (расход
эмульсии 1,5...2 кг/м2, разжиженного битума — 12...17 кг/м2).
Если же верховой клин плотины отсыпан из слабоводопрони-
цаемых или пучинистых грунтов, то под всем креплением укла-
дывают слой из песчаного или гравелистого грунта толщиной
не менее глубины промерзания, обеспечивающий дренирование
крепления и защиту откоса от морозного пучения и образования
трещин.
Чтобы предотвратить старение асфальтобетона, его покрыва-
ют слоем битума, асфальтового раствора или мастики со стабили-
зирующими добавками (расход мастики около 3 кг/м2).
Асфальтобетонные покрытия выполняют без температурно-
осадочных швов. Их значительную экранирующую способность
следует учитывать при фильтрационных расчетах плотины.
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. 3.22).
Рис. 3.22. 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
Следует отметить, что упоры при расчете устойчивости по-
крытия откоса в расчет не принимаются. Размеры упоров опре-
деляются при статическом расчете на устойчивость. Чем круче
откос, тем более массивным должен быть упор. Заглубление же
подошвы упора зависит от степени размываемости грунта. Вы-
сотное размещение упоров определяется нижней границей креп-
ления, а при наличии промежуточных берм — их расположени-
ем. Упоры креплений могут находиться непосредственно на отко-
се и на бермах с внутренней стороны (рис. 3.23) [15].
а б
в
Рис. 3.23. Размещение упоров на откосе:
а — на бермах; б — на откосе и на бермах; в — на откосе; 1 — крепление от-
косов; 2 — упоры крепления; 3 — берма
Конструктивное решение упоров для различных видов покры-
тий показано на рис. 3.24. В конструкции упора со стенкой при-
меняют деревянные сваи с заборкой из пластин, а также железо-
бетонные свайки с заборкой из плит. Расстояние между свайками
принимают 1,5...2,0 м.
Рис. 3.24. Конструкции упоров:
а, б, в — на откосе; г, д — на бермах; / — каменная наброска; 2 — камен-
ный упор; 3 — деревянный упор; 4 — железобетонные плиты; 5 — массив-
ный бетонный упор; 6 — сборный железобетонный упор
Пологие (пляжные) откосы применяют при отсутствии нуж-
ных строительных материалов, а также при технико-экономиче-
ском сравнении различных вариантов плотин.
Как показывает опыт, возведение грунтовых плотин с неукреп-
ленными пляжными верховыми откосами может оказаться эконо-
мически целесообразным при их высоте до 10 м. Пологие откосы
обладают волнозащитными свойствами, их устраивают без креп-
ления. Заложение тво пляжных откосов (рис. 3.25) по методике
Института гидромеханики АН УССР с учетом требований [55] оп-
ределяется из условия обеспечения динамического равновесия
частиц грунта откоса при фронтальных воздействиях волн [19]:
=т
(3.45)
где то — заложение естественного откоса грунта под водой.
Рис. 3.25. Схема к расчету пляжного откоса
Откос с заложением т,„ продолжается ниже расчетного уров-
ня на глубину размывающего действия волн, которая определя-
ется по формуле
Hf = 0,028. (3.46)
' ° 50 ,
Ниже этой глубины заложение откоса тг = (1,5...2,0)/п„._
Верх пляжного откоса рекомендуется принимать выше НИ У
на величину Лж о = ht
Коэффициент заложения откоса между гребнем и верхом
пляжного откоса определяется по формуле
т,-».+0Д7(^?Г- |ЗЛ7>
^**50 у J
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 невели-
ка и волновые воздействия незначительны.
Принцип, положенный в основу биологического крепления,
заключается в том, что молодая поросль пвовых пород, зарытая
в землю, дает побеги. Образующаяся затем густая раститель-
ность и мощная корневая система скрепляют грунт, повышают
устойчивость откоса против разрушающего волнового воздейст-
вия, а также предупреждают выдувание мелких частиц грунта
из откоса.
Следует учесть одно существен ное обстоятельство, которое мо-
жет отразиться на устойчивости откосов. Откосы с биологиче-
ским креплением вступают в работу не раньше второго-третьего
года, когда молодая поросль и корневая система достаточно хоро-
шо разовьются, а до этого откосы должны быть предохранены от
разрушения временным защитным покрытием. Таким времен-
ным креплением, не препятствующим развитию основного био-
логического крепления, может служить хворостяная выстилка и
солома, срок службы которой вполне достаточен до вступления
в действие биологического крепления.
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 за-
трат 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 раститель-
ным 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. 3.26). Черенки ивняка сажают
глазками вверх с таким расчетом, чтобы над поверхностью спла-
нированного откоса оставались головки высотой 10...20 см. За-
тем гнезда засыпают растительным грунтом с легким трамбова-
нием.
Рис. 3.26. 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
Хлысты заготавливают из свежесрубленных двух-трехлет-
иях хворостин диаметром в комле 2,5...5,0 смив вершине не ме-
нее 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 хлы-
сты, очищенные от сучьев и ветвей, а затем засыпают раститель-
ным грунтом заподлицо с откосом (рис. 3.27). При этом верхнюю
часть хлыстов изгибают и выводят на поверхность откоса. Хлы-
сты укладывают на откосе комлями к урезу воды. Такая посадка
способствует развитию мощной корневой системы, которая быст-
ро распространяется по всей высоте откоса. Наземная поросль
крепления развивается на верхнем участке хлыста от вершины
до уреза некоторого уровня воды — уровня растительности. Кор-
невая система развивается выше и ниже этого уровня и распро-
страняется вдоль всего уложенного хлыста.
Посадки хорошо приживаются при употреблении свежесруб-
ленного материала. Если производственные условия заставля-
ют заготовлять посадочный материал заранее, то лучше всего
срезать его поздней осенью, когда опадают листья, или зимой.
ТУМО ТУР ТИПУ *ФПУ
Рис. 327. Крепление откоса ивовыми хлыстами (размеры в м;
временное покрытие не показано):
УР —уровень растительности; 1 — поросль от ивовых хлыстов; 2 — гребень
плотины
Хранить в прохладных, сырых и затененных местах. Заготовлять
ивовые черенки и хлысты в период, когда растение покрыто лист-
вой, недопустимо, так как они очень плохо приживаются [43].
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 су-
ток. Верхний ряд растительных насаждений располагают на отмет-
ке ФПУ + Л, где Л — высота волны, а нижний — на такой отметке,
чтобы продолжительность непрерывного затопления взрослых по-
садок не превышала 2,0...2,5 месяца. При этом вершины посадок
должны возвышаться над водой не менее чем на 0,5 м.
Пример 3.2. Для исходных данных примера 3.1 рассчитать крепле-
ние верхового откоса. Для крепления приняты сборные железобетонные
плиты размером 2 х 2 м. Плиты будут объединены в карты размером
8 х 8 м путем омоиоличиваиия швов.
1. Толщину плиты определяем по (3.30), принимая коэффициент за-
паса для сборных плит т) = 1,1; плотность материала крепления =
= 2,5 т/м3; коэффициент заложения верхового откоса т = 3,0; высота вол-
ны 1%-ной обеспеченности = 0,87 м; средняя длина волны X. = 8,41 м.
Расчетный размер крепления вверх в направлении, нормальном
к урезу воды, в данном примере принимаем равным длине карты, т.е.
btl = 8,0 м. Тогда толщина плиты крепления верхового откоса
1tl =0,07 =0,08 м.
'* 23-1V 3 V 8
2. Принимаем толщину железобетонных плит равной 0,1 м. Под пли-
тами располагаем однослойную фильтровую подготовку толщиной 0,2 м.
Железобетонное крепление предусмотрено в данном при мере, начиная
от гребня плотины и до отметки ниже УМО на 2Л, % = 2 • 0,87 = 1,8 м.
В нижней части крепления устраивают упор в виде бетонного массива
сечением 0,8 х 0,3 м.
Крепление низовых откосов плотин. Крепление низовых от-
косов выполняют с целью их защиты от атмосферных осадков и
ветра. Наиболее распространенные виды крепления низовых от-
косов — это залужение, дерновое и гравийно-галечниковое по-
крытия.
Самым простым и дешевым способом крепления откосов явля-
ется 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 тол-
щиной!),1...0,15 м,а по нему высевают семена многолетних трав.
На крутых откосах, особенно когда они сложены из глини-
стых грунтов, слой растительной земли может сползать. Во избе-
жание этого устраивают углубления — борозды, нарезаемые па-
раллельно бровке откоса (рис. 3.28).
Несмотря на простоту и доступность способа крепления низо-
вых откосов сплошным залужением, последнее находит ограни-
ченное 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 проч-
ность покрытию, обильные дожди и ливни, а следовательно, и
ручейки, стекающие по откосу, могут не только смыть слой рас-
тительной земли, но и деформировать грунт откоса. Поэтому
чаще применяют дерновое покрытие.
Рис. 3.28. Залужение низового откоса (размеры в см):
1 — слой растительного грунта; 2 — посев трав на откосе плотины
Рис. 3.29. 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 же-
лезобетонный лоток; 4 — дерновые ленты по бровке откоса
Дерновое покрытие может быть сплошное и в клетку. При
сплошной 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. 3.29) клетки, образованные пе-
ресечением дерновых лент, заполняют растительным грунтом,
в который высеваютс я семена трав. К откосу дерн прикрепляется
деревянными колышками-спицами.
Залужение откосов и дерновое крепление применяют при бла-
гоприятных условиях произрастания трав.
В районах с 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 по-
дошва откоса.
3.2.6. Дренажи (рунювых 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:
• для приема и организованного отвода в нижний бьеф фильт-
рующейся воды, чтобы исключить фильтрационные деформации
грунтов тела и основания плотины;
• уменьшения зоны действия фильтрационного потока, что
позволяет повысить устойчивость низового откоса;
• недопущения выхода, фильтрационного потока на низовой
откос — заглубления депрессионной кривой ниже зоны промер-
зания;
• ускорения 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 допускает-
ся не устраивать дренаж в следующих случаях:
* в плотинах на водопронип аемом основании при низком стоя-
нии уровня грунтовых вод, когда депресс ионная поверхность и без
устройства дренажа оказывается достаточно удаленной от поверх-
ности низового откоса и не попадает в зону промерзания;
• в плотинах, низовая часть которых выполнена из каменной
наброски или другого крупнообломочного материала (гравийно-
го, галечникового и т. п.).
Дренаж состоит из двух основных частей:
1) приемной —в виде обратных фильтров из пористого песка,
гравия или щебня, а также из пористого бетона или синтетиче-
ских волокнистых материалов;
2) отводящей (коллектора) — для отвода воды в нижний бьеф,
выполняется из перфорированных труб или в виде лент из круп-
ного щебня и камня.
Задача обратных фильтров — предотвращение фильтрацион-
ных деформаций грунта в зоне выхода фильтрационного потока
в дренаж.
По конструкции и расположению в теле плотины различают
следующие типы дренажа (рис. 3.30): дренажный банкет, на-
< ЛОННЫЙ. ТрубчаТЫН. ГирИзиНТ иЛЬнЫЙ. комбимировинНыЙ.
Дренажный банкет (рис. 3.30, а) образуют наброской камня,
диаметр которого при наличии волнения волы в нижнем бьефе
определяют аналогично расчету покрытия каменной наброской
верхового откоса Гребень ба и кета должен возвышаться пал са-
мым высоким уровнем воды в нижнем бьефе на величину dg, оп-
ределяемую с учетом нагона воды ветром и наката волн, но не ме-
нее 0,5 м. Ширину дренажного банкета Ьо по верху назначают по
условиям производства работ, но не менее 1,0 м. По внутреннему
откосу банкета укладывают обратный фильтр. Заложение внут-
реннего откоса т‘ банкета следует принимать равным углу есте-
ственного откоса материала, образующего обратный фильтр.
При наличии в основании плотины несвязного мелкозернистого
грунта и больших выходных скоростей фильтрации под дренаж-
ным банкетом устраивают обратный фильтр (горизонтальный).
Гребень банкета иногда покрывают слоем круппообломочного
грунта с целью защиты порового пространства банкета от заиле-
ния его частицами грунта, смываемого с поверхности низового
откоса дождевыми и талыми водами. Банкет должен быть запро-
ектирован так, чтобы кривая депрессии была заглублена под по-
верхностью низового откоса на величину а, определяемую из ус-
ловия
а (^пр + ^к.п )>
(3.48)
где Л . — наибольшая глубина промерзания в районе строитель-
ства; Лк п — высота максимального капиллярного поднятия для
данного грунта.
Рис. 3.30. 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 на-
слонный дренаж; 5 — труба; 6 — горизонтальная продольная дренажная
лента; 7 — отводящая труба
20 М. В. Нестером
Следует отметить, что дренажная призма (банкет) — довольно
распространенный тип дренажа, оправдавший себя на практике
и имеющий много положительных сторон:
• допустимость выполнения простыми средствами;
• повышение устойчивости низового откоса (упор для пло-
тины);
• защита низового откоса от волновых воздействий;
• дренирование не только плотины, но и ее основания;
• дренирование тела плотины при подъеме уровня воды в ниж-
нем бьефе.
Недостаток дренажной призмы состоит в том, что ее попереч-
ное сечение во много раз превышает размеры, необходимые для
приема и отвода профильтровавшейся воды, в результате чего
требуется очень большой объем камня и материалов для обратно-
го фильтра. Устройство призмы трудоемко и требует применения
ручного труда. Ориентировочно считают, что высота дренажной
призмы составляет 0,15..0,20 высоты плотины.
Толщину насланного дренажа (см. рис. 3.30, б) назначают по
условиям производства работ, но не менее t + где t — тол-
щина каменной наброски (определяется по (3.39); ф — толщи-
на 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 (см. рис. 3.30, в) выполняют из гончар-
ных, перфорированных бетонных или асбестоцементных труб,
уложенных с уклоном параллельно подошве откоса и обсыпан-
ных обратным фильтром. Трубчатый дренаж располагают при-
мерно на расстоянии 1/4 ширины плотины по основанию от по-
дошвы низового откоса — (рис. 3.31).
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-
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 изме-
нения диаметра или уклона продольных дрен, иногда они могут
выполнять и роль перепадов. При прямолинейном расположе-
нии трубчатого дренажа смотровые колодцы располагают на рас-
стоянии 50.. .100 м друг от друга.
Рис. 3.31. Внутренний трубчатый дренаж:
а — размещение смотровых колодцев; б — расчетная схема безнапорной
трубы; 1 — продольные дрены; 2 — поперечные дрены; 3 — смотровые ко-
лодцы
Диаметр труб определяют гидравлическим расчетом (после
выполнения фильтрационного расчета плотины) и округляют
до ближайшего большего сортаментного значения. Минималь-
ный допускаемый диаметр трубы 0,20 м.
Расчет трубчатого безнапорного дренажа ведут в следующей
последовательности.
Вычисляют полный расход Q=q L, где q — удельный фильт-
рационный расход; L — расстояние между поперечными дрена-
ми-выпусками.
Задаваясь уклоном (i = 0,005...0,01) и диаметром трубы
(d > 20,0 см), определяют скорость воды в трубе по формуле Шези:
v
(3.49)
где С — коэффициент Шези; R, — гидравлический радиус, опре-
деляемый по формуле
0,25(<p'-sin<p')
=-------------а, (3.50)
Ф
где <р' — центральный угол наполнения трубы (в радианах).
Максимальная пропускная способность присуща трубе при
<р'= 308° и h/d =0,95, где Л — глубина воды в трубе (см.
рис. 3.31, б).
Определяют площадь живого сечения потока в трубе как в са-
мотечных безнапорных трубопроводах по формуле
(a =0,125(<p'-sin<p')d2. (3.51)
Произведение иш должно быть > Q. Желательно, чтобы ско-
рость движения воды в трубе была в пределах 0,25...0,75 м/с.
Размер а определяют по (3.48).
Дренажную трубу защищают обсыпкой в виде обратного фильт-
ра. Коэффициент откоса т' обратного фильтра принимают в со-
ответствии с углом естественного откоса грунта, образующего
фильтр. Ширина дренажа У (см. рис. 3.30, в) вместе с обратным
фильтром должна удовлетворять следующей зависимости:
b'>0J5—, (3.52)
К
где К — коэффициент фильтрации грунта тела плотины; q —
удельный фильтрационный расход через тело плотины.
Горизонтальный дренаж (см. рис. 3.30, г) в виде сплошного
дренажного слоя или отдельных поперечных или продольных дре-
нажных лент выполняют из крупнозернистого материала и защи-
щают обратным фильтром только сверху или и сверху, и снизу.
Комбинированный тип дренажа (см. рис. 3.30, д, е, ж) пред-
ставляет собой одну из возможных комбинаций дренажей, рас-
смотренных выше.
Выбор типа дренажа плотины. Выбор типа дренажа плотины
осуществляют на основании технико-экономического сопоставле-
ния вариантов. При этом учитывают, что могут иметь место три
участка грунтовой плотины, преграждающей реку (рис. 3.32, а):
• русловой — в пределах основного русла водотока, вмещаю-
щего меженные расходы;
• пойменные — перекрывающие участки поймы, затопляе-
мые в паводок;
• береговые (склоновые) — расположенные выше максималь-
ных 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. 3.32, б).
Рис. 3.32. Характерные участки грунтовой плотины по ее длине:
а — в створе с пойменными участками речной долины; б — без них; 1 — ру-
словой участок; 2 — пойменные участки; 3 — береговые участки плотины;
4 — гребень плотины
На этих участках характер фильтрационного потока будет раз-
личным, поэтому проектирование дренажных, а также противо-
фильтрационных 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 полу-
чается большой, а также при отсутствии на месте строительства
достаточного количества крупнообломочных грунтов, пригод-
ных для устройства банкета, применяют комбинированный
(см. рис. 3.30, д) или наслонный дренаж (см. рис. 3.30, б). Пере-
численные типы дренажа в случае, когда стоимость материала,
используемого для их строительства, невелика, могут устраи-
ваться и в пределах пойменной части реки.
Наслонный дренаж целесообразно применять на участках пло-
тин, перекрывающих затапливаемую пойму. Необходимо отме-
тить, что наслонный дренаж имеет ряд положительных сторон:
• требует сравнительно небольшого количества материала;
• доступен для наблюдения, осмотра и ремонта в процессе
эксплуатации;
• чрезвычайно прост по исполнению;
• допускает производство работ по очередям и устройство
в процессе 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 де-
прессионную кривую или ускорить консолидацию малопрони-
цаемых грунтов основания под действием нагрузки от веса пло-
тины, применяют горизонтальные продольные дренажные ленты
(см. рис. 3.30, г), а иногда, при наличии воды в нижнем бьефе, и
в комбинации с дренажными призмами (см. рис. 3.30, ж). Такие
дренажные устройства обычно заглубляют в тело плотины из гли-
нистых грунтов не более чем на 30...50 % ее ширины по основа-
нию, 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 вер-
тикальных лент, заглубленных в тело плотины. Такие дренажи
выполняют:
• для обеспечения устойчивости верхового откоса плотины из
маловодопроницаемых грунтов при быстрой сработке водохра-
нилища;
• уменьшения порового давления и ускорения процесса кон-
солидации 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 (3.48). Таким образом,
работа дренажа в зимний период определяется его заглублением.
Для районов, где условия зимнего периода не являются решаю-
щими, положение дренажа задают исходя из конструкции дрена-
жа и строительных условий, принимая во внимание удобства экс-
плуатации.
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 ре-
монте дренажа, особенно приемной его части, в случае заиления.
Дренаж основания грунтовых насыпных плотин. При возведе-
нии грунтовой плотины на глинистом основании, насыщенном во-
дой, вес строящейся плотины будет сжимать основание и выжи-
мать 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 дренаж-
ным слоем. Дополнительно в основании устраивают вертикаль-
ные песчаные дрены в виде буровых скважин, заполненных пес-
ком [8].
Если основание плотины покрыто сверху сравнительно тон-
ким слоем глины, подстилаемой песком, то в глинистом слое воз-
никает давление фильтрационного потока. Это может привести
к фильтрационному выпору глинистого слоя в нижнем бьефе.
В этом случае для снятия противодавления в нижнем бьефе уст-
раивают вертикальные дренажные колодцы на глубину глини-
стого слоя. По этим колодцам будет происходить выход фильтра-
ционных 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 возрас-
тают, тем самым создаются условия для фильтрационных дефор-
маций грунта основания и тела плотины. Для предупреждения
деформаций приемную часть дренажа защищают обратными
фильтрами. Последние представляют собой ряд последователь-
но уложенных слоев из песчано-гравелистых и щебенистых грун-
тов с увеличивающейся крупностью частиц при переходе от од-
ного слоя к другому в направлении фильтрационного потока.
Фракционный состав фильтров подбирают таким образом,
чтобы через них свободно протекала вода, но не выносились час-
тицы защищаемого грунта и обеспечивалась непроходимость ма-
териала фильтра из одного слоя в другой.
Фильтры, применяемые в дренажах, в зависимости от условий
подхода фильтрационного потока делятся на три типа (рис. 3.33):
• I тип — контакт грунта с фильтром горизонтальный или
наклонный, фильтрационный поток поступает сверху вниз, об-
ратный фильтр расположен под защищаемым слоем;
• II тип —контакт грунта с фильтром горизонтальный или
наклонный, фильтрационный поток поступает в основном снизу
вверх, обратный фильтр расположен над защищаемым слоем;
• Ш тип — контакт грунта с фильтром горизонтальный или
наклонный, фильтрационный поток идет вдоль слоев обратного
фильтра.
Материал для фильтров дренажных устройств должен быть мо-
розостойким и нерастворяемым фильтрационной водой, причем
лучше применять камни изверженных пород. Песчаные грунты и
их смеси с гравелистыми и щебенистыми материалами не должны
содержать частиц диаметром d < 0,1 мм более 3...5 % по весу.
Рис. 3.33. Типы фильтров дренажей (стрелками показано направление
фильтрационного потока):
u — I тип; б — II тип; в — III тип
Для подбора слоев многослойного обратного фильтра существу-
ет много способов, разница между ними заключается в методиче-
ском подходе к оценке явления непроходимости мелких частиц
грунта через поры крупных. В практике большее распространение
получил метод В.С. Истоминой как наиболее простой и доступ-
ный. В нем используются графики, имеющие однотипное строе-
ние для различных случаев их применения. Поле каждого графи-
ка с прямоугольными осями, по которым отложены параметры
грунтов, разделено кривой па две области: допустимых и недопус-
тимых характеристик.
Для защищаемого грунта и грунта фильтра по кривой механи-
ческого состава вычисляют параметры, неодинаковые для раз-
личных графиков. Если координаты этих параметров располага-
ются в области допустимых характеристик, рассматриваемый
грунт считается пригодным для использования в фильтре, де-
формации в этом случае не будет. Если же координаты парамет-
ров попадут в область недопустимых характеристик, рассматри-
ваемый грунт для фильтра применять нельзя.
Пользуясь графиками В.С. Истоминой, можно решить две
задачи:
1) если материал задан (намечается, например, использовать
грунт карьера), то определяется возможность его применения
для фильтра дренажей;
2) если приготовляется искусственная или обогащается естест-
венная смесь, то определяются пропорции фракционного состава.
Для подбора слоев обратного фильтра в дренажах по методу
В.С. Истоминой исходными данными служат кривые механиче-
ского состава защищаемого грунта и отдельных слоев фильтра.
Параметры этих кривых следующие:
• Т| = Peo/Djo — коэффициент неоднородности рассматривае-
мого слоя фильтра или защищаемого грунта;
• е = Dso/Djo — межслойный коэффициент, представляющий
собой отношение среднего диаметра частиц первого слоя фильтра
к диаметру частиц защищаемого грунта или отношение среднего
диаметра частиц грунта второго слоя к диаметру частиц первого
слоя и т.д.
Необходимо отметить, что во всех дальнейших расчетах по
подбору фильтров дренажей символ d будет относиться к диаметру
частиц защищаемого грунта, D1 — к диаметру частиц первого
слоя фильтра, />*' — к диаметру частиц второго слоя фильтра и
т.д. (см. рис. 3.33). Аналогичные обозначения будут применять-
ся и к коэффициентам неоднородности.
Подбор фильтров дренажей производится в зависимости от
типа фильтра, состава защищаемого грунта и толщины слоев
фильтра. Толщину фильтров из условий производства работ при
отсыпке их насухо принимают не менее 0,2 м, при отсыпке
в воду — 0,5 м. Приведенные графики для подбора обратных
фильтров даны для толщины 0,2 м.
Для песчаных грунтов, защищаемых фильтрами типа I, ре-
юющим видом деформаций будет проникновение мелкозерни-
стого грунта через поры смежного, более крупнозернистого.
С учетом этих деформаций даются два графика (рис. 3 34): один
для окатанных частиц фильтра, другой — для угловатых. На
этих графиках по оси абсписс отложены коэффициенты неодно-
родности рассматриваемого слоя фильтра, а по оси ординат —
межслойный коэффициент коптактируемых грунтов. Пользова-
ние графиком сводится к нахождению координат этих двух вели-
чин: если они попадут в область допустимых характеристик, ма-
териал считают пригодным для фильтра.
Пользуясь данными графиками, решают вопрос о применимо-
сти заданного разнизерн истого грунта для первого слоя фильтра,
контактируемого с шщитцаемым слоем, а также для последую-
щих слоев. В каждом случае значение коэффициента неоднород-
ности берут для рассматриваемого слоя фильтра, а значение коэф-
фициента межслойности — для двух смежных слоев.
Для песчаных грунтов при фильтре типа II основной вид де-
формаций — контактный выпор мелкозернистого грунта в круп-
нозернистый. Подбор состава фильтров для недопущения этого
вида деформаций выполняется по графику, приведенному на
рис. 3.35. По оси абсцисс на нем отложены коэффициенты не-
однородности, а по оси ординат — межслойные коэффициен-
ты. Пользование графиком аналогично предыдущему. Этим
графиком можно пользоваться при условии, что фактический
градиент восходящего фильтрационного потока не превышает
1,5...2,0.
Рис. 3.34 График для подбора слоев обратного фильтра типа I
при толщине г лая фильтра 20 см:
а — для материалов с окатанными частицами; б — угловатыми частицами;
/ — область недопустимых характеристик; 2 — область допустимых харак-
теристик
П = ^»о/Ао<10
Л =
Л = De/Djo
Рис. 3.35. График для подбора слоев обратного фильтра типа П при q < 10:
1 — область недопустимых характеристик; 2 — область допустимых харак-
теристик
Фильтры типа Ш проверяются из условия недопущения кон-
тактного размыва мелкозернистого грунта, для чего используется
график, приведенный на рис. 3.36. По его оси абсписс отложены
отношения коэффициентов неоднородности крупнозернистого
грунта к коэффициенту неоднородности грунта мелкозернисто-
го, по оси ординат — межслойные коэффициенты. График при-
меним при градиенте фильтрационного потока, непревосходя-
щем 1,3. Пользование графиком аналогично вышеописанным.
ц, = £»^/Dln<10
Рис. 3.36. График для проверки фильтров типа Ш
из условия недопущения контакт ниго размыва:
1 — область недопустимых характеристик; 2 — область допустимых харак
теристик
Для связных грунтов подбор или проверка материала первого
слоя фильтра основаны на недопущении деформаций отслаива-
ния глинистого грунта на контакте с первым слоем фильтра. Для
этого используется график, приведенный на рис. 3.37. В нем по
оси абсцисс отложены отношения коэффициентов неоднородно-
сти первого слоя фильтра, а по оси ординат — средний диаметр
частиц грунта для этого же слоя. Как и по вышеуказанному гра-
фику, для рассматриваемого грунта первого слоя фильтра по
кривой механического состава определяют значения ц' и D'^.
Если значения этих величин попадают в область допустимых ха-
рактеристик, деформаций отслаивания частиц глинистого грун-
та не будет.
График применим для всех трех типов фильтра со следующи-
ми ограничениями:
• для материала первого слоя минимальный размер пор дол-
жен быть-D^,, < 3,0 мм;
• для грунта, контактирующего с фильтром, допустимое чис-
ли пластичности в пределах > 7...10; коэффициент влажности
Sr >0,85.
Рис. 3.37. График для проверки фильтров на отсутствие деформации
отслаивания на контакте со связным грунтом:
1 — область недопустимых характеристик; 2 — область допустимых харак-
теристик
3.3.
Филыраиионные расчеты плотин
3.3.1. Общие сведения
Под действием напора, создаваемого плотиной, фильтрация
воды из верхнего бьефа в нижний происходит как через тело пло-
тины, так и через основание, если оно проницаемо. В результате
этого часть тела плотины насыщается фильтрующейся водой,
верхнюю свободную поверхность которой называют депрессион-
ной поверхностью. Линию пересечения этой поверхности с вер-
тикальной плоскостью называют депрессионной кривой, или
кривой депрессии (рис. 3.38). Ниже депрессионной поверхности
фильтрационный поток движется в порах грунта с некоторой
скоростью, а грунт, насыщенный водой, находится во взвешен-
ном ггх.тоя нии. что снижает устойчивость «икосов плотины. Выше
депрессионной поверхности находится зона капиллярного под-
нятия воды, высота которой h, 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.
Рис 3.38. Схемн фвл 1 т рации веды чрр«»я тело плотины на
водонепроницаемом основании:
1 — кривая депрессии; 2 — зона полного насыщен ня грунта водой; 3 — зона
частичного насыщения грунта водой за счет капиллярного поднятия; 4 —
зона воздушно сухого грунта: 5 — линии токов: 6 — водонепроницаемое ос-
нование водоупор; Ль — высота капиллярного поднятия
Если высота капиллярного поднятия значительна, го кривую
депрессии необходимо понизить, чтобы не допустить переувлаж-
нения грунтов в зоне промерзания на низовом откосе плотины и
повысить устойчивость последнего. Понизить кривую депрессии
можно с помощью дренажных н противофильтрационных уст-
ройств.
В плотинах, возводимых в широких створах (на равнинных
участках рек) и имеющих относительно малую высоту и значи-
тельную длину, фильтрационный поток на русловом и поймен-
ном участках (см. рис. 3.32, а) будет плоским, т.е. движущимся
нормально к створу плотины. Решение задач плоский фильтра-
ции обычно выполняют аналитическими методами, рассматри-
вая 1 м плотины по се длине.
В высоких плотинах, устраиваемых на предгорных и 1*орных
участках рек, обычно в узких створах (см. рис. 3.32, б), фильт-
рационный поток близок к плоскому только в русловой части
плотины., а на береговых се участках имеет пространственный
характер. Пространственная фильтрация в грунтовых плотинах
представляет собой сложную задачу, точное решение которой мо-
жет быть получено лишь на базе экспериментальных исследова-
ний на объемных или трехмерных моделях с использованием ме-
тода ЭГДА.
В результате фильтрационных расчетов определяют:
• положение депрессионной кривой в теле плотины и при не-
обходимости — в береговых примыканиях;
• градиенты фильтрационного потока в теле и основании пло-
тины, а гакже в других наиболее опасных местах;
* фильтрационный расход через тело плотины, основание (ес-
ли оно проницаемо) и при необходимости в обход через берега.
Параметры кривой депрессии в плотине и береговых примы-
каниях используют в расчетах устойчивости откосов и берегов;
градиенты — для оценки фильтрационной прочности грунтов,
расходы — для определения фильтрации иных потерь воды из во-
дохранилища 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.
3.3.2. Допущения при расчетах и расчетные схемы
При фильтрационных расчетах грунтовых плотин ввиду слож-
ности учета всех факторов, оказывающих влияние на движение
грунтового потока, рассматривается упрощенная модель, в кото-
рой приняты следующие допущения:
1) фильтрацию рассматривают в одной плоскости, составляю-
щие 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;
3) при наличии водоупора последний считают теоретически
водонепрон ицаемы м;
4) положение депрессионпой кривой в однородных плотинах
не зависит от качества грунта, а определяется только геометри-
ческими размерами профиля плотины.
Проектный поперечный профиль плотины приводят к расчет-
ной 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 обыч-
но пренебрегают.
При составлении расчетной схемы фильтрации необходимо
учитывать также свойства грунтов основания. В зависимости от
их водопроницаемости могут быть две основные схемы — плоти-
ны на водопроницаемом основании и плотины на водонепроницае-
мом 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 верх-
нем 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 все-
гда насыщены фильтрующейся водой.
При определении общего фильтрационного расхода через пло-
тину ее разбивают по длине на ряд характерных участков 1У, 1г,
13, /„(рис. 3.39). Это вызвано тем, что по длине плотины напор
изменяется и на одних участках плотина может быть расположе-
на на водоупоре, а на других — на проницаемом основании, на
одних участках в нижнем бьефе есть вода, а на других ее нет.
Рис. 3.39. Расчетная схема для определения суммарного фильтрационного
расхода:
1 — гребень плотины; 2 — расчетный уровень верхнего бьефа
Затем для каждого участка в зависимости от расчетной схемы
плотины вычисляют удельные расходы qx, qt, q3, ..., g„, прини-
мая напор средним по участку. Общий фильтрационный расход
через плотину определяют по формуле
Q =4ih • (3.53)
3.3.3. Расчет положения депрессионной кривой
и фильтрационного расхода
Методы фильтрационных расчетов. Существуют эксперимен-
тальные и аналитические методы фильтрационных расчетов. По-
следние подразделяют на гидромеханические и гидравлические.
Из экспериментальных наиболее распространен метод электро-
гидродинамических аналогий (ЭГДА), применяемый для решения
задач пространственной фильтрации в зоне береговых примыка-
ний плотины, а также для решения задач плоской фильтрации
в плотинах I и П классов.
Гидромеханические методы, основанные на решении уравне-
ний Лапласа для заданных граничных условий, позволяют опре-
делить 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, основан-
ный на законе Дарси и формулах Дюпюи. Основоположником
расчетов гидравлическим методом является Н.Н. Павловский.
Е.А. Замарин углубил учение Н.Н. Павловского и предложил
упрощенный способ фильтрационного расчета грунтовых пло-
тин. В дальнейшем воспользуемся методикой расчета фильтра-
ции, предложенной Е.А. Замариным.
Плотины на водонепроницаемом основании.
Однородные плотины без дренажа. Расчетное сечение пло-
тины определяется в соответствии с п. 3.2.3 и по известным раз-
мерам вычерчивается поперечный профиль плотины, который
служит исходным материалом к фильтрационному расчету. Из-
вестны также глубины воды в верхнем и нижнем бьефах (соот-
ветственно Hi и Нг) и коэффициент фильтрации грунта тела пло-
тины К„.
21 М В. Нес крив
Расчет ведется в следующей последовательности.
1. Определяется положение осей координат X и У. Ось X распо-
лагается по линии подошвы плотины в сторону нижнего бьефа,
ось У — на расстоянии ‘kHi от точки уреза воды в верхнем бьефе
(рис, 3.40), где X. — величина, зависящая от коэффициента верхо-
вого откоса т1 и определяемая по формуле Г.М. Михайлова:
Рис. 3.40. Схема к фильтрационному расчету однородной плотины
без дренажа
2. Определяется высота выхода депрессионной кривой на ни-
зовом откосе по следующей зависимости:
г ГТ?
h = — - — -(Я1-Я2)г+Я2, (3.55)
где L — расстояние от оси У до конца низового откоса.
При больших значениях Нг определяемая по (3.55) h получа-
ется отрицательной, в таком случае можно принять Л => Я2.
3. Ординаты депрессионной кривой подсчитываются по сле-
дующему уравнению:
X, (3.56)
Л
где Lt — расстояние от оси У до выхода кривой депрессии на ни-
зовой откос.
Выбирая значения X от нуля до Ln по (3.56) строят кривую де-
прессии, начиная от оси Y, а участок ее примыкания к верхово-
му откосу исправляют так, чтобы он был перпендикулярен отко-
су и дальше плавно переходил в депрессионную кривую.
4. Удельный фильтрационный расход через тело плотины оп-
ределяется по формуле
тт2 _ Ь2
д=^_2_кп. (3.57)
При отсутствии воды в нижнем бьефе (Н2 = 0) зависимости
(3.55), (3.56) и (3.57) имеют следующий вид:
№
У2 =Я12-^-Х, (3.59)
гг2
<7 = ^~КП- (3.60)
Однородные плотины с дренажем. Исходные данные анало-
гичны исходным данным предыдущего расчета.
Расчет ведется в соответствии с расчетной схемой (рис. 3.41)
в следующей последовательности.
Рис. 3.41. Схема к фильтрационному расчету однородной плотины
с дренажем:
а — без подтопления; б — с подтоплением
1. Определяется положение раздельного сечения MN, находя-
щегося на расстоянии от точки уреза воды в верхнем бьефе.
Величина X определяется по (3.54).
2. Вычисляется величина захода кривой депрессии в дренаж
е - (0,05...0,06)Я1.
3. Устанавливается начало координат кривой депрессии, точ-
ка О: ось X направлена по уровню воды в нижнем бьефе в сторо-
ну верхнего бьефа, ось У 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, задава-
ясь значениями X, по уравнению
, (Я,-Я,)2
y*=S_1-----У-х. (3.61)
L
5. Удельный фильтрационный расход в сечении определяет-
ся по формуле
гг 1 гг*
<7= 2К„. (3.62)
При отсутствии воды в нижнем бьефе (рис. 3.41, а) расчетные
формулы (3.61) и (3.62) упрощаются:
Я1
Y*=^-X, (3.63)
L
g = ^KD. (3.64)
Если же запроектирован трубчатый дренаж, расположенный
в теле плотины, то начало координат находится в центре трубы
дренажа и расчет выполняется по (3.63) и (3.64).
Плотины с экраном из грунтов. Фильтрационные расчеты
таких плотин можно выполнить несколькими методами. Один из
них — метод виртуальных'длин — основан на замене экрана со
средней толщиной ——-------(рис. 3.42) и коэффициентом фильт-
ряпии К, на эквивалентную в фильтрационном отношении приз
му с коэффициентом фильтрации Кп и длиной по горизонтали:
I =t °
• 'pK,Bine’
(3.65)
где 6 — угол наклона средней линии экрана в основании плотины.
Рис. 3.42. Схемы к фильтрационному расчету плотины с экраном:
а — заданная; б — приведенная; в — расчетная
К полученной таким образом схеме применяют решение для
однородной грунтовой плотины с дренажем или без него, при на-
личии или отсутствии воды в нижнем бьефе, в зависимости от за-
данной конструкции плотины. Потерями напора в пределах при-
гру зоч ного слоя экрана пренебрегают.
Следует отметить, что при устройстве экрана из торфа имеются
определенные трудности в определении коэффициента фильт-
рации торфа нарушенной структуры. Лабораторией гидротехни-
ческих сооружений БелНИИМиЛ была предложена зависимость
коэффициента фильтрации торфа нарушенной структуры К„, со-
ответствующего влажности W (до насыщения водой), от коэф-
фициента пористости е, которая представлена в следующем
виде [24]:
К, =КОие’Ь('°’€), (3.66)
где — значение коэффициента фильтрации (см/с), соответст-
вующее состоянию торфа при коэффициенте пористости и на-
чальной влажности W; е — основание натурального логарифма;
Ео — начальный коэффициент пористости торфа; е — коэффици-
ент пористости торфа после уплотнения заданной нагрузкой, т.е.
после укладки в экран; Ь — постоянная, характеризующая отно-
сительное изменение логарифма водопроницаемости при измене-
нии коэффициента пористости на единицу и соответствующая
влажности W; определяется по формуле
5 = -^-, (3.67)
где W — начальная влажность торфа, г/г.
Обычно значение начального коэффициента фильтрации
определяют опытным путем в каждом конкретном случае, так
как на водопроницаемость торфа влияют такие факторы, как бо-
танический состав, степень разложения, переработка и т.д. Зави-
симость (3.66) позволяет определять коэффициент фильтрации
торфа нарушенной структуры при изменении его плотности без
проведения трудоемких опытов.
По данным БелНИИМиВХ, допустимые градиенты фильтра-
ционного потока для торфа нарушенной структуры при наличии
пригрузки, согласно рекомендациям П.А. Дрозда и Ю.Ф. Бур-
тыса, принимают равным 1Я < 4...5 [24].
Плотины с экраном нз полиэтилена. Степень проницаемости
пленочного экрана рекомендуется определять по величине отвер-
стий, которые могут образоваться в пленке в процессе строитель-
ства и эксплуатации плотины [25].
Из большого разнообразия возможных нарушений сплошно-
сти пленочного экрана наиболее вероятными представляются две
формы: в виде непрерывных щелей по линии соединения отдель-
ных лент пленки и в виде отдельных отверстий (проколов) не-
большого диаметра (рис. 3.43).
Рис. 3.43. 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 — за-
щитный слой грунта; 4 — щель в пленке; 5 — отверстия в пленке
Таким образом, проницаемый пленочный экран можно за-
менить эквивалентным по проницаемости экраном из однород-
ного грунта, для которого определяется фиктивный коэффици-
ент фильтрации
Кф=т]Кг, (3.68)
где т] — коэффициент эффективности пленочного экрана; Кг —
действительный коэффициент фильтрации грунта, уложенного
над пленкой. Он зависит в основном от характера и размеров от-
верстий в пленке и вычисляется по формуле
( 8^
2сЫ 2л-
(3.69)
, . л
1-вш—
2
где 5 — толщина слоя грунта над пленкой; I — расстояние между
щелями; т — ширина щели.
Коэффициенты эффективности пленочного экрана, вычислен-
ные по вышеприведенной формуле при толщине защитного слоя
8 = 0,5 м, даны в табл. 3.35.
Таблица 3.35
Значения коэффициента эффективности
1,М т. мм
1 2 4 10 20 50 100
0,4 0,4080 0.4320 0,4650 0,5220 0,5770 0,7070 0,8300
1 0,0247 0,2144 0,2389 0,2758 0,3130 0,8320 0,4588
2 0,1085 0,1137 0,1196 0,1405 0,1598 0,1943 0,2347
5 0,0434 0,0455 0,0478 0,0562 0,0639 0,0777 0,0940
10 0,0217 0,0288 0,0239 0,0281 0,0320 0.0388 0,0470
20 0,0108 0,0114 0,0120 0,0141 0,0160 0.0194 0,2350
30 0,0072 0,0076 0,0080 0,0094 0,0107 0,0129 0,0157
50 0,0043 0,0046 0,0048 0,0056 0,0064 0,0078 0,0094
При наличии в пленке экрана круглых отверстий (проколов),
расположенных в центре квадрата, коэффициент эффективно-
сти пленочного экрана определяется по следующим эмпириче-
ским формулам, полученным методом ЭГДА:
при d < 3 см т) = 0,008d„,
при d > 3 см т| = — [0,0107(d -3)+0,024],
со
(3.70)
где d — диаметр отверстий в пленке, см; со — площадь экрана,
в центре которого образовалось отверстие, м2.
Если пленка расположена между двумя слоями грунта, имею-
щими различные коэффициенты фильтрации, фиктивный коэф-
фициент фильтрации всего экрана определяется по формуле
(3.71)
где 8( и 8а — соответственно толщины верхнего и нижнего слоев
экрана; К] и Ка — коэффициенты фильтрации соответственно
верхнего и нижнего слоев экрана; Т|, и ц2 — коэффициент эффек-
тивности соответственно верхней и нижней частей пленочного
экрана, рассматриваемых как независимые при наличии в плен-
ке отверстия.
Если 5, = 32, эта формула будет иметь более простой вид:
К - 2Т1К<
ф l+(Kt/Kt)*
(3.72)
где К, — коэффициент фильтрации слоя из менее проницаемого
грунта.
Как показали подсчеты по вышеприведенным формулам, за-
щитный слой из глинистых грунтов значительно повышает эф-
фективность пленочного экрана по сравнению с песчаными грун-
тами (более чем в 100 раз [25]).
При фильтрационных расчетах толщина пленочного экрана,
эквивалентного по проницаемости экрану из однородного грун-
та, принимается равной толщине защитного слоя.
Плотины с ядром. При фильтрационных расчетах таких пло-
тин (рис. 3.44) используют метод виртуальных длин. Для этого
ядро со средней толщиной tcp = — —*-и коэффициентом фильтра-
2
ции К, приводят к призме с коэффициентом фильтрации Кв. Вир-
туальная длина ядра определится по зависимости
К
(3-73)
IV я
После такой замены расчет ведут как для однородной плотины
без дренажа или с дренажем в зависимости от принятой конст-
рукции 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 непро-
ницаемом основании, в результате чего определится положение
депрессионной кривой и удельный расход через тело плотины qn
(см. с. 321).
Рис. 3.44. К фильтрационному расчету плотины с ядром:
а — действительная схема; б — расчетная; в — виртуальная
Во втором случае рассматривается движение фильтрационно-
го потока под плоским флютбетом, т.е. в фиктивной трубе диа-
метром Т (рис. 3.45), в которую вода входит через дно верхнего
бьефа и выходит в дренаж по кривым струйкам.
Рис. 3.45. Схема к фильтрационному расчету однородной
плотины на водопроницаемом основании
Таким образом, средний градиент потока составит (tfj-HJAnLt),
а расход через основание
9.=Ko-A_L-----LL, (3.74)
nLt
где Ко — коэффициент фильтрации основания, м/сут; Т — тол-
щина проницаемого основания, м; Lt — ширина плотины по по-
дошве до оси У; п — поправочный коэффициент к длине пути
фильтрации (принимают по табл. 3.36 в зависимости от отноше-
ния LJT).
Таблица 3.36
Значения поправочного коэффициента
Ь/Т 20 Б 4 а 2 1
п 1,15 1.18 1,23 1,30 1,44 1,87
Тогда удельный расход фильтрации через рассматриваемое се-
чение плотины
<?=9п+?о- <3-75)
Следует отметить, что при наличии в основании плотины раз-
нородных грунтов рекомендуется пользоваться осредненный ко-
эффициентом фильтрации Кср, характеризующим общую водо-
проницаемость пласта толщиной Т.
Вид формулы, а соответственно и значение среднего коэффи-
циента фильтрации К,,,, зависит от направления движения пото-
ка по отношению к залеганию водоносного пласта:
Т = Т1+Т2+Т1+...+Тл, (3.76)
где Тх, Т2, Та.Тп — соответственно мощности 1, 2, 3,... п-го
пластов.
Максимальное значение Кти будет при фильтрации воды па-
раллельно напластованию пород. Максимальное и минималь-
ное значения коэффициента фильтрации определяются по зави-
симостям
+К2Т2 -bKgT^+...+КдТд , (3.77)
т“- Т1+Т2+Т8+...+Тл
К Tl+T2+Ta+...+T„ (3.78)
min Т1/К1+Т2/К2...+Тд/Кя’
где Kj, К2, К8,..., К„ — соответственно коэффициенты фильтра-
ции пластов мощностью Tlt Т2, Та,
При определении фильтрационного расхода <?о в основании пло-
тины из разнородных грунтов вместо Ко вводится значение средне-
го коэффициента фильтрации Кгр, вычисляемого по формуле
Kcp=#ZX7- (3.79)
Плотины с экраном и понуром. Расчетная схема приведена
на рис. 3.46, а. Вначале определяют глубину воды за экраном Л„
для чего используют следующую систему уравнений:
д _
Ко n(La+miht) Л
4 1 (3.80)
= й»~Яа(Т+ 51.. = Г2(Л,),
Ко L ( Ко 2 J П
где Л» — высота выхода кривой депрессии за экраном (опреде-
ляется подбором по вышеприведенной системе уравнений рас-
хода фильтрации до Л, с расстоянием LB +m1ht и за h, на рас-
стоянии L до оси У); Т — толщина проницаемого основания до
водоупора, м; La — длина понура, м; п — поправочный коэф-
фициент (принимается по табл. 3.36 с заменой отношенияL/T
h&(Lu +mxh,)/T\.
Решение уравнений системы (3.80) проще вести подбором или
графоаналитическим способом. При графоаналитическом реше-
нии задаются рядом произвольных значений йэ, и для каждого из
них определяют FJAJ и F2(A,). После этого строятся кривые пер-
вого и второго уравнений. Точка пересечения этих кривых дает
действительное значение Л, (рис. 3.46, б).
Кривая депрессии строится по уравнению
У*= —------— X. (3.81)
JL
Расход фильтрации определяется по одному из уравнений си-
стемы (3.80).
Если вода в нижнем бьефе отсутствует, т.е. Нг = 0, то (3.80) и
(3.81) соответственно упрощаются, а ось X располагается по ли-
нии подошвы плотины. При трубчатом дренаже начало коорди-
нат располагается в центре трубы.
Рис. 3.46. Схема к фильтрационному расчету плотины
с экраном и понуром:
д — расчетная схема; б — график для определения глубины воды за экраном
Фильтрация в берегах в обход плотины. При эксплуатации
водохранилища в берегах в обход плотины возникает движение
фильтрационного потока, который, направляясь к нижнему бье-
фу, может выклиниваться на склонах, вызывать суффозию и
оползни склонов долины, создавать опасные положения для ни-
зового откоса плотины или сооружения при ней. В данном случае
фильтрационный поток является пространственным (трехмер-
ным). Задачи обходной фильтрации решают методом ЭГДА на
пространственных или плановых моделях или аналитическими
способами на ЭВМ.
Приближенный расчет фильтрации i обход плотины при од-
нородном грунтовом слое под плотиной и в берегах Е.А. Замарин
предлагает выполнять по гидродинамической сетке, построен-
ной методом ЭГДА, или графическим способом («вручную»)
(рис. 3.47).
По сетке можно определить удельный расход фильтрации и по-
ложение депрессионной поверхности в любом сечении зоны об-
ходной фильтрации [6,47].
Удельный расход одной ленты (полосы между двумя линиями
токов) составит
g=WinA; I- ; А=Ь1м, (3.82)
где А — площадь живого сечения ленты.
Для определения общего расхода выбирают полосу между дву-
мя гидроизогипсами (линиями равных напоров) с малой кривиз-
ной (на рисунке заштрихована), в пределах которой по (3.82) вы-
числяют q для каждой ленты, а затем — общий расход Q =
Рис. 3.47. Схема обходной фильтрации в основании берегового участка
грунтовой плотины:
а — план водохранилища гидроузла; б — профиль по створу; в — гидроди-
намическая сетка потока грунтовых вод, обтекающего плотину; 1 — водо-
хранилище; 2 — плотина; 3 и б — урез воды соответственно в верхнем и
нижнем бьефах; 4 — ось плотины; в — линии токов; 7 — гидроизогипсы
Величины А и 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 выклиниваю-
щийся на склонах поток может вызывать суффозию грунтов,
а также оползание склонов.
3.3.4. Расчет фильтрационной прочности плотин
и их оснований
Фильтрационная прочность плотины и ее основания обеспечи
вается, если выполняется условие [51]:
(3.83)
л я
где /к — средний градиент напора фильтрационного потока в рас-
четной области фильтрации, контролирующий фильтрационную
прочность грунта; /кр — критический средний градиент напора;
К„ — коэффициент надежности. Расчетные значения коэффици-
ента надежности Кя приведены в табл. 6.8.
В предварительных расчетах значения критического среднего
градиента напора 1^, для тела плотины и ее элементов в соответст-
вии с существующими аналогами рекомендуется определять по
табл. 3.20 [51], а для оснований сооружений —потабл. 3.37(50].
Контролирующий градиент напора 1К может быть определен
по предложению Р.Р. Чугаева [61], согласно которому вся об-
ласть фильтрации условно разделяется на две части: тело плоти-
ны (основание считается водонепроницаемым) и основание (пло-
тина считается водонепроницаемой).
Таблица 3.37
Значения критического среднего градиента напора
для основания плотины (СНиП 2.02.02—85)
Грунт Л»
Песок:
мелкий 0,32
средней крупности 0,42
крупный 0,48
Супесь 0,60
Суглинок 0,80
Глина 1,35
Для тела однородной плотины при наличии дренажа в виде
дренажного банкета или трубчатого дренажа (рис. 3.48, а, б)
контролирующий градиент определяется по формуле
= tga = —, (3.84)
Lu
где a — угол наклона прямой депрессии МК к горизонту; Н —
напор на плотине (Я = Я, -Я2); La — горизонтальное расстояние
между раздельными сечениями MN и M'N'. Сечение MN прово-
дится на расстоянии от уреза воды в верхнем бьефе, сечение
M'N' — через левую крайнюю точку дренажа.
При наличии наслонного дренажа (рис. 3.48, в) или при от-
сутствии дренажа величина 1К определяется по формуле
I, = tga = H/L, (3.85)
где L — расстояние между сечениями MN и M'N'. Сечение M'N'
проводится на расстоянии 0,4Н2 от уреза воды в нижнем бьефе.
Рис. 3.48. Схемы к определению контролирующего градиента
напора тела плотины:
а — с дренажным банкетом; б — с трубчатым дренажем; в — с наслонным
дренажем
При отсутствии дренажа в (3.85) вместо L подставляется Lv
Для ядра или экрана плотины 1К определяется по формуле
(3.86)
где Н' — напор на ядре или экране, определяемый в результате
фильтрационного расчета; — средняя толщина экрана или
ядра (рис. 3.49).
Для основания плотин без зуба и понура I, определяется по
формуле
I, = H/(LO +0387^ ), (3.87)
где Lo — расчетная ширина подошвы (см. рис. 3.48); — за-
глубление расчетного водоупора, при Т = ~ Т^. — .
per о
Рис. 3.49. Схемы к определению контролирующего градиента
напора для плотины:
а — с экраном; б — с ядром
При наличии в основании плотины понура или зуба 1Л также
вычисляют по (3.87), при этом увеличивая L„ на величину, рав-
ную соответственно длине понура или удвоенной глубине зуба.
В приложении 15 приведены другие распространенные мето-
ды фильтрационного расчета грунтовых плотин.
Расчет устойчивости откосов грунтовых
3.4.
3.4.1. Обшие сведения
Грунтовая плотина имеет настолько значительный вес, что
нет необходимости делать проверку устойчивости на сдвиг ее са-
мой. Неустойчивыми могут оказаться только ее откосы. Необхо-
димо 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 окажет-
ся все сооружение. Поэтому откос должен иметь крутизну, удов-
летворяющую требованиям как устойчивости, так и экономично-
сти плотины.
На грунтовой массив низового клина плотины действует ряд
сил. Основная сдвигающая сила — составляющая собственного
веса грунта. Кроме того, уменьшают устойчивость сила взвеши-
22 М В. Нестгров
вания 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 внут-
реннего 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 кри-
волинейной поверхности в пределах откоса или с захватом грун-
тового основания (рис. 3.50). Форма границы обрушения откоса
(поверхности сдвига) обычно близка к цилиндрической.
Рис. 3.50. Виды обрушения откосов:
а — в пределах части откоса; б — в пределах всей высоты откоса; в — с захва-
том части основания; 1 — поверхность скольжения; 2 — массив обрушения
Расчет устойчивости откосов ведут при заданных физико-
механических характеристиках грунта тела плотины и основа-
ния, известных геометрических размерах поперечного профиля
плотины и построенной кривой депрессии. Проверка устойчиво-
сти откоса сводится к определению коэффициента устойчиво-
сти Ку, который в общем случае (если не учитывать силы боко-
вого давления) равен отношению момента удерживающих сил
(трения и сцепления) к моменту сдвигающих сил:
K,=g^. <3.88)
Расчет выполняется в условиях плоской задачи, т.е. рассмат-
ривается отрезок плотины, длина которого равна единице. Грунт
плотины выше кривой депрессии имеет естественную влажность,
а ниже ее находится в насыщенном водой состоянии.
В соответствии со СНиП 2.06.05-84, устойчивость откосов
обеспечивается, если удовлетворяется условие
К
К S-п, (Я.89)
т
где Кн — коэффициент надежности (см. табл. 6.8); и — коэффи-
циент сочетания нагрузок; т — коэффициент условий работы
(табл. 6.7).
Значения коэффициента п зависят от сочетания нагрузок: при
основном сочетании п = 1, при особом — 0,9, для строительного
периода — 0,95.
Значения коэффициента т зависят от метода расчета: при
методе расчета, удовлетворяющем условиям равновесия, т = 1,
при упрощенном методе т = 0,95.
Расчеты устойчивости носят вероятностный характер, так как
заранее неизвестно положение наиболее опасной поверхности об-
рушения. Задача расчетов — поиск этой поверхности и определе-
ние наименьшего коэффициента устойчивости Ку.
Наименьшее значение коэффициента устойчивости откоса Ку
при соответствующем сочетании нагрузок не должно превышать
величины К нП/т более чем на 10 %, если это не обусловлено осо-
бенностями сооружения. В том случае, если указанные условия
не удовлетворяются, необходимо внести соответствующие изме-
нения в конструкцию или размеры сооружения [19].
Следует отметить, что для низконапорных грунтовых плотин
IV класса высотой менее 5 м расчет устойчивости откосов обычно
не производят, так как принятые по табл. 3.22 коэффициенты
откосов обеспечивают устойчивость плотины.
При расчетах устойчивости откосов плотин, согласно СНиП
2.06.05—84, следует рассматривать следующие расчетные случаи.
Для низового откоса'.
1. Первый расчетный случай (основной) — в верхнем бьефе
нормальный подпорный уровень (НПУ). в теле плотины — уста-
22*
ловившаяся фильтрация. При наличии воды в нижнем бьефе ее
глубину принимают максимально возможной при НПУ, но не бо-
лее 0,2Л, где Л — высота откоса.
2. Второй расчетный случай (основной) при открытых водо-
сбросах (без затворов) — подпорный уровень и уровень нижнего
бьефа определяются максимальным расходом, относимым к ос-
новным сочетаниям нагрузок и воздействий.
3. Третий расчетный случай (особый) — в верхнем бьефе фор-
сированный подпорный уровень воды (ФПУ), в нижнем — глу-
бину воды принимают максимальной, соответствующей ФПУ.
Для верхового откоса:
1. Первый расчетный случай (основной) —максимально воз-
можное снижение уровня воды в водохранилище с наибольшей
возможной скоростью от НПУ или от подпорного уровня, кото-
рый соответствует пропуску максимального расхода, относимо-
го к основным сочетаниям воздействий. При этом учитывают
фильтрационные силы неустановившейся фильтрации.
2. Второй расчетный случай (строительного периода) — уро-
вень воды в верхнем бьефе находится на самой низкой отметке,
но не ниже 0,2Л, где h — высота откоса. Уровень грунтовой воды
в теле плотины принимают соответствующим установившемуся.
3. Третий расчетный случай (особый) — максимально воз-
можное снижение уровня воды в водохранилище от ФПУ с наи-
большей возможной скоростью. При этом учитывают фильтра-
ционные силы неустановившейся фильтрации.
3.4.2. Расчет устойчивости откосов
по круглоиилиндрической поверхности скольжения
Существует несколько методов расчета устойчивости откосов.
В гидромелиоративной практике широко используют метод круг-
лоцилнндрических поверхностей скольжения грунтового массива
с разбивкой его на отсеки (рекомендуемый СНиП 2.06.05-84).
При расчете устойчивости откоса необходимо провести несколь-
ко кривых скольжения из разных центров и, соответственно, опре-
делить коэффициенты устойчивости К,. 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 поверх-
ность скольжения определяют с помощью различных приемов,
позволяющих путем просчета нескольких поверхностей скольже-
ния (обычно шести—десяти) найти значение К,, которое принима-
ется за минимальное. Это значение является минимальным лишь
среди ограниченного числа просчитанных поверхностей скольже-
ния, но обычно достаточно близко к действительному минимуму.
Для нахождения центров кривых скольжения существует ряд
приемов. Один из них предложен В.В. Аристовским [8]. По его
данным, центр наиболее опасной поверхности скольжения рас-
полагается в пределах многоугольника Oedba (рис. 3.51), кото-
рый строится следующим образом. Из середины откоса (точка С)
проводят вертикаль CD и линию СЕ под углом 85° к откосу. За-
тем из точек А и В как из центров, проводят две дуги окружности
с радиусом R до пересечения в точке О. Значение R находят по
формуле
Л = ^
2
(3.90)
где й, и Я, — нижний и верхний пределы радиуса поверхности
скольжения Д, (определяются в долях от высоты плотины Ны по
табл. 3.38).
Рис. 3.51. Схема для определения центра наиболее опасной поверхности
скольжения
Таблица 3.38
Значения R^/H^ и RJH^
Заложевве откоса m Яв/Я,и
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
Проводя из точки С дугу радиусом г = — до пересечения с ли-
2
ниями CD и СЕ, получим искомый многоугольник Oedba.
Чаще всего центры наиболее опасных поверхностей скольже-
ния располагаются по линии ЪО, на которой в первую очередь и
выбирают несколько центров — О, О,, Оа и т.д. Вычислив коэф-
фициенты запаса устойчивости для выбранных поверхностей
скольжения, для уточнения расчета через точку с минималь-
ным значением Ку можно провести линию, перпендикулярную
ЬО, на которой также наметить ряд центров и подсчитать для со-
ответствующих им поверхностей скольжения значения Ку. За
расчетное принять минимальное значение Ку m)n, которое долж-
но находиться в допустимых пределах.
Следует иметь в виду, что при расчете откосов из несвязных
грунтов центр наиболее опасной поверхности скольжения распо-
лагается обычно вблизи точки О, а при расчетах откосов из связ-
ных грунтов удаляется от нее. Наиболее опасная кривая сколь-
жения при расчетах откосов из песчаного грунта на песчаном
основании проходит через подошву откоса (точка В на рис. 3.51),
а если в основании залегает глинистый грунт, то может захваты-
вать часть основания на глубину, обычно не превышающую Ны,
считая от поверхности грунта.
В случае необходимости минимальное значение Ку можно уточ-
нить, задаваясь еще двумя-тремя значениями радиусов кривых
скольжения в следующих пределах:
Для определения всех сил, действующих на массив обруше-
ния длиной 1 м, область, ограниченную кривой сдвига и внеш-
ним очертанием плотины, разбивают вертикальными прямыми
на отсеки шириной Ь (рис. 3.52). При расчете «вручную» величи-
ну b удобно принимать равной 0,1 Яо- Тогда sina = 0,11V, где N —
порядковый номер отсека с учетом его знака; a — угол наклона
подошвы отсека к горизонту. Затем производят нумерацию отсе-
ков. Центр нулевого отсека размещают под центром кривой сдви-
га, а остальные отсеки нумеруют влево и вправо от нулевого, при
этом для левых отсеков значения sina положительные, а для пра-
вых — отрицательные. Для крайних отсеков sina принимается
от доли полосы по отношению к полной ее ширине.
Рис. 3.52. 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 удоб-
ства расчетов вычисляют приведенную высоту отсека по формуле
Лт=Л111.+йг1«-+й31ь+...+*<,1г-, (3.92)
“Р Ч 2 \ "у
Г пр Г пр Г пр * пр
где Л,, h2, h„ — отдельные составляющие высот отсека
(берут по масштабу с чертежа), имеющие соответственно плот-
ность yt, у2, у, .... у.; уор — плотность грунта (принимают для
грунта выше кривой депрессии).
Плотность грунта, взвешенного в воде, определяют по формуле
—> (3.93)
1+е
где У,. У» — соответственно плотность твердых частиц грунта и
воды; е — коэффициент пористости грунта.
Затем определяют силу трения, возникающую на подошве всего
массива обрушения, суммируя соответствующие силы по отсекам:
F=frY»₽ZA»pcosatgcP’ (3.94)
где <р — угол трения грунта.
Подобным же образом вычисляют касательную составляющую
веса массива обрушения:
Т = &Ущ>^ЛораЬ1а- (З-95)
Силу сцепления, возникающую на подошве массива обруше-
ния, определяют по формуле
S(3.96)
где си с2, сf — удельные сцепления грунта тела плотины и осно-
вания, соответствующие длинам дуг lt, 12,1а (см. рис. 3.52).
Длина дуги определяется по формуле
1 = ^^-, (3.97)
360
где Р — центральный угол дуги, измеряемый по чертежу.
Далее определяют фильтрационную силу, которая для дрени-
рованных плотин состоит из двух составляющих:
0=0! +ф2 = П,71уи+П272ув, (3.98)
где Q| и — соответственно площади фигур СВКС и BKPNMB:
7j —средний градиент фильтрационного потока(7 = АЛ/Д2;ДЛ —
падение депрессионной кривой в пределах массива обрушения;
д/ — расстояние, на котором произошло падение депрессионной
кривой на АЛ); 12 — средний градиент в основании плотины, при-
ближенно вычисляется по формуле
В-».
(Н — напор на плотине; В — ширина плотины по низу; Ъя — ши-
рина дренажа).
При отсутствии дренажа Ф2 = 0.
Подсчет действующих сил удобнее вести в табличной форме
(табл. 3.39). Заполнив таблицу, в результате суммирования со-
ответствующих граф получают данные, которые используют при
определении Ку.
Затем вычисляют коэффициент устойчивости откоса:
К, =--------— —--------.
Т + Ф) rt /Ro + Фгг2 /Яо
(3.99)
Пример 3.3. Для выбранной кривой скольжения вычислить значение
коэффициента устойчивости низового откоса грунтовой плотины.
Исходные данные. Высота грунтовой плотины 15 м, напор Н = 13,0 м,
заложение верхового откоса т, = 3,0 м, низового — т3 = 2,0 м, шири-
на по гребню Ь = 8.0 м. Плотина относится к IV классу. Грунт тела пло-
тины — супесь твердая с плотностьюу = 1,46 т/м3, плотностью твердых
частиц у, = 2,78 т/м*, коэффициентом пористости е = 1,065, удельным
сцеплением с = 12,0 кПа и углом внутреннего трения <р = 16е, в насы-
щенном водой состоянии соответственносш — 10,0 кПа,фж = 13°. Воспе-
вании залегают пески крупные с галькой мощностью Т — 14,0 м. Они
имеют следующие характеристики: у = 1,83 т/м1; у, = 2,64 т/м3; е = 0,70;
с = О; ф = 38е; с„ = 0 и ф„ — 37°.
Высота дренажной призмы = 1,20, ширина дренажного банкета
Ьо — 1,0 м, заложение откосов дренажа: внутреннего т', =1Д наружно-
го т'2 =1,0(см. рис. 3.52, 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 Oedba, как из центра, с учетом
приведенных выше рекомендаций проводится кривая скольжения ра-
диусом Д, = 24,5 м.
2. Массив обрушения делится вертикальными линиями на отсеки
шириной Ь — 0,1-24,5 = 2,45 м. Середина нулевого отсека располагается
под центром кривой скольжения (точка О на рис. 3.52).
3. Определение величин, входящих в (3.92), (3.94),..., (3.97), прово-
дят в табличной форме (табл. 3.39). При этом высоты составленных час-
тей отсеков измеряют в середине каждого отсека. Плотность грунта тела
плотины и основания, взвешенного в воде, вычисляются по (3.93) и со-
ставляет:
4. Силу трения, возникающую на подошве всего массива обрушения,
определяют по (3.94):
F = 2,45 • 1,46 39,81 = 142,4 т = 1424 кН.
5. По (3.95) вычисляют касательную составляющую веса массива об-
рушения:
Т = 2,45 • 1,46 26,49 = 94,75 т - 947,5 кН.
6. При вычислении по (3.98) фильтрационной силы сначала устанав-
ливают площади фигур СВКС £2, = 129,5 м и BKPNMB £2, = 40,0 м2 и
значения средних градиентов:
__ _ 8
• в теле плотины I. =— =0,40;
' 20
г 13
• в основании плотины I, —---=0,17.
* 83-4,0
Предварительно определяют ширину плотины по низу:
В = (m, + т2) Ны + Ь = (3 + 2) 15 + 8 = 83,0 м
и ширину дренажа:
Ьдр =(»»',+т'!|)Лдр+б0 =(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 г1 и гг определяют по расчетному чер-
тежу (см. рис. 3.52). Они равны z, = 22,0 м, z2 = 4,0 м.
8. По (3.99) для выбранной кривой скольжения вычисляют коэффи-
циент устойчивости откоса:
_ 142,4 + 20,25
,_94,75+51^2 + 40-4 ’
24,5 24,5
Для сооружений IV класса по табл. 6.8 принимают коэффициент на-
дежности К„ = 1,10, а также коэффициент сочетания нагрузок для ос-
новного сочетания в — 1,0 и коэффициент условий работы при методе
расчета, удовлетворяющем условия равновесия т = 1.
Определение действующих сил
&
СМ 00 00 О С
СМ гч 0
?О © О «
I I I ем
СО см ©
9. По условию (3.89) определяют нормативное значение коэффици-
ента устойчивости откоса и сравнивают с расчетным К,:
К. МО , , ,Л
—л=-г—1=1Д0,
т 1
т.е. Ку =(KB/zn)n. Следовательно, устойчивость откоса обеспечивается.
Если устойчивость откоса не обеспечивается, т.е. Ку <(К, /т), прини-
маются мероприятия, повышающие устойчивость откоса. Например,
увеличивают заложения низового откоса т2; применяют пригрузки из
крупнозернистого материала; понижают депрессионную кривую и др.
Что именно выбрать, решается на основании технико-экономических
расчетов.
3.4.3. Расчет устойчивости экрана
Расчет устойчивости экрана проводят для 1 м длины плоти-
ны и сводится он к определению коэффициента запаса на устой-
чивость.
Пренебрегая отпором грунта в основании экрана, что увели-
чивает запас при расчетах, экран будет устойчивым, если выпол-
няется условие
К (3.100)
tgq>
где 0 — угол наклона экрана к горизонту; <р — угол внутреннего
трения грунта экрана.
Если экран выполнен из полимерных материалов, то в (3.100)
вместо tg<p нужно подставить значение коэффициента трения
грунта с полиэтиленовой пленкой (табл. 3.40).
Таблица 3.40
Значения коэффициентов трения грунтов е полиэтиленовой пленкой
Грунт Коэффициент
Песок:
крупный 0,40-0,45
средний и мелкий 0,25-0,35
Супесь 0,30-0,35
Суглинок 0,35-0,40
Расчеты осадок тела и основания плотины
3.5.1. Напряженное состояние грунта
В естественных условиях грунты под воздействием собствен-
ного веса находятся в напряженном состоянии. Такое напряжен-
ное состояние называют природным и для нескальных грунтов
его изменение с изменением глубины принимают по линейному
закону.
Для однородных грунтов естественной влажности нормаль-
ные напряжения по горизонтальным площадкам Р6 вычисляют
по зависимости
Р.=уА, (3.101)
где у — плотность грунта; Л — глубина (расстояния от поверхно-
сти до горизонтальной площади).
Эпюра напряжений в однородных грунтах имеет вид треуголь-
ника. В сложных грунтах с различным значением у эпюра будет
иметь переломы на границах слоев. Для грунтов, насыщенных
водой, плотность грунта принимают с учетом взвешивания его
в воде.
Если на поверхности грунта будет приложена внешняя на-
грузка, в толще грунтового массива возникают дополнительные
напряжения, которые называют уплотняющими. Два напряже-
ния — природное Р6 и уплотняющее о, — суммируют и по их ве-
личине судят о напряженном состоянии грунта в рассматривае-
мой точке:
0сл,=Рв+а,. (3.102)
В грунтовых плотинах внешней нагрузкой служит вес тела
плотины, рассматриваемый как равномерно распределенная на-
грузка, состоящая из прямоугольной (в пределах гребня плоти-
ны) и двух треугольных (боковых) призм.
3.5.2. Учет осадок в грунтовых плотинах
Суммарные осадки в грунтовых плотинах состоят из двух час-
тей: осадок тела плотины и основания:
АЛ = ДЛМ + ДЛое» • (3.103)
где ДЛМ — осадка тела плотины; ДЛ^ — осадка основания пло-
тины.
Необходимо отметить, что расчетные зависимости по опреде-
лению осадок для обеих частей в принципиальном отношении
одинаковые.
При современных средствах механизации земляных работ
грунт можно уплотнить до такой степени, что осадка тела плоти-
ны окажется практически равной нулю. Однако в связи с пере-
распределением напряжений, происходящим в теле плотины
при ее отсыпке и уплотнении, из практических соображений
величину осадки тела плотины обычно принимают в пределах
(1...2 %)ЯМ.
Сжимаемое основание под воздействием внешней нагрузки —
веса тела плотины — всегда будет давать осадку. Ее величина за-
висит от мощности сжимаемого основания. С глубиной уплот-
няющее напряжение уменьшается и на некоторой отметке оно
практически не влияет на осадку. Такую глубину называют ак-
тивной (активной зоной), принимая ее на расстоянии, где уплот-
няющее давление равно половине природного:
о, =0,5Рв.
Учет осадок в грунтовых плотинах необходим по двум причи-
нам. В результате осадок, во-первых, происходит понижение от-
метки гребня плотины, во-вторых, увеличивается объем грунта,
укладываемого в тело плотины.
Эксплуатационное проектное положение внешнего контура
плотины достигается в результате его изменения в период строи-
тельства путем отсыпки так называемого строительного кон-
тура плотины, в котором все отметки повышают на величину
осадок, определяемых по ряду вертикальных сечений.
3.5.3. Расчет осадок
С момента приложения внешней нагрузки на сжимаемое ос-
нование осадки могут длиться продолжительное время, в неко-
торых случаях годы. Конечные осадки в грунтовых плотинах
называют стабилизированными. Запаздывание осадок во вре-
мени после приложения нагрузок происходит в водонасыщен-
ных грунтах, имеющих незначительные коэффициенты фильт-
рации.
Осадки в грунтах — следствие сближения частиц между со-
бой или, что то же самое, результат уменьшения пористости. Но
сближение грунтовых частиц начинается после того, как произо-
шел отток воды, заполняющей поры. Значит, чем меньше коэф-
фициент фильтрации, тем более продолжительное время длится
осадка. Отсюда следует, что конечные осадки в глинистых грун-
тах будут протекать долго, а в песчаных и гравелистых — быстро
и оканчиваться в период строительства плотины.
Расчет стабилизированных осадок ведут по вертикалям, коли-
чество которых в поперечном профиле плотины принимают не
менее трех. Существует несколько способов расчета стабилизиро-
ванных осадок.
Широкое распространение расчета осадок основания получил
метод элементарного послойного суммирования, который при
условии невозможности бокового расширения грунта основания
дает следующую формулу:
=ДЛО« (3-104)
где ДЛС — стабилизированная (конечная) осадка; htK — глубина
сжимаемого слоя в пределах активной зоны; — коэффициент
пористости грунта до приложения нагрузки, т.е. в естественном
состоянии (до возведения плотины); е2 — коэффициент пористости
грунта после приложения нагрузки (после возведения плотины).
Значения коэффициентов е, и ег определяют по компрессион-
ным кривым испытаний грунтов. Расчет по (3.104) выполняют
послойно, при этом толщина слоев должна соответствовать ха-
рактеру и мощности напластований грунтов основания и прини-
мается не более одной десятой толщины активной зоны. Коэффи-
циенты пористости грунта е, и еа относятся к середине каждого
слоя, при этом е, определяется по компрессионной кривой при
бытовом напряжении Р6 в нужном сечении, а ег — по компресси-
онной кривой при суммарном напряжении = Pt + о, в этом
же сечении.
Зависимость (3.104) справедлива для условий плоской зада-
чи, т.е. при сплошной равномерно распределенной нагрузке,
расположенной на неограниченной площади. Считают, что это-
му условию отвечают трапецеидальная нагрузка тела грунтовой
плотины.
Для определения осадки по (3.104) нужно знать величину уп-
лотняющего напряжения в рассматриваемом слое. Для его опре-
деления используют довольно сложные формулы или таблицы,
полученные на основе этих формул. Такие таблицы для прямо-
угольной и треугольной равномерно распределенной нагрузки
имеются в учебниках и справочниках по механике грунтов.
Ниже приводится пример расчета осадки основания грунто-
вой плотины по несколько упрощенной методике [8]. Расчетная
схема приведена на рис 3.53.
Пример 3.4. Определить величину осадки грунта основания грунто-
вой плотины.
Исходные данные. Растительный слой Tt = 0,4 м, плотность грунта
при естественной влажности у1 = 1,6 т/м’; супесь Тг = 3,6 м при влаж-
ности у, = 1,9 т/м’; суглинок 7, = 8,0 м, у, = 1,88 т/м*. Насыпь тела
плотины из суглинков, уи = 1,89 т/м’; Н„ = 22,5 м. Ширина плотины
по гребню Ь = 12,0 м. Коэффициент верхового откоса и, = 3,25, низо-
вого mt = 2,5. Мощность сжимаемого грунта основания Л,ж = Т, + Тг +
+ 7, = 12,0 м, ниже грунт практически несжимаем.
1. Вычисляем напряжение в середине сжимаемого слоя грунта осно-
вания плотины в естественном состоянии:
Р =у
‘ы, Гср .пв g .
где у -Г|Т|+Г,у, + 7,у, _0.4 1,6+ 3,6 1,9+ 8,0 1,88 22^2
7,+7,+ 7, 0,4+ 3,6+ 8,0 12,00
=1,88 т/м* = 18,443 кН/м’;
= 1.88 • 6,0 = 11,28 т/м2 = 1,13 кг/см’ = 110,853 кН/м2.
2. Пользуясь компрессионной кривой (рис. 3.53, в), находим сред-
невзвешенный коэффициент пористости грунта основания плотины при
Р = Рш = 1,13 кг/см1:
«1сл>(Г« +Т1)+е1епТз _0,71(0,4+ 3,6)+ 0,52 8,0 псо
7,+7,+ 7, 0,4 + 3»6 + 8,0
3. Для определения напряжения в середине сжимаемого слоя по-
сле возведения плотины пользуемся методом проф. Н.А. Цитовича
(рис. 3.53, б).
Поперечный профиль грунтовой плотины делим на три фигуры: ле-
вый треугольник, среднюю часть (прямоугольник) и правый треуголь-
ник. Затем вычисляем отношения г/b и у/Ь, по которым по табл. 3.41 и
3.42 принимаем вертикальные напряжения а,, выраженные в долях от
интенсивности нагрузки.
Напряжение в точке В будет
Рис. 3.53. К расчету осадки основания грунтовой плотины:
а — общая схема; б — схема распределения нагрузки от насыпи (по Н.А. Ци
товичу); в — компрессионные кривые; г — нагрузка по треугольнику
23 М. В Нестером
Напряжение в точке С находим как сумму трех отдельных нагрузок:
от левого треугольника, от средней части и от правого треугольника.
Определяем напряжение от нагрузки левого треугольника. Для этого
находим
b гп^Н^
12,0
3,25 22,5
„ 3,25 22,5 + ^
=0,164 и - =---------2- =-----------— =1,08,
b гг^Н^ 3,25 22,5
по табл. 3.42 ох1 = 0,38; тогда Р, = он,
Рв = 0,38 • 4,25 = 1,62 кг/см2 ° 158,9 кН/м2.
Напряжение от средней части при
z h 12.0 и 0
±=21в.=±±!Г = 1 0 и*=_=о,
Ь Ь 12,0 Ь 12
по табл. 3.41 находим:
ох1 = 0,55иР} = ОЛРВ = 0,55 • 4,25 » 2,34 кг/см2 » 229,6 кН/м2.
Напряжение от нагрузки правого треугольника
Р, = ctjSPb = 0,31 • 4,35 = 1,35 кг/см2 = 129,5 кН/м2.
Таблица 3.41
Значения напряжений а,, выраженные в долях от интенсивности
равномерно распределенной нагрузки Р
»/6 У/Ь
0 0,26 0.50 1,00 1.5 2,0
0,00 1,00 1,00 0,50 0,00 0,000 0,00
0,25 0,96 0,90 0,50 0,02 0,000 0,00
0,50 0,82 0,74 0,48 0,08 0,020 0,00
0,75 0,67 0,61 0,45 0,15 0,040 0,02
1,00 0,55 0,51 0,41 0,19 0,070 0,03
1,25 0,46 0,44 0,37 0,20 0,100 0,04
1,50 0,40 0,38 0,33 0,21 0,110 0,06
1,75 0,35 0,34 0,30 0,21 0,110 0,07
2,00 0,31 0,31 0,28 0,20 0,130 0,08
3,00 0,21 0,21 0,20 0,17 0,135 0,10
4,00 0,16 0,16 0,15 0,14 0,120 0,10
5,00 0,13 0,13 0,12 0,12 0,110 0,09
6,00 0,11 0,10 0,10 0,10 0,100 -
23*
Таблица 3.42
Значения напряжений аг, выраженные в долях от интенсивности Р, изменяющейся по треугольнику
со ос се оз
g S S £ g S g g S g c
Полное напряжение в точке С составит Рс=Р,+Р, + Р,= 1,62 + 2,34 +
+ 1,32 = 5,28 кг/см* = 517,9 кН/м*.
В среднем в грунте основания под гребнем плотины напряжение
с учетом первоначального напряжения Р,„ будет
Р^ =Ра + Рс- + Р„, =-25 + 5,28+1,13 = 5,89 кг/см* = 577,8 кН/м*.
2 2
4. По компрессионной кривой при Р = = 5,89 кг/см* средневзве-
шенный коэффициент пористости составит е, = 0,24 (см. рис. 3.53, в).
5. Величину полной осадки основания под гребнем плотины вычис-
ляем по формуле
ДЛ = 1200 °>58~°»24 —258 см.
1,0 + 0,58
Вертикальные нормальные напряжения ог, возникающие в точ-
ках на горизонтальных площадках (параллельных ограничиваю-
щей полупространство плоскости), от действия трапецеидальной
полосовой нагрузки легко можно вычислить с помощью номо-
граммы Остерберга (рис. 3.54) по формуле
ог=ХК0р, (3.105)
1
где Kq — коэффициент (определяется по номограмме в зависимо-
сти от ширины нагруженных полос и глубины расположения за-
данной точки); о — интенсивность равномерной нагрузки или же
максимальная (краевая) интенсивность треугольной нагрузки;
п — число треугольных и равномерно распределенных частей по-
лосовой нагрузки.
Номограмма построена для вычисления напряжений о, от дей-
ствия полосовой трапецеидальной нагрузки. Однако ею можно
пользоваться для вычисления напряжений а, от действия полосо-
вой нагрузки любого очертания, изменяющегося по закону пря-
мой, так как полосовую нагрузку любого очертания на практике
можно разделить на части, приведенные к виду, который изобра-
жен на номограмме. Назовем этот вид расчетным.
Для вычисления напряжений о, в любой заданной точке, на-
пример в точке АГ,, находящейся на глубине г (рис. 3.55, а), че-
рез нее проводят вертикальную линию, которая делит трапецеи-
дальную нагрузку на две части: левую и правую, приводя тем
самым нагрузку к виду, изображенному на номограмме (к рас-
четному виду).
Рис. 3.54. График для определения уплотняющих напряжений в грунтах
основания
Рис 3.55. Схема действия трапецеидальной полосовой нагрузки
к вычислению вертикального нормального напряжения <зг в точках
грунтового полупространства с помощью номограммы Остерберга:
а — в основаниях под земляными плотинами, дамбами и т.п.; б — под фун-
даментами подпорных стенок, бетонных плотин и т.п.
В состав левой части входят треугольная нагрузка шириной Ь*
и равномерно распределенная нагрузка шириной Ь2, в состав пра-
вой части — треугольная нагрузка ширинойЬ° и равномерно рас-
пределенная b£. Затем для каждой части находят отношения
Ь* /г и bj’ /г, bf/z и Ь2 /г. Соответственно численным значениям
этих отношений по номограмме определяют численные значения
коэффициентов Ко для левой и правой частей нагрузок. Имея зна-
чения коэффициентов К о и KJ, вычисляют напряжение, которое
будет равно:
<5, =К5р+К5р. (3.106)
Для вычисления напряжений о, в точке М2 через нее проводят
вертикальную линию и прикладывают фиктивную нагрузку, по-
казанную на рисунке пунктиром. Тем самым нагрузку приводят
к расчетному виду. Затем находят отношения bf /г и b2 /z, b*/z и
b* /г, а соответственно численным значениям этих отношений по
номограмме определяют коэффициенты К„ и К* (индексы «л» и
«п» указывают на принадлежность к левой или правой частям
полосовой трапецеидальной нагрузки, а «с» и «ф» — к суммар-
ной, т.е. к фактически действующей плюс фиктивной, и фиктив-
ной нагрузкам). Имея значения коэффициентов К □ и К J, вычис-
ляют напряжение ог, при этом вводят в формулу со знаком
♦+», аК* — со знаком «-»:
а, =К'р-К*р. (3.107)
Для вычисления напряжений о, от трапецеидальной нагрузки
в точке М (рис. 3.55, б) через эту точку проводят вертикальную
линию, которая делит нагрузку на левую и правую части.
Левую часть, в свою очередь, делят на две, а к правой добавля-
ют фиктивную треугольную нагрузку, как показано на рисунке,
получая для рассмотрения четыре части. При этом каждая часть
приведена к расчетному виду, но первая и третья части не имеют
участка с треугольной нагрузкой (b/ и Ь™ равны нулю), а вторая и
четвертая части не имеют участка с равномерной нагрузкой (5? и
Ь™ равны нулю). Затем, так же как и выше, для каждой части на-
грузки находят отношения b-Jz и b2/z, т.е. b[/z = 0 и b\fz, b'1 /г и
b"/з = 0, Ь™/а = 0, иb^'Iг,Ь™/зиЬ™/з = 0. Соответственно, чис-
ленным значениям этих отношений по монограмме определяют
коэффициенты К!,, К ”, К “, К .
Имея значения коэффициентов Ко, вычисляют напряжение G,,
которое в общем виде для рассматриваемого случая будет равно:
G, =К^+К?р+К“р-К^р. (3.108)
Аналогичным образом вычисляют напряжения и в любых дру-
гих точках полупространства.
Если осадку грунтовой плотины определяют к концу заданно-
го промежутка времени, когда она полностью еще не завершена,
то ее называют нестабилизированной. Приближенно ее можно
определить по эмпирической формуле
Дй, = Дйс (1-2,7 -°Б'), (3.109)
гдеДЛ( —осадка за время t в годах от начала приложения нагруз-
ки; ДЛС — стабилизированная осадка, подсчитанная по (3.104).
Эта зависимость справедлива при отношении толщины сжи-
маемого слоя к ширине плотины по основанию больше единицы.
3.5.4. Приближенная оценка вертикальных деформаций
гребня плотины
Для приближенной оценки вертикальных деформаций гребня
грунтовой плотины можно использовать эмпирические зависи-
мости, предложенные различными авторами на основании обра-
ботки данных натурных наблюдений [42]. Так, размер конечной
(стабилизированной) осадки ДЛС и ее распределение во времени
можно определить по эмпирическим формулам:
ДЛГ = —0,453 [1-ехр(0,08ЯШ1)];
ДЛ, = ДЛсехр( -0,693 Г1Д"),
(3.110)
(3.111)
где Ны — высота плотины, м; t — продолжительность осадки, лет.
Для предварительных расчетов ориентировочно запас на осад-
ку тела плотины (ДЛ^) можно принимать [47]:
• для плотин высотой до 10... 15 м из песчаных и гравелистых
грунтов — 0,01Ям;
• для плотин из связных грунтов — 0,0217^,.
Запас на осадку основания ДЛ^ принимают:
• при плотных песчаных или суглинистых грунтах мощно-
стью Т > 0,25/7^, для низких плотин — (0,01. ..О.ОЗ)//^,;
• при менее плотных несвязных грунтах — (0,02...0,03)Ям
в зависимости от плотности грунтов.
3.6.
Работы по возведению насыпных
грунтовых плотин
3.6.1. Разбивка контура основания плотин на местности
Строительству грунтовых плотин предшествуют работы по
переносу проекта в натуру. Такие работы принято называть раз-
бивкой сооружения. Они представляют собой закрепление на
местности главных осей сооружения и разметку положения от-
дельных частей сооружения. Кроме этого в состав разбивочных
работ включают геодезический контроль строительных процес-
сов в период возведения сооружения.
Основой для переноса проектов в натуру служит государст-
венная геодезическая сеть и, дополнительно к ней, съемочная
сеть. Для плотин небольшой высоты разбивку можно вести от ме-
стных ориентиров, расположенных вблизи строящегося соору-
жения, имеющих четкое очертание и надежно закрепленных на
местности.
Перенос проекта в натуру состоит в закреплении на местности
отдельных точек сооружения, определяющих его основные осевые
линии, в соответствии с положением их на генеральном плане.
При переносе проектов в натуру обычно применяют несколько
способов: полярный, угловых точек, линейных засечек и прямо-
угольных координат [48]. Для открытой местности, где нет за-
труднений при измерении линий и углов, применяют способ па
лярных координат. При наличии препятствий между опорными
геодезическими знаками и осями сооружения, подлежащего раз-
бивке, целесообразно использовать способ угловых точек. Если
опорные геодезические знаки расположены близко от базовых то-
чек сооружения, пригоден способ линейных засечек. В тех случа-
ях, когда осевые знаки разбиваемого сооружения расположены
вблизи прямых, соединяющих пункты геодезической сети, раз-
бивку выполняют методом прямоугольных координат.
Выбор способа разбивки зависит от местности, сложности со-
оружения и способа производства работ. При любом способе пере-
носа проекта в натуру находят базовые точки осей сооружения,
закрепляемые соответствующими знаками.
Разбивку сооружения выполняют при помощи плановых и вы-
сотных знаков. Плановыми знаками закрепляют основные линии
сооружения, определяющие расположение в пространстве как са-
мого сооружения, так и его основных конструктивных частей. Вы-
сотные знаки служат для вертикальной разбивки сооружения.
В процессе разбивки сооружений пользуются постоянными и
временными знаками. Постоянные знаки разбивки сохраняют-
ся в течение всего периода строительства, так как они являются
основой при выносе временных знаков, а также служат для кон-
троля правильности фактически выполненных осей сооружения.
Временные знаки устанавливаются только на период выполне-
ния отдельных частей сооружения и поэтому играют вспомога-
тельную роль. В случае разрушения временного знака его легко
восстановить по постоянным знакам.
Схемы расположения постоянных знаков даются в рабочих
чертежах, а их закрепление производится до начала основных
работ по сооружению. Временные знаки устанавливают по мере
необходимости, их местоположение назначают в соответствии
с ходом текущих работ.
Первым этапом плановой разбивки плотины является закреп-
ление продольной оси плотины постоянными знаками, установ-
ленными за пределами контура сооружений узла и вне зоны затоп-
ления водохранилища. Прямолинейная ось плотины фиксируется
двумя основными знаками, в створе которых дополнительно уста-
навливаются два контрольных знака. Один из основных знаков,
как правило, устанавливается на высоком берегу створа плотины,
от него ведут промеры и осуществляют контроль за текущими ра-
ботами. Если продольная ось — ломаная линия, то вершины углов
поворота закрепляют двумя створными знаками и при возможно-
сти привязывают промерами к местным ориентирам.
Наряду с продольной осью плотины постоянными знаками за-
крепляют и все основные оси других сооружений узла (водо-
сброса, водозабора, водоспуска и др.). Местоположение знаков
выбирается такое, чтобы, пользуясь ими в любой период строи-
тельства, можно было восстановить любую точку сооружения.
Высотными знаками являются временные реперы, установ-
ленные на строительной площадке. Отметки на эти реперы пере-
даются ходами технического нивелирования, опирающимися на
марки и реперы государственной сети. Постоянные знаки осей
сооружения в плане можно одновременно использовать и как по-
стоянные высотные знаки-реперы.
Для сохранения постоянных знаков от повреждения необходи-
мо ограждать их и не допускать прокладки вплотную к ним вре-
менной дорожной сети, различных коммуникаций и прочих уст-
ройств, которые могут повлиять на изменение положения знака
или повредить его.
После закрепления продольной оси плотины постоянными зна-
ками дальнейшую разбивку проводят при помощи временных зна-
ков. Одна из основных разбивочных работ состоит в закреплении
на местности временными знаками точек подошвы откосов плоти-
ны, установки откосных шаблонов, обозначения местоположения
зубьев, дренажей и др.
Для получения точек внешнего контура плотины (рис. 3.56)
перпендикулярно продольной оси разбиваются поперечники, на
концах которых временными знаками фиксируют положение по-
дошвы откоса. В тех случаях, когда поверхность земли поперечни-
ка горизонтальна, нахождение граничных точек контура сводится
к откладыванию от оси плотины расстояния, равного:
Рис. 3.56. Разбивочная схема для установления внешнего контура
плотины при однородном уклоне местности
(3.112)
(3.113)
Если же по поперечнику имеется однообразный уклон местно-
сти т0 в сторону нижнего бьефа, тогда точки контура находят по
зависимостям:
• с верховой стороны плотины
Ь ГТ
-+тхН„
£
*1
77l0 —Hlj
(3.114)
• с низовой стороны плотины
-+т2Ная
(3.115)
Шо
^0 + ^2
Более сложно выполнить разбивку, когда уклон по попереч-
нику неоднообразный. В этом случае контурные точки плотины
находят после дополнительных вычислений с учетом отметок
поверхности земли у подошвы откосов. Практически разбивку
можно осуществить более простым приемом, применяя откос-
ный шаблон [15]. Продолжение откосной линии по шаблону до
пересечения с поверхностью земли определит точку контура пло-
тины (рис. 3.57). По мере наращивания плотины по высоте от-
косные шаблоны перемещают вверх с периодической проверкой
их установки от оси плотины.
Рис. 357. Разбивочная схема для установления внешнего
контура плотины при неоднородном уклоне местности
По полученным после разбивки точкам контура плотины уст-
раивают небольшую канавку (рис. 3.58).
Разбивка местоположения зубьев сводится к фиксированию
на местности временными знаками оси траншеи под зуб, привя-
занной к продольной оси плотины. В соответствии с глубиной
траншеи и заложением ее откосов проводят закрепление точек,
определяющих ширину траншей по верху и низу. Аналогично де-
лают разбивку и оси дренажа.
Рис. 358. План контура плотины по основанию,
полученного в результате разбивки:
1...8 — поперечники; 9 — верховой откос; 10 — гребень плотины; 11 — бо-
розда по подошве откоса
3.6.2. Пропуск строительных расходов
Строительство узлов гидротехнических сооружений неизбеж-
но сопряжено с пропуском расходов воды, проходящих по водо-
току, в условиях нарушения естественного режима потока из-за
его стеснения, а в некоторых случаях резкого изменения направ-
ления. Только в редких случаях при возведении водохранилищ-
ного узла можно обойтись без пропуска расхода воды и все работы
вести «насухо». Это возможно при сооружении грунтовых пло-
тин на балках, в которых летом не бывает воды. Во всех осталь-
ных случаях на период строительства грунтовой плотины прихо-
дится иметь дело с расходами воды, проходящими по водотоку,
и изолировать возводимые сооружения узла от речного потока.
Расходы воды, пропускаемые через створ гидроузла в период
их возведения, обычно называют расходами строительного
периода или, проще, строительными расходами. Расход, на
который ведется расчет сооружений, предназначенных для про-
пуска потока воды в строительный период, называется расчет-
но-строительным расходом.
Строительные расходы вычисляют по методам гидрологии так
же, как и размеры водосбросных отверстий при проектировании
грунтовых плотин. Разница здесь только в установлении расчет-
ной обеспеченности, процент которой при определении расчет-
ных строительных расходов принимается большим.
На пропуск расходов строительного периода оказывают влияние:
• гидрологический режим водотока;
• геологические условия, от которых зависит устойчивость
русла при размыве;
• возможность затопления котлованов сооружения узла на
период пропуска паводка и сложность ликвидации последствий
затопления;
• типы перемычек;
• сроки строительства.
Расчетные максимальные строительные расходы опреде-
ляют для периода половодья и значительно реже для условий дож-
девых паводков. Во всех случаях, когда нет уверенности в явном
превышении одного расхода относительно другого, гидрологиче-
ские расчеты выполняют для обоих случаев и большую величину
расхода принимают за расчетную.
Обычная обеспеченность строительных расходов составляет от
5 до 25 % и устанавливается по нормативным документам в зави-
симости от класса сооружений и гидрологических условий.
Наряду с установлением максимальных строительных рас-
ходов полезно иметь график изменения расходов по месяцам,
построенный на основе кривых обеспеченности. Наличие таких
графиков позволяет предусмотреть в календарном плане строи-
тельства проведение отдельных видов работ в те периоды года,
когда режим пропускаемых расходов наиболее благоприятен.
Выбор способа пропусков строительных расходов зависит от
величины этих расходов, сроков возведения сооружений узла и то-
пографических условий. Только учет всех факторов, влияющих
на пропуск строительных расходов, позволит иметь технически
правильные и экономически обоснованные решения.
Основным методом возведения насыпных плотин является ме-
тод возведения «насухо», когда все строительные процессы ведут
в осушенном котловане и строительные расходы пропускают,
минуя строящиеся сооружения, или аккумулируют в верхнем
бьефе.
Способ аккумуляции строительных расходов, как ограничен-
но распространенный, применяют в следующих случаях:
• при благоприятных топографических условиях, когда в верх-
нем бьефе имеется понижение, способное вместить сток воды за вре-
мя возведения плотины;
• при строительстве плотин с малым объемом насыпи и воз-
можностью ее наращивания до поднятия уровня воды в водохра-
нилище.
При благоприятных топографических условиях аккумуля-
ции воды выше створа плотины предшествуют работы по уст-
ройству верховой перемычки, за пределами которой и происхо-
дит накопление воды. В таких случаях плотины возводят после
пропуска весеннего паводка под прикрытием перемычки.
Разновидностью этого способа является использование емко-
сти самого водохранилища, но в этом случае работы по возведе-
нию плотины должны опережать подъем уровня воды в нем.
Применяя метод аккумуляции, следует иметь в виду, что ра-
боты по устройству водосбросного тракта выполняют в первую
очередь и оканчивают к моменту подъема уровня воды водохра-
нилища до отметки порога сбросного сооружения.
Наращивание плотин с опережением объема уровня воды в во-
дохранилище можно значительно ускорить, если вместо всего
профиля грунтовой плотины возводить только верхнюю часть его,
а затем под прикрытием ее как перемычки выполнять остальную
часть до проектного очертания (рис. 3.59).
Пропуск строительных расходов транзитом может быть осу-
ществлен одним из следующих методов:
• по основному руслу водотока;
• по обводному каналу;
• через законченные водопропускные и водосбросные соору-
жения;
• по лоткам, уложенным через котлованы сооружения;
• по тоннелям.
С точки зрения производства работ пропуск строительных
расходов через основное русло водотока или обводной канал наи-
более удобен. В этом случае котлованы возводимых сооружений
ничем не стеснены и вся строительная площадка (при условии ее
осушения) используется для работы. Пригодны эти методы при
сравнительно большой длине плотины, если русло реки или об-
водной канал занимают незначительную часть длины плотины,
а также если по руслу проходят повышенные расходы воды.
Рис. 3.59. Возведение плотины при аккумуляции воды в верхнем бьефе:
1 — первый этап возведения; 2 — второй этап возведения
Работы по устройству обводного канала начинают сразу же по-
сле пропуска весеннего паводка, когда установятся низкие уровни
воды в водотоке. После пуска воды по обводному каналу основное
русло перекрывают верховой и низовой перемычками, которые
располагают вблизи участков входа и выхода обводного канала.
В результате возведения перемычек образуется замкнутое про-
странство для котлована сооружений узла. Воду из него откачива-
ют водоотливными средствами, а затем приступают к подготови-
тельным работам по котловану (рис. 3.60).
Закончив строительные работы по узлу, участок в створе пло-
тины, занимаемый обводным каналом или руслом реки, закры-
вают перемычкой, под прикрытием которой и возводят плотину.
По мере наполнения водохранилища лишняя вода сбрасывается
через водосбросные сооружения.
Методы пропуска строительных расходов по основному рус-
лу или через обводной канал не требуют высоких перемычек,
причем естественный режим водотока мало изменяется, и под-
пор, создаваемый перемычками, получается незначительным.
Наиболее сложна работа по закрытию прорана, так как пере-
мычку здесь устраивают в условиях быстротекущей воды.
Пропуск строительных расходов через водоспускные или водо-
сбросные сооружения является своего рода разновидностью спосо-
ба с устройством обводного канала. В этом случае вначале вне ос-
новного русла возводят одно из указанных сооружений, после чего
строят подводящий и отводящий каналы. Далее русло реки выше
и ниже плотины перекрывают перемычками, а расходы водотока
пропускают через законченные сооружения. Под защитой пере-
мычек, как и в предыдущем случае, возводят грунтовую плотину.
Отметку гребня верховой перемычки назначают исходя из отмет-
ки порога водоспускного сооружения и глубины воды в подводя-
щем канале с учетом возможного подпора перед перемычкой.
Рис. 3.60. Схема пропуска строительных расходов
транзитом через обводной канал:
1 — русло водотока; 2 — контур плотины; 3 — поперечные перемычки;
4 — обводной канал
На водотоках с небольшими расходами находит применение
способ пропуска строительных расходов через трубы, уложенные
в основании плотины до ее возведения (рис. 3.61). В этом случае
плотину возводят на всей длине, включая и участок над трубой.
После строительства всех сооружений узла трубы остаются в теле
плотины, а входные и выходные отверстия их закрывают само-
опускающими шандорами. Если трубы имеют большое сечение,
их заполняют грунтом, а затем заделывают входные отверстия.
Если конструкцией гидроузла предусмотрен водоспуск, то его
используют в качестве сооружения для пропуска строительных
расходов.
В тех случаях, когда расходы водотока незначительны и строи-
тельство водохранилищного узла предусматривается в послепа-
водковые периоды, строительные расходы можно пропускать ло
лоткам. Для этого устраивают верховую и низовую перемычки.
Из подпертого бьефа верховой перемычки воду по лоткам, уло-
женным на эстакаду или подмостки, направляют за низовую пере-
мычку. Сечение лотка подбирают на основе гидравлического рас-
чета исходя из пропуска максимального расчетного строительного
расхода, наблюдаемого в период возведения плотины. Достоинст-
вом этого способа является простота и быстрота осуществления.
Затруднение вызывает только перестановка лотка в процессе ук-
ладки грунта в тело плотины.
Рис. 3.61. Схема пропуска строительных расходов транзитом
через трубы, уложенные в основании плотины:
I — русло водотока; 2 — перемычки; 3 — контур плотины; 4 — трубы
Строительные расходы пропускают через туннели на горных
реках с узкими ущельями, где другие способы затруднены или
невозможны. После окончания строительных работ по узлу тун-
нели обычно используют как составную часть водосбросных и во-
дозаборных сооружений (рис. 3.62).
24 М. В. Нестеров
Рис. 3.62. Схема пропуска строительных расходов
транзитом через туннель в обход плотины:
1 — контур плотины; 2 — русло водотока; 3 — поперечные перемычки;
4 — туннель
Пропуск строительных расходов, как это видно из вышеизло-
женного, сопряжен с возведением перемычек, которые необхо-
димы как для ограждения котлованов, так и для направления по-
тока воды в заданном направлении.
В зависимости от местоположения перемычки делятся на про-
дольные и поперечные, а последние, в свою очередь, могут быть
верховыми и низовыми, смотря по тому, выше или ниже створа
плотины их возводят. В отдельных случаях, когда русло перекры-
ваемого водотока грунтовой плотины имеет ограниченную шири-
ну, можно устраивать только поперечные перемычки. Такие пере-
мычки пригодны для аккумулирования стока в верхнем бьефе.
В гидротехнической практике перемычки различают как по
материалу, так и по конструкции. Они бывают грунтовые, на-
бросные, сипайные и карабурные, свайные или шпунтовые, ря-
жевые, бетонные, ячеистые и др.
При выборе типа перемычки учитывают срок ее работы, вы-
соту, грунтовые условия основания, наличие тех или иных ма-
териалов и специфику местных условий, а также возможность
разборки и повторного применения ее отдельных элементов. Пе-
ремычки, особенно грунтовые, целесообразно вводить в состав
поперечного профиля и рассматривать как составную часть тела
плотины.
Поперечные перемычки обычно выполняют из грунта и рас-
сматривают как временные грунтовые плотины небольшой высо-
ты. Такие перемычки можно возводить на любом основании с ис-
пользованием любого грунта, в том числе и грунта из котлованов
сооружений.
Продольные перемычки чаще выполняют обжатого профиля
из-за ограничения площади под основанием. Работают они в ус-
ловиях воздействия продольных течений и сжатия потока, теку-
щего между перемычками. Указанные обстоятельства приводят
к подмыву основания перемычек, на что приходится обращать
особое внимание и принимать специальные защитные меры.
3.6.3. Осушение котлованов плотин
При возведении грунтовых плотин осушение котлованов поч-
ти неизбежно. Это ответственная работа, от которой в значитель-
ной степени зависит успех других строительных работ, а также
эксплуатационная устойчивость грунтовых сооружений. Особен-
но это относится к участкам плотины, перекрывающим русло-
вую часть водотока.
Насыпные плотины с искусственным уплотнением грунта
можно возводить только в сухом котловане.
Работы по водоотливу, производимые при помощи насосных
установок, разделяются на два этапа:
1) первичная откачка воды из котлована;
2) водоотлив для поддержания котлована сухим, пока в нем
возводится насыпь.
Поступление воды в котлован плотины происходит за счет
стока поверхностных вод и фильтрации через ограждающие пе-
ремычки, а также через боковые поверхности и дно котлована.
Для предотвращения этого применяют систему перехватываю-
щих устройств в виде нагорных канав, банкетов, размещае-
мых по склону па отметках, близких к отметке гребня плотины.
Дождевые осадки, поступающие непосредственно в котлован,
в пределах огражденного перемычками пространства собирают
системой открытых каналов и откачивают насосами. Среди ис-
точников поступления воды в котлован решающую роль играет
фильтрационный поток, так как сток за счет атмосферных осад-
ков, выпадающих в контуре перемычек, обычно невелик.
Котлованы грунтовых плотин осушают при помощи открыто-
го или грунтового водоотлива, т.е. местного искусственного по-
нижения уровня грунтовых вод посредством откачки воды из
глубоких колодцев.
Для неглубоких котлованов под грунтовые плотины проще и
экономичнее применять открытый водоотлив в виде открытых
каналов или дренажных устройств, перехватывающих грунтовый
поток. Открытый водоотлив необходим для начального осушения
котлована после выполнения перемычек, а также в случае аварии
ограждающих перемычек и последующего их восстановления.
Интенсивность понижения уровня воды в котловане при от-
качке на основе практических данных следует принимать в преде-
лах 0,2...0,6 м/сут. При большем значении высоты понижения
уровня могут последовать деформации перемычек и откосных
плоскостей котлована, потребуется повышенный расход электро-
энергии и более мощные насосы.
Для неглубоких котлованов применяют стационарные ус-
тановки с размещением насосов на перемычках или специаль-
ных площадках на уровне перемычек. При более глубоких кот-
лованах переходят к установкам с перемещением насосов на
опускающейся раме-косяке или к передвижным установкам
на понтонах, изменяющих свою высоту с изменением уровня
воды в котловане.
При осушении котлована открытым водоотливом по его внеш-
нему периметру устраивают открытые водоотводные канавы.
Вода, поступающая в эти канавы, стекает к водосборным колод-
цам, откуда ее насосами откачивают за пределы котлована.
При большой площади котлована, когда такие канавы не обес-
печивают отвод воды со всей поверхности, устраивают дополни-
тельную сеть более мелких собирательных канав, вода из которых
поступает в основную осушительную сеть. Водоотводные канавы
рекомендуется устраивать глубиной не больше 2 м, а ширину по
дну принимать не менее 0,3 м, назначая уклоны в соответствии
с неразмывающими скоростями.
Водосборные колодцы для удобства устройства и очистки долж-
ны иметь размер в плане не менее 1,5 х 1,5 м. Дно их заглубляют
ниже водосборных канав не менее чем на 1.. .2 м, что устанавлива-
ется из условия полного затопления сетки водоприемного шланга
при наинизшем уровне грунтовых вод в котловане. Стенки ко-
лодца крепят деревянными или металлическими шпунтовыми
сваями, а в неоплывающих грунтах можно устраивать колодез-
ный сруб или заборку из пластин за сваями. Дно колодца укреп-
ляют отсыпкой из щебня, чтобы предупредить захват частиц
грунта при откачке вследствие подсоса. В грунтах по боковым
поверхностям колодца и по дну следует укладывать обратные
фильтры.
Водоотводные каналы в устойчивых грунтах выполняют тра-
пецеидального сечения без крепления дна и стенок, в неустойчи-
вых стенки крепят, поэтому сечение канала выбирают прямо-
угольное.
Начальный объем котлована, подлежащий осушению, опре-
деляют как произведение площади территории, огражденной пе-
ремычками, на глубину, равную разности отметок уровня воды
в водотоке и дна котлована. Этот объем, разделенный на время
в секундах, определит расход, а с учетом высоты перекачки —
и мощность водоотливных средств. Принятая мощность проверя-
ется на удаление воды из котлована, поступающей за счет фильт-
рации.
Фильтрационной приток в котлован складывается из прито-
ка воды через перемычки, откосы котлована и его дно. Расход
воды, поступающей через грунтовые перемычки, определяют на
основе фильтрационных расчетов, приведенных для грунтовых
плотин. Приток воды через другие типы перемычек можно при-
нять равным: для двухрядной шпунтовой перемычки с заполне-
нием мелкозернистым песком — 0,005 м3/ч, для ячеистой —
0,02...0,025 м3/чна1 м2 напорной поверхности.
Поступление воды через откосы и дно котлована более точно
определяют на основе гидрогеологических расчетов, если для
этого имеются исходные данные.
Для ориентировочной оценки поступления воды в котлован
в стадии предварительных расчетов, если отсутствуют исходные
данные для гидрологических расчетов, можно использовать дан-
ные, рекомендуемые И.И. Кандаловым. По ним удельный рас-
ход притока на 1 м напора составляет: при мелких песках —
0,16 м3/ч, средних — 0,24, крупных — 0.30, при гравелистом
грунте с крупным песком —0,35м3/чна1 м2 площади котлована.
Расчеты по притоку воды в котлован и приведенные удельные
показатели являются очень условными. Отсюда производитель-
ность водоотливных средств может быть более точно установлена
только опытным путем. Учитывая переменность поступления
воды в котлован по времени, комплектовать водоотливные сред-
ства следует из нескольких агрегатов.
При глубоких котлованах с большой площадью, когда их борта
и .дно сложены из водоносных грунтов, осушение открытым водо-
отливом становится затруднительным. Тогда применяют грунто-
вой водоотлив. В этом случае по внешнему периметру котлована
вне пределов контура плотины закладывают глубокие г кважнны,
в нижнюю часть которых устанавливают фильтры. На дно сква-
жин опускают глубинные насосы, которые откачивают поступаю-
щую через фильтры грунтовую воду. В результате непрерывной
откачки воды из всех скважин уровень грунтовых вод в котловане
опустится ниже отметки его дна и продержится в течение всего пе-
риода строительных работ (рис. 3.63).
При грунтовом водоотливе уровень воды понижается по сфе-
рической поверхности во все стороны от места расположения
скважины. Так как глубина стояния грунтовых вод после откач-
ки не одинакова, расчет водопонижения ведут для наиболее по-
нижевной точки дна котлована, принимая вертикальное рас-
стояние в этом месте до сниженного уровня грунтовых вод не
меньше 0,5 м.
Грунтовой водоотлив наряду с полным осушением котлована
по всей поверхности предохраняет грунты основания от разрых-
ления, а откосы от оплывания и сползания. При необходимости
устойчивость откосе в котлована проверяют расчетом по методи-
ке, изложенной для определения устойчивости откос<) в плотины.
На маловодопроницаемых грунтах водоотлив малоэффекти-
вен, в этом случае для усиления действия работы скважин при-
меняют электроосутпение.
В настоящее время для искусственного понижения уровня грун-
товых вод в котлована х гидро-тел ни чес к их сооружени и широко ис-
пользуют иглофильтровые установки, принцип работы которых
такой же, как и для глубоких скважин. Иглофильтровые установ-
ки мелкого понижения (вакуумные) представляют собой линей-
ную систему часто расположенных фильтровых колодцев милого
диаметра, погружаемых методом подмыва ио контуру котлована.
и-п
При помощи одноярусных иглофильтровых установок уровень грун-
товых вод у скважин можно понизить до 5...6 м. При двухъярусном
расположении глубина понижения увеличивается в 1,5 раза и более
(рис. 3.64).
Рис. 3.64. Иглофильтровые установки для понижения уровня грунтовых вод:
а — одноярусная; б — двухъярусная; 1 — иглофильтр; 2 — дно котлована;
3 — уровень грунтовых вод
Наряду с раздельным способом осушения котлованов можно
применять и комбинированный способ. Так, для проницаемых
оснований грунтовых плотин, прорезаемых до водоупора зубом,
котлован осушают открытым водоотливом, а для траншей под
зуб — иглофильтровыми установками.
3.6.4. Подготовка основания плотин и ложа
водохранилища
Сопряжение подошвы плотины с основанием — ответствен-
ный этап при возведении насыпи плотины. От правильно выпол-
ненных работ по подготовке основания в значительной мере за-
висит устойчивость насыпи тела плотины. Ряд общетехнических
требований необходимо выполнить до начала основных работ по
укладке грунта насыпи независимо от того, указаны они в проек-
те или нет.
Территория, занимаемая плотиной, является строительной
площадкой и, следовательно, должна быть свободной от всего,
что мешает нормальному процессу ведения механизированных
работ. На этой площадке недопустимы какие-либо временные
постройки или склады строительных материалов.
Сначала строительную площадку очищают от всевозможной
растительности (деревьев, кустарника) и переносят строения, если
они попадают в эту зону. После этого удаляют все включения, ко-
торые могут повлиять впоследствии на устойчивость плотины или
увеличить фильтрационные потери воды из водохранилища (пни,
валуны, ранее забитые сваи, коммуникации, уложенные ниже по-
верхности земли, и пр.). Поверхностный растительный слой грун-
та снимают на глубину, предусмотренную проектом. Дерн, если
его можно использовать для крепления откосов, снимают лентами
и укладывают в штабеля за пределами строительной площадки
в зоне нижнего бьефа плотины. Все грунты основания, не отве-
чающие требованиям проекта, также удаляют и складывают в ка-
вальеры. Часто такие грунты залегают отдельными небольшими
линзами или расположены на небольших площадках, преимуще-
ственно в русле водотока.
После проведения подготовительных работ основание плотины
имеет изрезанную поверхность. Поэтому следующий этап подго-
товки основания — заполнение всех углублений маловодопрони-
цаемым грунтом или грунтом тела плотины. Учитывая разрыв во
времени между началом подготовительных работ по котловану и
укладкой грунта в насыпь, рекомендуется при выемке грунта из
котлована оставлять недобор 10... 15 см по сравнению с проектной
отметкой. Этот слой зачищают перед самой укладкой грунта в на-
сыпь, так как под действием атмосферных осадков он теряет свою
структуру и становится непригодным для основания.
В скальных грунтах верхний разрушившийся слой удаляют,
а склоны, сложенные из неразрушившегося грунта, промывают
струей воды под напором (для лучшего сопряжения с телом пло-
тины).
Перед началом укладки грунта в насыпь все углубления (шур-
фы, приямки) тщательно забивают грунтом, а до этого выполняют
обследование напластований грунтов основания для установления
их соответствия проекту. В случае отклонения фактической геоло-
гии от материалов ранее проведенных изысканий вызывают пред-
ставителей проектной организации для внесения коррективов.
Углубления забивают с тщательным трамбованием маловодо-
проницаемыми грунтами, предварительно откачав из них воду и
удалив разжиженный грунт.
Буровые скважины от установок для понижения уровня грун-
товых вод, а также скважины, выполненные для исследования
грунтов основания, тщательно тампонируют. Если затампониро-
вать скважины на низких отметках возведения плотины невоз-
можно, ствол таких скважин наращивают и закрывают при стати-
ческом уровне воды в трубах. Поскольку обсадные трубы таких
скважин остаются в теле плотины, грунт вокруг них уплотняют
с применением средств механизации или ручным трамбованием.
При наличии в основании родников их также тампонируют,
применяя для этого бездонные ящики с грунтом, подобранным
по принципу обратного фильтра.
Первый слой грунта насыпи укладывают на спланированное
основание с его предварительным рыхлением, а при недостаточ-
ной влажности грунта — с увлажнением. Рыхлят грунт на глу-
бину 10...15 смс тем, чтобы обеспечить более полное соединение
грунта основания с грунтом тела плотины.
Противофилътрационные устройства в основании плотин лучше
выполнять после того, как дно котлована выровнено и подготов-
лено для укладки грунта насыпи. Грунт из траншей противо-
фильтрационных устройств укладывают в тело плотины, разме-
щая его со стороны низового откоса.
В траншеях с креплением стенок все связи, установленные
перпендикулярно продольной оси, должны быть удалены. Сни-
мают их по мере того, как они оказываются на уровне уплотняе-
мого слоя. Оставлять какой-либо крепежный материал допуска-
ется только при условии обоснования его безвредности в период
эксплуатации плотины.
Ложе водохранилища под затопление подготавливают одно-
временное основными работами по устройству насыпи плотины.
До заполнения водохранилища водой ложе освобождают от леса,
кустарника и выполняют работы по санитарной подготовке. Кон-
тур водохранилища закрепляют знаками, которые служат ори-
ентирами при выполнении работ по подготовке чаши для затоп-
ления.
Санитарная подготовка ложа водохранилища включает в себя
следующие мероприятия, которые должны предохранить от за-
грязнения воду в водохранилище:
• очи щают зону затопления от навоза, соломы, строительного
мусора и остатков древесины, которые неизбежно остаются после
снесения жилых строений и сельскохозяйственных построек;
• засыпают колодцы, подвалы, смотровые колодцы водопро-
водной и канализационной сети и прочие искусственные углуб-
ления. Перед засыпкой их очищают от отложений, которые мо-
гут привести к загрязнению воды в водохранилище;
• очищают с последующей засыпкой выгребные ямы общест-
венного пользования;
• тампонируют действующие и бездействующие трубчатые
колодцы и артезианские скважины;
• обрабатывают территории кладбищ, скотомогильников или
переносят их на новые места.
Наиболее трудоемкой и вместе с тем наиболее ответственной
операцией подготовки ложа водохранилища является обработка
мест массового захоронения. Если такие места расположены на
склонах и можно ожидать обрушения или оползания, наиболее
целесообразно перенести захоронения на вновь отведенные уча-
стки за пределами водохранилища.
Все мероприятия по санитарной обработке водохранилища
предварительно согласуют с органами Государственной санитар-
ной инспекции, под контролем которой и проводят всю работу.
3.6.5. Разработка грунта в карьере, транспортирование
и укладка в тело плотины
Тело плотины отсыпается из грунтов, разрабатываемых в карь-
ере, а также в полезной выемке (например, в котловане под водо-
сбросное сооружение). При использовании для насыпи тела плоти-
ны грунта из полезной выемки необходимо совмещать рабочие
операции по разработке грунта с отсыпкой его в тело плотины для
наиболее производительного использования землеройных и зем-
леройно-транспортных машин.
Карьеры для добычи грунтов для отсыпки тела плотины за-
кладываются с учетом обеспечения:
• минимального расстояния перемещения грунта из выемки
в насыпь (в отдельных случаях может оказаться экономически
выгоднее разработать карьер на более удаленном расстоянии от
плотины, если грунты в нем обладают лучшими физико-механи-
ческими показателями);
• возможности использования современных, наиболее произ-
водительных землеройных и землеройно-транспортных машин;
• минимального объема слоя вскрыши карьера;
• максимального сохранения земляных участков (располо-
женных вне зоны затопления), пригодных для сельскохозяйст-
венного использования;
• наилучших сани арных условий в районе узла гидротехни-
ческих сооружений.
Карьеры наиболее целесообразно закладывать со стороны вер-
хового откоса на склонах коренных берегов водотока в пределах
зоны затопления, при этом расстояние от карьеров до подошвы
откоса должно быть не менее 50 м.
Во всех случаях при составлении баланса грунтовых масс сле-
дует учитывать возможность использования грунтов из выемок
водосбросного тракта (каналов, котлованов под сооружениями и
пр.) для укладки в тело плотины. И только в исключительных
случаях, когда грунты не удовлетворяют минимальным требова-
ниям, их вывозят и складывают в кавальеры в зоне нижнего бье-
фа. При использовании грунтов из выемок водосбросных трактов
их разработку следует вести с учетом транспортирования грунта
с низких отметок выемки на низкие отметки насыпи плотины.
Несоблюдение этого условия ведет к необходимости перемеще-
ния грунта с подъемом по высоте, что отразится на темпах работ
и производительности транспортных механизмов.
Для укладки в тело грунтовых плотин грунт доставляют:
1) непосредственно на карты укладки в плотины;
2) на участки в пределах контура плотины с последующим
перемещением и распределением по телу плотины.
В первом случае грунт распределяется по телу насыпи теми же
средствами, которые его доставляют. Во втором случае доставка
грунта производится одними средствами (например, железнодо-
рожным транспортом), а распределение по насыпи — другими
(скреперами, грейдерами и пр.).
В практике возведения грунтовых плотин средней и малой
высоты для транспортировки грунта наиболее удобны автома-
шины-самосвалы, тракторные тележки и скреперы. Для высо-
ких плотин при значительном удалении карьеров для перевозки
грунта используют составы по железнодорожным путям нор-
мальной и узкой колеи.
Выбор того или иного вида транспорта определяется как эко-
номическими, так и техническими соображениями: расстоянием
от карьера до плотины, высотным положением карьера, релье-
фом местности на пути перемещения, наличием транспортных
механизмов. Только учет всех этих факторов позволит правильно
подойти к выбору вида транспорта.
Ориентировочно при выборе вида транспортных средств мож-
но воспользоваться практическими данными. Для самосвалов
грузоподъемностью 3,5...10 т, наиболее распространенных при
возведении плотин малого и среднего напора, при погрузке
грунта в карьере одноковшовыми экскаваторами с емкостью
ковша 0,25... 1,25 м3 оптимальная длина транспортирования —
600...5000 м. При перемещении грунта тракторными тележка-
ми с погрузкой одноковшовыми экскаваторами дальность воз-
ки экономически оправдывается при расстоянии не более 800 м.
При скреперном перемещении грунта дальность транспортиро-
вания принимается 400...800 м, причем меньшее расстояние
относится к малоемким скреперам — 2,25...2,75 м’, большее —
к скреперам с емкостью ковша до 10 м3.
В гидромелиоративном строительстве значительное распро-
странение получили скреперы. Преимущество применения этих
механизмов заключается в том, что они наряду с экскавацией
грунта транспортируют его, укладывают и разравнивают в насы-
пях грунтовых плотин. Насыпи, выполняемые скреперами, об-
ходятся дешевле насыпей, выполняемых другими способами, и
требуют меньше рабочих.
Количество транспортных единиц для доставки грунта к пло-
тине выбирается в зависимости от производительности землерой-
ных машин, работающих в карьере, а количество последних
определяется общими объемами земляных работ и плановыми
сроками строительства.
^кладка грунтов в тело плотины допускается лишь после
forQ, как окончены все работы, связанные с подготовкой осно-
нан,гя, и возможность дальнейших работ подтверждена актом
скрытые работы, составленным специальной комиссией.
Насыпи грунтовых плотин с искусственным уплотнением воз-
цодат способом продольной отсыпки грунта по всей площади пло-
Тин,и соответствующими по высоте слоями. Если площадь очень
ВелИка, ее разбивают на отдельные участки-карты, в пределах ко-
f°p\x и укладывают грунт. Размеры карт назначают равновели-
вимц из условия удобства производства работ.
Н состав работ по возведению плотины входят:
укладка грунта в насыпь заданными по высоте слоями;
разравнивание;
выстаивание грунта для получения оптимальной влажности;
уплотнение.
^Гри способе продольной отсыпки грунт доставляется транс-
1<°Р^ными средствами на карты и равномерно распределяется по
^се<* площади. Пути движения транспорта, доставляющего грунт,
1*асг>олагают по заранее составленным схемам, чтобы груженый и
х1ОР^жний потоки не пересекались, а по пути движения машины
Дополнительно уплотняли уложенные слои грунта. Доставленный
разгружают на рабочих участках-картах в виде полос, рас-
положенных вдоль оси, после чего его разравнивают и придают
СЛО1Ъ небольшой уклон в сторону верхнего бьефа для отвода атмо-
с^Ьных осадков. Разравнивание грунта производится бульдозе-
грейдерами, а при доставке скреперами — ими самими.
^олщина слоя грунта в насыпи зависит от типа уплотняющего
р,ехЧнизма и степени уплотнения. Она должна быть одинаковой
I10 всей карте. Несоблюдение этого условия приводит к неравно-
>*еР^ому уплотнению грунта. Поэтому нужно следить, чтобы ра-
iiee Уплотненный слой представлял собой плоскость с небольшим
),клЪном в сторону верхнего бьефа. Контроль за правильностью
<’ТС1Чпки осуществляют при помощи мелкого шурфования (с за-
г,еРЪм толщины насыпанного слоя) или погружения металличе-
с'когч> щупа в свежеуложенный слой до уплотненной поверхности
предыдущего слоя: величина погружения должна быть одинако-
во всех точках.
Уплотнение грунта насыпи обеспечивает большую устойчи-
вость плотины, ее минимальную осадку и уменьшает водопрони-
цаемость.
Для уплотнения применяют машины статического, динами-
ческого и вибрационного действия. Для связных грунтов целесо-
образны машины статического действия, к числу которых от-
носятся катки гладкие, шиповые и на пневматических шинах.
Основным показателем работы катка является его вес и удельное
давление на грунт, которое для шиповых катков выражается дав-
лением, приходящимся на 1 смг площади шипа, а для катков
с гладкими вальцами и на пневмоколесном ходу — на 1 пог. см
ширины вальца или протектора шины.
Прицепные шиповые катки — это своего рода разновидность
гладких катков, отличающихся наличием на цилиндрической по-
верхности выступов (шипов-кулачков). Эффективность уплотне-
ния грунта катками во многом зависит от состояния их очистных
приспособлений для удаления налипающего грунта. В гладких
катках очистка производится сплошным металлическим ножом,
расположенным по образующей цилиндра, а в шиповых катках
металлическими скребками-гребенками.
По сравнению с гладкими и шиповыми катки на пневмоколес-
ном ходу обладают рядом преимуществ, к числу которых отно-
сятся:
• большая продолжительность времени действия нагрузки
вследствие эффекта сжатия шин;
* увеличенная площадь контакта шин с грунтом, благодаря
чему грунт уплотняется на большую глубину;
• возможность регулирования передаваемого на грунт напря-
жения путем изменения давления воздуха в шинах.
Указанные преимущества позволили каткам этого типа за-
нять ведущее место в работах при уплотнении насыпей любого
назначения.
Следует отметить, что самоходные катки применяются редко
из-за затруднений, возникающих при первых проходах посвеже-
насыпанному слою и неэкономичности использования двигателя
машины.
Для уплотнения несвязных грунтов применяют катки на пнев-
моколесном ходу и снаряды ударного действия — трамбующие
плиты. Уплотнение трамбующими плитами целесообразно произво-
дить при статической нагрузке плиты на грунт 0,025...0,030 МПа
и высоте падения 1,65...2 м. Преимущество трамбующих плит со-
стоит в том, что они уплотняют грунт значительной толщины и
могут работать на малых участках насыпи, где уплотнение маши-
нами поступательного движения невозможно.
Грунты, обладающие минимальной связностью и хорошей
подвижностью, плохо поддаются уплотнению машинами стати-
ческого действия. Для таких грунтов чаще используют машины
вибрационного действия.
В начальной стадии возведения плотин для определения опти-
мальных условий уплотнения грунта в лабораторных условиях
или на малоответственных участках основания проводят опыт-
ное уплотнение, что дает возможность уточнить высоту уплот-
няемого слоя, количество проходов механизмов по одному следу,
влажность грунта.
Показателем достаточности уплотнения является сравнение
фактической плотности грунта с контрольной плотностью, уста-
навливаемой проектом.
Пробы грунта берут по всей уплотняемой площади по заранее
разбитым поперечникам. Если по данным полевой лаборатории
окажется, что грунт имеет плотность меньше контрольной, то со-
ответствующий участок нужно дополнительно уплотнить. Если
влажность грунта окажется менее оптимальной, грунт дополни-
тельно увлажняют, а если больше — подсушивают.
Чтобы обеспечить монолитность насыпи и более плотное соеди-
нение укладываемых слоев грунта, поверхность нижнего уплот-
ненного слоя перед укладкой на него следующего разрыхляют.
Для предотвращения образования в поперечном направлении
плотины сквозных гладких поверхностей, получающихся после
уплотнения, а также исходя из удобств производства работ, на-
правления движения уплотняющих механизмов назначают вдоль
продольной оси плотины. Уплотнение катками ведут с перекры-
тием полос на ширину 15...20 см, причем первая полоса укатки
расположена со стороны откосов, а каток движется по кольцевой
системе.
В плотинах небольшой длины, где поворот машины невозмо-
жен, применяют челночную схему движения катков. В этом случае
тяговый механизм в конце участка отцепляют от катка и прикре-
пляют к нему с другой стироны. Не уплотненные катками участ-
ки насыпи в примыкании к берегам уплотняют другими средст-
вами, например, трамбующими плитами.
Особое внимание следует уделять уплотнению грунта в тран-
шеях под зуб и в примыканиях к бетонным сооружениям. На
этих участках зачастую из-за их малой ширины применение кат-
ков невозможно. Уплотняют такие участки трамбовочными ме-
ханизмами, а в отдельных случаях ручным трамбованием.
При использовании катков, работающих по горизонтальным
поверхностям, обеспечить уплотнение полос, примыкающих к от-
косам, практически невозможно. В силу этого насыпь тела плоти-
ны приходится расширять против проектных размеров для по-
следующей срезки неуплотненного слоя грунта на поверхности
откоса. Уплотнение грунта контролируют по величине плотности
грунта, которая в насыпи не должна быть меньше проектной.
Обычно грунты уплотняют до плотности 1,7. ..1,9 т/м*.
Для контроля за уплотнением грунта в теле насыпи сущест-
вуют ряд методов: режущих колец, динамического зондирова-
ния, электроемкостный, УкрДОРНИИ, НИИмосстроя, радио-
активных изотопов и др. Каждый из указанных методов имеет
свои достоинства, недостатки и ограничения в применении ис-
ходя из разновидностей грунтов и их состояния.
Степень уплотнения грунта в теле плотины контролируют пу-
тем определения в лаборатории плотности проб грунта, взятых из
каждого уплотняемого слоя в вершинах квадратов со стороной
20...40 м. При высоких темпах возведения насыпи для ускорения
контроля применяют различные плотномеры, позволяющие опре-
делять плотность грунта непосредственно на месте укладки.
Частное от деления массы извлеченного из лунки грунта на
его замеренный объем дает плотность влажного грунта. Затем по
стандартному методу определяю! влажность грунта, после чего
вычисляют плотность скелета грунта и сравнивают с проектным.
Другие методы дают требуемые показатели быстрее упомяну-
тых, но чаще применяются для несвязных грунтов. Определение
по приборам требует их тщательной тарировки для каждой раз-
новидности грунта.
25 М в Нгстерш,
Величину уплотнения грунта определяют исходя из компрес-
сионных свойств грунта и высоты насыпи. Так как нагрузка (вес
вышележащего грунта) в разных частях по высоте плотины раз-
ная, то и степень уплотнения грунта задают различную в зависи-
мости от ожидаемого напряжения в грунте.
Разделяя плотины по высоте на слои толщиной 5...8 м, опре-
деляют наибольшую нагрузку на подошве каждого слоя:
Д ^2=Уг^2’ =Уз^з5 =Уя\» (3.116)
где ур у2, у3, ..., у„ — соответственно плотность грунта в первом,
втором, третьем, n-м слое; Лп Л2, Л3, ..., Л„ — глубина подошвы
соответственно первого, второго, третьего, ..., n-го слоя, считая
от гребня плотины.
В соответствии с нагрузкой Р по компрессионной кривой на-
ходят коэффициент пористости е и определяют заданную плот-
ность грунта для каждого слоя:
У. =У.(1-л). (3.117)
где у, — плотность твердых частиц грунта; п — относительная
пористость грунта.
Имея коэффициент пористости грунта е, снимаемый с ком-
прессионной кривой, пористость грунта определяют по формуле
п~—. (3.118)
1+е
На уплотнение грунта существенно влияет его влажность. Та
влажность, при которой достигается максимальное уплотнение
при минимальной затрате работы уплотняющих механизмов, на-
зывается оптимальной. Например, для суглинка при уплотне-
нии шеститонным катком оптимальную влажность уменьшают,
а для легких грунтов повышают.
По данным Ленгипроводхоза, оптимальная влажность нахо-
дится в следующих пределах, %:
• песчаных грунтов — 8.. .12;
• супесей—9...15;
• суглинков средних — 13...20;
• глин—20...23.
С повышением влажности количество затрачиваемой на уп-
лотнение работы возрастает, а при влажности, близкой к полной
влагоемкости, грунт не уплотняется. В приложении 13 приведе-
ны значения предельной плотности грунтов и их оптимальной
влажности.
Сухой грунт для получения оптимальной влажности дополни-
тельно увлажняют одним из двух способов. В первом случае во-
дой из автоцистерн или каких-либо других приборов поливают
поверхность уплотняемого слоя, а во втором грунт увлажняют
непосредственно в карьере. Карьерное увлажнение производят
напуском воды на карты, обвалованные небольшими валиками
земли, или подают воду в специально для этой цели пробуренные
скважины. Кроме того, используют разбрызгиватели, присоеди-
ненные к водопроводным трубам. Увлажнение грунта в карьере
позволяет получить равномерное смачивание всего грунта, об-
легчить его разработку и увеличить фронт работ на месте уклад-
ки грунта. Поэтому, если грунт можно увлажнять в карьере, этот
способ и следует применять.
Более точное регулирование влажности грунта получается
при комбинированном способе: предварительно грунт замачива-
ют в карьере, а на месте укладки дают дополнительный полив.
В тех случаях, когда уплотняемые слои грунта на карте имеют
повышенную влажность, его подсушивают с помощью естест-
венного испарения. Время, необходимое для подсушки, устанав-
ливают при проведении опытного увлажнения или по данным
грунтовой лаборатории для уплотняемых слоев.
Откосы в траншеях, а также в других выемках, включая и
котлованы под различные сооружения, выполняют более кру-
тыми по сравнению с откосами, применяемыми в эксплуатаци-
онных условиях. Необходимый коэффициент заложения при
наличии благоприятных гидрологических условий (естествен-
ной влажности, однородности сложения грунтов и отсутствии
грунтовых вод) можно принять по табл. 3.43.
При глубине выемок свыше 5 м крутизну откосов проверяют
па основе расчетов. Грунт, вынутый из котлованов и траншей,
если он не перемещается в кавальеры, укладывают за пределами
призмы обрушения.
Таблица 3.43
Значения заложения откосов котлованов и выемок при различных
глубинах выемки, м
Вид грунта Угол между направлением откоса и горизонталью, град. Коэффициент заложения
<1,5 1,5...3 3...5 <1.5 1,5...3 3...5
Насыпной 76 45 38 0,25 1,00 1,25
Песчаный и гравийный (ненасыщенный) 63 45 45 0,50 1,00 1,00
Супесь 76 56 50 0,25 0,67 0.85
Суглинок 90 63 53 0,00 0,50 0,75
Глива 90 76 63 0,00 0,25 0.50
Лёссовый 90 63 63 0,00 0,50 0,50
3.6.6. Устройство понурое, экранов и ядер
Понуры, экраны и ядра как противофильтрационные элемен-
ты плотин, обеспечивающие повышенную устойчивость низово-
го откоса и снижающие фильтрационные потери воды, необходи-
мо выполнять особенно тщательно. Это относится как к подбору
грунтового материала, так и к выполнению работ по укладке и
уплотнению. Противофильтрационные устройства, как правило,
имеют небольшие размеры в ширину, поэтому малейшее отступ-
ление в технологическом процессе поведет к снижению эффек-
тивности их работы.
Технология укладки грунта в противофильтрационные эле-
менты остается такой же, как и при устройстве насыпи тела пло-
тины, но требования при производстве работ должны быть повы-
шенными.
Глубина котлована для понуров бывает небольшой и заглубле-
ние его дна определяется мощностью растительного слоя, кото-
рый удаляют перед закладкой. Дно котлована предварительно
планируется для придания ему однообразного уклона. При нали-
чии резких переходов по поверхности котлована делают пологие
откосы с заложением 1:4 или более. Все местные углубления по
дну котлована засыпают маловодопроницаемым грунтом и уп-
лотняют. После выполнения всех работ по котловану начинают
укладку грунта.
Работы по устройству понурое ведут независимо от укладки
грунта в тело плотины, но перед началом возведения экрана понур
должен быть полностью закончен. Если местные условия не позво-
ляют сделать это, то понур в той части, где он примыкает к плоти-
не, возводят в первую очередь. В тех случаях, когда объемы работ
по понуру очень большие и не представляется возможным произ-
водить работы по всей площадке, допускается возведение понура
по частям. Сначала выполняют участок понура, примыкающий
к экрану, а затем укладывают остальную его часть. Стык двух
участков понура выполняют в виде откоса с пологим заложением
не круче 1:2.
Законченные участки понура для предохранения их от де-
формаций за счет атмосферных воздействий и механических по-
вреждений в ходе строительных работ (движение механизмов,
транспорта, людей и пр.) защищают слоем песчаной присыпки
толщиной не меньше 1 м, уложенной по поверхности понура.
В пределах понура (как в процессе укладки грунта, так и по-
сле) не допускается устройство временных сооружений, складов
различных материалов, эстакад и построек, опирающихся на
сваи, прорезающие толщу понура. Последующая заделка отвер-
стий, остающихся после удаления свай, не может гарантировать
монолитности понура. В этих местах не исключена возможность
появления очагов выхода напорного фильтрационного потока.
В экран грунт укладывают после того, как полностью возведе-
но тело плотины. Допускается укладывать экран и при незакон-
ченной плотине, но в этом случае наращивание высоты плотины
в ходе ее возведения должно все время опережать наращивание
высоты экрана (рис. 3.65).
Следует, однако, отметить, что первая схема более приемлема
с точки зрения производства работ, так как перед укладкой экра-
на неуплотненные полосы грунта по откосу будут срезаны, а сам
откос спланирован. Во второй схеме срезка неуплотненного грун-
та по откосу затруднительна и, кроме того, всегда есть опасность
засорения экрана грунтом тела плотины.
Грунт в экран укладывают горизонтальными слоями неболь-
шой толщины с последующим уплотнением. При широкой поло-
се экрана (по горизонтали) уплотнение ведут катками. Когда же
ширина экрана не обеспечивает движения транспорта с катком,
применяют трамбовки.
В плотинах с экраном и понуром, в которых экран является
продолжением понура, особое внимание следует уделять плоско-
стям сопряжения, тем более, если в производстве работ по ка-
ким-либо причинам был перерыв во времени. Для защиты экрана
от внешних воздействий и деформаций, неизбежных при высы-
хании глинистых грунтов, проектом предусматривается грунто-
вая пригрузка. Работы по выполнению этой пригрузки должны
следовать за укладкой грунта в экран с допустимым отставанием
по высоте не более 1...2 м. Механизмы для уплотнения пригруз-
ки выбирают в зависимости от грунта и условий работы.
Рис. 3.65. Последовательность укладки грунта в плотину с экраном:
1 — тело плотины; 2 — экран; 3 — пригрузка
Ядро в грунтовых плотинах возводят с некоторым отставанием
от возведения плотины. Процесс укладки грунта в ядро аналогичен
процессу укладки грунта в насыпь. Здесь также соблюдается по-
слойная горизонтальная укладка и уплотнение грунта при влажно-
сти, близкой к оптимальной. Границы ядра при каждом уклады-
ваемом слое отмечают временными знаками.
Одновременная работа по укладке грунта в плотину и ядро
создает опасность засорения последнего. Поэтому нельзя прокла-
дывать пути движения транспорта по ядру для подвозки грунта
в тело плотины. В местах переезда через ядро перед укладкой
очередного слоя грунта следует удалять верхнюю корку, так как
она неизбежно будет засорена грунтом тела плотины. Количество
переездов через ядро по возможности следует сокращать, а при
доступности подвозки грунта с обеих сторон ядра такие переезды
лучше не устраивать.
При распределении и уплотнении грунта на стыке ядра с боко-
выми призмами плотины нужно особенно тщательно контроли-
ровать производство работ.
3.6.7. Строительство насыпных грунтовых плотин в зимних
условиях
Возводить насыпные грунтовые плотины зимой можно только
из талого грунта. Мерзлые комья, попав в тело сооружения, от-
таивают, а на их месте образуются облегченные пути фильтрации
воды. В результате могут возникнуть фильтрационные деформа-
ции грунта, что приведет к недопустимым осадкам сооружения.
Зимой насыпные сооружения возводят непрерывно с такой
интенсивностью работ в карьере и при укладке в тело, чтобы
грунт не успевал промерзать до его искусственного уплотнения.
Подготовку основания производят в безморозный период.
Зимой рекомендуется применять грунты с влажностью, мень-
ше оптимальной. Это требует дополнительного числа проходов
уплотняющей машины по одному следу и вызывает некоторое
удорожание уплотнения.
Технология возведения грунтовой плотины зимой зависит от
температуры, длительности морозного периода, вида и влажно-
сти грунтов.
При температуре до -5...-10 °C разработку грунта в карьере и
его укладку в тело сооружения ведут одновременно. Для уменьше-
ния возможности промерзания грунт отсыпают на карты меньших
размеров, чем летом, но более толстым слоем. Мерзлые комья
грунта удаляют бульдозером, оборудованным специальным но-
жом.
При морозах более 10 °C насыпи возводят из засоленных грун
шов. Грунт засоляют либо в карьере, либо на карте укладки. Для
этого применяют техническую соль хлористого кальция или на-
трия с размерами отдельных зерен не более 5 мм. При засолении
грунта в карьере его рыхлят, посыпают солью (1...3 %), переме-
шивают, разрабатывают и перемещают в насыпь, а на карте ук-
ладки при разравнивании грунт и соль перемешивают дополни-
тельно. На карте укладки грунт засоляют иначе. Доставленный
на карту незасоленный грунт разравнивают бульдозером, поли-
вают раствором соли и перемешивают боронованием, а затем уп-
лотняют [11]. При температуре наружного воздуха до -20 °C кон-
центрированный раствор приготовляют из поваренной соли из
расчета 270 кг соли на 1 м3 воды, а при более низкой температу-
ре — из хлористого кальция (370 кг на 1 м3воды).
В период снегопадов работы приостанавливаются до прекраще-
ния снегопада, после чего снег убирают и работы возобновляют.
Институтом «Горьковоргтехводстрой» разработан наклонный
способ отсыпки грунта для строительства грунтовых низкона-
порных плотин IV класса в зимний период [37]. Подготовитель-
ные работы проводятся в летне-осенний период. Разработка,
транспортировка и отсыпка грунта в тело плотины производится
в основном скреперами. В зависимости от высоты и профиля пло-
тины ее отсыпку осуществляют сразу на всю высоту или по яру-
сам. Каждый ярус разбивают на отдельные призмы, которые от-
сыпают наклонными (заложением 1:6) слоями-картами. Процесс
отсыпки ведется непрерывно. Карта отсыпки должна перекры-
ваться следующим слоем грунта до начала его промерзания, по-
этому размеры карт назначают в зависимости от интенсивности
отсыпки грунта и температуры воздуха. Карта делится на два
участка. На одном грунт принимают и разравнивают, на другом
в это же время его уплотняют. Затем операции меняют местами.
Рекомендуемая толщина отсыпаемого слоя 0,2 м.
Применение наклонного способа позволяет в зимний период
качественно отсыпать грунтовые плотины без значительных от-
клонений от летней отсыпки, повысить коэффициент пользова-
ния землеройно-транспортной техники, значительно или полно-
стью сократить разработку и удаление промерзшего грунта на
плотине, уменьшить материальные и трудовые затраты.
В заключение следует отметить, что возведение грунтовых на-
сыпей в зимний период требует дополнительных затрат и прибе-
гать к ним следует лишь там, где это оправдано технико-эконо-
мическими расчетами.
Основы эксплуатации грунтовых плотин
3.7.1. Обшие вопросы эксплуатации сооружений
гидроузла
Эксплуатацию грунтовых плотин следует рассматривать в не-
разрывной связи с эксплуатацией всех сооружений, входящих
в гидротехнический узел.
Эксплуатация гидротехнических сооружений водохранилищ-
ных узлов на местном стоке решает две основные задачи:
• обеспечить подачу воды из водохранилища в соответствии
с установленным графиком потребления;
• поддержать сооружения узла в рабочем состоянии.
Указанные задачи следует рассматривать как единый ком-
плекс эксплуатационных мероприятий, благодаря которым узел
сооружений эксплуатируется в целях рыбоводства, водоснабже-
ния, обводнения, гидроэнергетики и др.
Забор воды из водохранилища и подача ее потребителю —
первая задача эксплуатации узла — представляют предмет само-
стоятельного рассмотрения и здесь не приводятся, так как непо-
средственного отношения к грунтовой плотине не имеют. Вторая
задача эксплуатации узла, которая и рассматривается ниже, яв-
ляется технической и заключается в поддержании грунтовой
плотины в рабочем состоянии. Эго достигается регулярными на-
блюдениями за плотиной, своевременным выявлением причин,
которые могут привести к тем или иным деформациям, ликви-
дацией этих причин, устранением происшедших разрушений,
а также заменой отдельных элементов в плотине вследствие из-
носа материала.
Деформации грунтовых плотин, как указывалось выше, могут
быть допустимыми и недопустимыми. Первый вид деформаций
предусматривается проектом и подтверждается соответствующи-
ми расчетами (например, деформации тела плотины в результате
осадки основания). Второй вид деформаций может быть следстви-
ем некачественных строительных работ, результатом нарушения
технологического процесса, применения материалов, не соответ-
ствующих условиям работы, нарушения предписанного эксплуа-
тационного режима работы сооружений, превышения фактиче-
ских силовых воздействий над принятыми в проекте, а также
уменьшения реактивных сил.
Опыт эксплуатации гидротехнических сооружений показыва-
ет, что любые деформации, включая и аварийные, не возникают
неожиданно. Им предшествует накопление ряда причин, которые
путем наблюдений за состоянием сооружения могут быть заранее
выявлены. Поэтому почти любую деформацию можно предупре-
дить эксплуатационными мероприятиями или в крайнем случае
ограничить размерами, неопасными для устойчивости всего со-
оружения. В последующем такие деформации легко ликвидируют
и сооружения вновь приводят в устойчивое состояние. Но для это-
го необходимо знать причины, ведущие к снижению устойчиво-
сти сооружения, и способы их устранения.
Эксплуатационный период грунтовой плотины начинается
с момента ее приемки от строительной организации специаль-
но назначенной приемочной комиссией (для крупных объек-
тов — правительственной, для мелких — межведомственной).
Приемочная комиссия обычным актом фиксирует соответствие
выполненных работ проекту и испытывает работу сооружений
узла во всех режимах, предусмотренных для эксплуатационного
периода. На те элементы сооружений, которые в момент прием-
ки не могут быть освидетельствованы комиссией, строительная
организация предъявляет акты на скрытые работы, подтвер-
ждающие выполнение скрытых частей в соответствии с проек-
том или теми изменениями, которые были внесены в процессе
производства работ. В тех случаях, когда комиссия во время ра-
боты не может провести рабочее испытание сооружений узла,
окончательная приемка производится позднее, когда сооруже-
ния могут принять на себя расчетные нагрузки. Обычно это отно-
сится к периоду пропуска весеннего паводка. Вся техническая до-
кументация, включая и исполнительные чертежи сооружений,
предъявленная приемочной комиссии, затем передается службе
эксплуатации для дальнейшего руководства в проведении всех
работ.
Важную роль в обеспечении устойчивости и надежности работ
сооружений гидроузла — плотин, дамб, каналов, берегов и скло-
нов водоема — имеет интенсивность наполнения и сработки ем-
кости водоемов. Темп сработки верхних и средних слоев водоема
не должен превышать 0,3 м/сут, низших слоев — 0,5 м/сут.
Придонные (глубинные) слои можно срабатывать более интен-
сивно — до 1 м/сут.
Интенсивность наполнения водоема также должна контро-
лироваться. Чтобы не создать недопустимых градиентов напо-
ра на отдельных участках фильтрационной области и обеспе-
чить более равномерную нагрузку на конструкции сооружений,
рекомендуется средние слои водоема наполнять со скоростью
0,5... 1,0 м/сут, верхние — 0,25...0,5 м/сут, а самые верхние
2...3 м со скоростью 0,05...0,1 м/сут. При зимней эксплуатации
водоема не следует допускать низкой сработки уровня в верхнем
бьефе, чтобы не создавать образование дополнительных ледовых
нагрузок, нагрузок от сил морозного пучения и температурного
трещинообразования.
Наиболее опасный период для устойчивости грунтовых пло-
тин — период весеннего половодья, когда по водосбросному трак-
ту пропускают максимальные расходы. В это время чаще возмож-
ны деформации сооружений узла, особенно грунтовых плотин,
так как они испытывают максимальную, а в отдельных случаях и
предельную нагрузку. Отсюда понятно то повышенное внимание,
какое уделяется подготовке сооружений узла к пропуску паводка,
и особенно тщательное наблюдение за состоянием отдельных час-
тей сооружений.
Успешный пропуск паводковых вод может быть обеспечен
только в результате комплекса подготовительных мероприятий,
организационных и технических, разработанных и осуществлен-
ных до начала паводка. Организационная сторона этих меро-
приятий состоит:
• в своевременной доставке аварийного запаса строительных
материалов, инструментов;
• вскрытии резерва талого грунта;
• опробовании в работе затворов, освещения;
• формировании дежурных бригад на период пропуска па-
водка.
Сюда же следует отнести получение от местных управлений
Гидрометеослужбы прогноза на паводок. Если ожидается боль-
шой паводок (малой обеспеченности), можно заранее сработать
уровень воды в водохранилище, чем увеличить регулирующую
емкость, срезать пик паводка и сдвинуть его во времени.
Техническая сторона подготовительных мероприятий сосюит
в выполнении необходимых ремонтных работ по узлу сооруже-
ний, устройстве майны по линии стыка ледового покрова с верхо-
вым откосом, расчистке всех сооружений водосбросного тракта
от снега и наледи. Все работы, связанные с освобождением водо-
сбросных сооружений от снега, проводят заблаговременно — до
наступления притока воды в водохранилище.
Укоренившееся мнение, что перед пропуском паводка доста-
точно выполнить по водосбросному тракту пионерную траншею
в толще снежных заносов, надо признать технически необосно-
ванным. Опыт показывает, что смыв снежной толщи, обычно
уплотненной к весне, потоком воды, проходящим пи пионерной
траншее, продолжается длительное время и заканчивается позд-
нее. чем максимальные расходы проходят по тракту. Недостаточ-
ная пропускная способность сооружений водосбросного тракта
влечет повышение уровня воды в водохранилище против расчет-
ного, следствием чего может быть перелив через гребень плотины.
В водохранилищах со значительной регулирующей емкостью пе-
релива воды через гребень может и не быть, но плотина в этом
случае будет находиться в условиях, не отвечающих расчетным.
Следовательно, это и есть причина потери устойчивости и разру-
шения.
Подъем уровня воды в водохранилище выше отметки ФПУ
проходит за счет притока воды с расходом меньшей расчетной
обеспеченности. Случай это редкий, но возможный, особенно для
плотин низкого класса, для которых расчетная обеспеченность
максимальных расходов сравнительно большая.
В исключительных случаях дополнительный приток воды
в водохранилище может произойти за счет разрушения выше-
расположенной плотины, в результате чего происходит быстрое
повышение уровня воды, ее перелив через гребень и разрушение
плотины. А это. в свою очередь, ставит под угрозу и все ниже-
расположенные плотины, водохранилища которых не в состоя-
нии вместить в себя такое количество воды. Поэтому, когда на
водотоке возводится цепь водохранилищ, эксплуатация грунто-
вых плотин и водосбросных трактов требует повышенного вни-
мания для предупреждения аварий.
Сооружения водосбросного тракта в водохранилищных узлах
на местном стоке обычно не рассчитывают на пропуск по ним
льда из верхнего бьефа в нижний. Для этого в пределах подводя-
щего капала перед шлюзом-регулятором, а в автоматических во-
досбросах перед головным сооружением предусматривают ледо-
защитные устройства. Такие устройства — запони — свободна
пропускают воду, задерживая лед и другие плавающие тела. Ле-
довый покров остается в водохранилище и постепенно тает.
3.7.2. Эксплуатационные наблюдения за состоянием
плотин
Эксплуатационные наблюдения за грунтовыми плотинами де-
лятся на визуальные и инструментальные. В их задачу входят
наблюдения за режимом водохранилища и обоими бьефами, де-
формациями, состоянием облицовок и креплений, фильтрацией
через сооружение и его основание, участком береговых примыка-
ний, общим состоянием плотины.
Визуальные наблюдения, под которыми понимают общий
осмотр сооружений с применением самых простейших изме-
рительных приборов, заключаются в глазомерной оценке яв-
лений и записи их в специальные полевые журналы. Непре-
менным условием визуальных наблюдений при эксплуатации
гидротехнических сооружений, наряду с записями, являются
эскизные зарисовки деформированных участков с указанием
размеров, высотной и плановой привязкой к пикетажу или ка-
ким-либо постоянным знакам, а при возможности и фотогра-
фирование.
В процессе наблюдений за деформациями грунтовых плотин
обращают внимание на их общее состояние (размывы, осадки,
просадки, оползни, трещины, подвижки грунтовых масс, состоя-
ние примыканий и т.п.) и местные деформации. При описании их
характера в журнале наблюдений следует пользоваться следую-
щей терминологией [18]:
• обвал — отрыв и падение отдельных масс грунта под воз-
действием дополнительных нагрузок;
• оползень — оползание масс грунта, обычно по контакту
разнородных слоев (глинистых), смоченных водой;
• оплывы — оползание грунта под влиянием сильного насы-
щения водой;
• осыпь — оползание или осыпание сухого сыпучего грунта
откосов или крупных склонов;
• трещина — разрыв грунта на поверхности сооружения вслед-
ствие неравномерной его осадки, возникновения обвалов, оплы-
вов, оползней или от действия внешней нагрузки;
* борозда — смыв грунта с откосов потоками дождевой воды;
• просадка — образование местных впадин на поверхности
сооружения из-за местного уплотнения грунта или его суффозии;
• просадочная трещина — то же, что и общая трещина, но
обусловленная просадкой;
• выпор — местный подъем грунта в теле грунтового соору-
жения или у его основания под давлением сооружения и фильт-
рационного потока;
• пучение — местный подъем водонасыщенного разуплот-
ненного грунта, вызванный его промерзанием и оттаиванием;
• размыв — смыв грунта с откосов или горизонтальных уча-
стков текущей водой;
• полоса прибоя — граница смыва грунта под воздействием
волн;
• полоса навала льда или плавающих тел — смещение грун-
та под воздействием льда или плавающих тел на склонах или от-
косах .
Состояние крепления верховых откосов определяют по за-
зорам между камнями, просадкам крепления, деформациям и
разрушениям плит, расхождениям и деформациям швов, опол-
заниям или перемещениям плит и т.п. Низовые откосы характе-
ризуются состоянием травяной растительности, повреждения-
ми землеройными животными, размывами и деформациями.
При визуальных наблюдениях обращают внимание на состоя-
ние ливнесбросной сети. Возможно ее засорение, заиление, зарас-
тание, разрушение, деформация лотков, кюветов и водосбросных
канав. Наличие открытых трещин, подвижек и других деформа-
ций. а также засорение лотков, расположенных на откосах, во
время ливня приводит к попаданию на откосы сосредоточенных
токов воды, движущихся с большими скоростями, к значитель-
ным размывам, а иногда и разрушениям элементов сооружения.
Кроме того, могут происходить осадки обратных засыпок, пазух
устоев, зон контакта грунтовых и бетонных частей сооружений.
Важно также осмотреть контрольно-измерительную аппаратуру
(К11А), пикеты, створные знаки, другие контрольные приспособ-
ления и устройства, используемые при наблюдении и исследова-
ниях, определить состояние канав, отводящих дренажные воды,
берегов, оврагов в районе гидроузла. В некоторых случаях в этих
местах возникают явления, вызванные фильтрационным потоком
и отрицательно влияющие на работу отдельных элементов соору-
жений.
Наблюдения за фильтрацией очень важны для контроля проч-
ности и устойчивости отдельных элементов грунтовых плотин.
К наиболее опасным явлениям, которые могут быть зафиксиро-
ваны при визуальных наблюдениях, относятся:
• выход фильтрационных вод на откос, в береговых примы-
каниях, выше дренажных устройств (дренажной призмы);
• выпор грунта из-под сооружения за низовым откосом;
• появление мутной профильтровавшейся воды из основания
в нижний бьеф;
• ощутимые просадки, образуемые в зонах усиленной суф-
фозии;
• образование значительной фильтрации в виде свищей, гри-
фонов, ключей и т.п.
При определении характера внешней фильтрации пользуются
следующими понятиями [18]:
* мокрые пятна — слабая фильтрация в виде пятен на сухом
грунте;
• просачивание — слабая фильтрация в виде отдельных ка-
пель, скатывающихся по откосу, или незначительных лужиц ня
поверхности грунта;
• протечки — фильтрация в виде слабых струй воды, выхо-
дящих из грунта, или лужиц;
* свищи — появление сосредоточенной фильтрации в виде
отдельных струй, выходящих из тела плотины или на контакте
грунтового сооружения с бетонным;
• грифоны — то же, но в виде небольших фонтанчиков смеси
Несвязанного грунта с водой («кипение» грунта), могут наблю-
даться за пределами низового откоса, в зоне выхода фильтраци-
онных вод из основания сооружения;
• ключи —выходы сосредоточенной фильтрации в виде от-
дельных струй воды на берегах, откосах, котлованах, в «су-
хом» русле нижнего бьефа или за низовым откосом плотины на
склонах.
В местах сосредоточенной фильтрации устраивают незначи-
тельные канавки для отвода и измерения расхода профильтровав-
шейся воды (мерными устройствами, поплавками или визуально).
При этом обращают особое внимание на появление в фильтрате
мутных струек, глинистых частиц, отложений песка. Для фикси-
рования отложений, выносимых из тела сооружения, за канавкой
устраивают небольшой отстойник.
В осеннее-зимний период при отрицательных температурах
в местах выхода сосредоточенной фильтрации возникают нале-
ди. Они могут образовываться у подошвы низового откоса плоти-
ны, в зоне устьев дренажных систем.
При помощи визуальных наблюдений прежде всего осуществ-
ляется общий контроль за состоянием плотины и ее отдельных
частей, в работе сооружения выявляются отклонения от режима,
установленного проектом и эксплуатационными инструкциями,
а также фиксируются происшедшие деформации. Визуальные на-
блюдения производят регулярно в течение всего года, причем в пе-
риод особенно напряженного состояния плотины (например, при
пропуске паводка через водосбросные сооружения) наблюдения
проводят чаще и более тщательно. Кроме того, независимо от уста-
новленных сроков плотину и прилегающие к ней участки осмат-
ривают во время и после бурь, сильных ливней и продолжитель-
ных дождей.
На основании визуальных наблюдений составляют план пре-
дупредительного, а в необходимых случаях и капитального ре-
монта. Если же визуально установлено прогрессивное распро-
странение деформаций, угрожающих устойчивости плотины или
отдельных ее частей, ремонтно-восстановительные работы про-
изводятся немедленно дежурными бригадами рабочих под руко-
водством технического персонала эксплуатационного штата.
Инструментальные наблюдения осуществляются при по-
мощи контрольно-измерительной аппаратуры, местоположение
которой дают в проекте, а установку выполняют в процессе воз-
ведения плотины или перед началом заполнения водохранилища
водой. Строительная организация закладывает контрольно-из-
мерительную аппаратуру и передает ее службе эксплуатации по
акту одновременно со сдачей законченного объекта.
Инструментальные наблюдения и записи по ним проводятся
регулярно по заранее составленной программе или инструкции.
Следует иметь в виду, что только непрерывные наблюдения в стро-
го установленное время представляют интерес для последующего
обобщения и выводов о работе грунтовых плотин как с теорети-
ческой, так и практической стороны. Исходя из этого записывать
наблюдения нужно систематически в установленной последова-
тельности.
Поскольку все явления, фиксируемые КИА, активно проте-
кают в начальный период эксплуатации плотин, интервалы на-
блюдений не остаются постоянными и со временем изменяются.
Точно так же регулярность наблюдений меняется в течение года
в связи с изменением факторов, влияющих на показания при-
боров. Периодичность наблюдении устанавливается проектом
или инструктивными указаниями и корректируется исходя из
местных условий.
Инструментальные наблюдения за режимом водохранилища
сводятся к измерению уровней воды в данный момент при помо-
щи водомерных реек или самописцев, уровней-лимниграфов. Ус-
танавливать эти приборы нужно в местах, защищенных от вол-
нобоя и воздействия льда, с удобными подходами для снятия
□оказаний и отсчетов.
Основные уровни воды в водохранилище четко обозначают на
рейках яркой краской — черта должна быть хорошо видна на
расстоянии. Нуль отсчета приборов, от которого измеряют уро-
вень воды, размещается ниже отметки мертвого объема. Это дает
возможность всегда оперировать положительными числами. От-
счеты по рейкам и лимниграфам переводят в абсолютные или от-
носительные отметки, принятые для всех частей плотины. Для
этого нуль отсчета измерительных приборов привязывают двой-
ной нивелировкой к опорному реперу. Контроль за положением
нуля отсчета осуществляется не реже одного раза в месяц.
Наблюдения за уровнями воды в водохранилище проводятся
ежедневно в одни и те же часы. В период кратковременного изме-
нения уровней, наблюдаемого при весеннем снеготаянии, ливнях
26 М В. HevrepvB
или быстрой сработке водохранилища, отметки уровней воды за-
писывают не менее трех раз в сутки, а в случае необходимости и
чаще. Одновременно с наблюдением в верхнем бьефе производят
наблюдения за уровнем воды и в нижнем.
Особенно часто (каждые 2 ч) ведут наблюдения за уровнями во
время пропуска паводковых вод через водосбросные сооружения.
В этот же период обязательно должно быть отмечено максималь-
ное поднятие уровня. Обычно пик паводка проходит ночью, по-
этому места измерения уровней оборудуют освещением. Подъем
воды выше черты, соответствующей ФПУ, следует рассматри-
вать как состояние, угрожающее устойчивости плотины, и при-
нимать все меры к увеличению сброса воды из верхнего бьефа
в нижний, а в отдельных случаях выполнять аварийные работы
по наращиванию высоты гребня плотины с тем, чтобы не допус-
тить перелива воды через него.
Скорость подъема или понижения уровня воды в водохранили-
ще, а по возможности и в нижнем бьефе не должна превышать ве-
личин, указанных в п. 3.7.1. Увеличение сработки уровня сверх
этих пределов допустимо, если только оно подтверждено расчетом
и обеспечена устойчивость откоса.
К эксплуатации водохранилищ относятся и мероприятия по
предупреждению быстрого заиления мертвого объема, особенно
когда он небольшой. Эти мероприятия сводятся:
• к запрещению распашки склонов на расстоянии менее 200 м
от уреза воды и продольной распашки склонов за пределами этого
расстояния;
• уходу за лесопосадками по периметру водохранилища, а в не-
обходимых случаях и дополнительной их посадке;
• выполнению работ по закреплению действующих оврагов
на водосбросной площади водохранилища.
Составной частью инструментальных наблюдений являются
наблюдения за фильтрацией в теле и основании грунтовой пло-
тины, а также за фильтрационными напорами в отдельных точ-
ках плотины и сооружениях, примыкающих к ней. Такие на-
блюдения осуществляются при помощи пьезометров, которые
позволяют установить положение кривой депрессии в теле пло-
тины, вычислить скорости и градиенты фильтрационного потока
на отдельных участках, а в напорном потоке установить пьезо-
метрические давления. По назначению пьезометры подразделя-
ются на глубинные, точечные и шахтные. Независимо от конст-
руктивных особенностей и назначения они состоят из следующих
основных частей: водоприемника с фильтром, трубы пьезометра,
устья и концевого устройства-сборника.
Для наблюдения за положением кривой депрессии в теле грун-
товой плотины применяют шахтные пьезометры, выполняемые
из металлических газовых труб обычно диаметром 50 мм. Ниж-
няя часть пьезометра — сборник длиной 200...300 мм —являет-
ся емкостью для осаждения прошедших через фильтр мелких
частиц грунта. Торец трубы концевого устройства закрыт резь-
бовой крышкой с приваренной к ней тарелкой (диском). Труба
пьезометра выше сборника, по длине в пределах возможного из-
менения кривой депрессии перфорирована. Круглые отверстия
диаметром 8...10 мм расположены в шахматном порядке через
100...120 мм. В пределах перфорированной части трубы устроен
фильтр подобно тому, как это сделано в скважинах водоснабже-
ния. Существует много конструкций фильтров, ниже приводится
одна из них, рекомендуемая для шахтных пьезометров. При уст-
ройстве таких фильтров по образующей перфорированной части
трубы с шагом 10 мм наматывается спиралевидно-оцинкованная
проволока диаметром 2...2,5 мм, концы которой особыми зажи-
мами закрепляют на трубе. Поверх проволочной намотки натяги-
вается латунная сетка с мелкими отверстиями, припаиваемая
к трубе по продольному шву и концами. На латунную сетку укла-
дывают слой сфагнового мха толщиной 25...30 мм и обвязывают
шпагатом. После этого всю перфорированную часть трубы обер-
тывают двойным слоем мешковины, закрепляемой на концах
проволочными хомутами, а по длине — винтовой проволочной
обвязкой.
Подготовленный таким образом пьезометр опускают в про-
буренную скважину большего диаметра, с обсадными трубами.
На дно скважины слоем 15...20 см насыпают промытый гравий
с диаметром зерен 0,8...1 мм. Отметка верха гравийной насыпи
должна соответствовать расчетному положению низа пьезометра.
Кольцевое пространство между фильтром и обсадной трубой за-
сыпают просеянным песком с диаметром частиц 1...2 мм. Выше
фильтра кольцевое пространство засыпают грунтом тела плотины
26*
с ручным тщательным уплотнением. Засыпку и уплотнение
грунта после установки пьезометра ведут небольшими ступеня-
ми, причем обсадные трубы постепенно поднимают.
Для невысоких плотин и при кратковременных фильтрацион-
ных наблюдениях за положением кривой депрессии применяют
пьезометры малого диаметра конструкции В.П. Бомбчинского.
Такие пьезометры имеют более легкие фильтры и забиваются
в грунт ручной бабой или опускаются с подмывом забоя.
Размещение пьезометров по поперечному профилю грунтовой
плотины дается в проекте (рис. 3.66). Количество пьезометриче-
ских створов принимают исходя из протяженности плотины по
гребню, состава грунта тела плотины и геологических условий
основания. Створы располагают в наиболее характерных профи-
лях плотины. Расстояние между створами допускают не более
100 м. В отдельных случаях при длинной плотине и однотипно-
сти профиля и грунтов основания это расстояние может быть уве-
личено до 200...300 м. Для плотин, длина которых не превышает
300 м, принимают три створа и редко ограничиваются двумя.
В каждом створе однородной грунтовой плотины устанавливают
не менее трех пьезометров. С повышением класса плотин и нали-
чием сложного грунтового строения основания количество пьезо-
метров увеличивают и доводят до пяти и больше.
Рис. 3.66. Схема размещения пьезометров в поперечном профиле плотины
(№ !...№ 6 — номера пьезометров)
Пьезометры устанавливают в местах предполагаемого пере-
лома депрессионной кривой, причем первый пьезометр распола-
гают по вертикали, проходящей через бровку верхового откоса,
а последний — на расстоянии 1. ..5 м от подошвы низового откоса
непосредственно за дренажем. Следует иметь в виду, что с прак-
тической стороны наиболее желательно проводить наблюдение
за положением кривой депрессии в средней части профиля пло-
тины и у дренажей.
Для плотин с противофильтрационными препятствиями типа
экранов и понуров, а также в однородных плотинах, когда требу-
ется установить положение пьезометрического уровня в зоне, при-
мыкающей к верховому откосу, устройство шахтных пьезометров
затруднительно. Эти затруднения вытекают из условия обеспече-
ния водонепроницаемости по стыку трубы с грунтом экрана, раз-
мещения устья пьезометров в верхнем бьефе и устройства подхо-
дов к ним. В таких случаях применяют пьезометры ломаного
очертания, состоящие из наклонной части и стояка. Фильтровую
часть пьезометров, обычно точечных, размещают в начале на-
клонного участка и подводят к заранее выбранной точке, а стояк
располагают в таком месте, где его устье удобно вывести на по-
верхность плотины. Совершенно очевидно, что такие ломаные
пьезометры можно установить только в процессе возведения пло-
тины, в то время как обычные шахтные пьезометры устраивают
после возведения насыпи.
Верхняя часть пьезометра располагается над поверхностью
земли. Для защиты выступающей части трубы от деформаций и
предотвращения проникновения загрязненной воды по стыку тру-
бы с грунтом верхняя ее часть заделывается в бетонную подуш-
ку. Оголовки пьезометров малого диаметра размещают в патруб-
ке-колодце, сверху закрываемом крышкой.
Для замера уровней воды в пьезометрах применяют хлопуш-
ки, лот-свистки, поплавки с противовесом и электроконтактные
приборы. Эти измерительные приборы подвешивают и опускают
в трубу пьезометра на тонком шнуре или стальной ленте, кото-
рые служат одновременно и мерными устройствами для опреде-
ления расстояния от фиксированной точки на обрезе трубы до
уровня воды в пьезометре.
Из перечисленных приборов для фиксирования уровней воды
в пьезометрах наиболее широко распространен лот-свисток, по
которому точность измерения равна 1 см. Лот-свисток представ-
ляет собой пустотелый цилиндр из нержавеющего материала дли-
ной 170...180 мм. диаметром 40...45 мм. По длине цилиндра на
расстоянии 10 мм друг от друга расположены тарелочные коль-
цевые желобки. Верхняя часть лот-свистка закрыта пробкой, в ко-
торой прорезана щель. Выше этой пробки навинчен малый гладкий
цилиндр длиной 45 мм с косым срезом, примыкающим к щели.
Щель и косой срез вместе представляют собой воздушны й свисток.
Лот-свисток прикрепляется к шнуру или ленте и опускается
в трубу пьезометра обычно при помощи рулеточного устройства.
При погружении нижней части лот-свистка в воду происходит
вытеснение воздуха из цилиндра и воздушный свисток дает зву-
ковой сигнал. В этот момент по мерной ленте берут отсчет и опре-
деляют расстояние от постоянной занивелированной точки на
трубе до точки подвеса прибора. К этому расстоянию прибавляют
заранее известную длину лот-свистка с учетом части, погружен-
ной в воду. Абсолютные или относительные отметки уровней
воды в пьезометре вычисляют с учетом полученного превыше-
ния над фиксированной точкой на трубе, которая связывается
двойным нивелировочным ходом с опорными реперами.
Наблюдения за уровнем воды в пьезометрах начинают с мо-
мента наполнения водохранилища и в первые два года эксплуата-
ции проводят через 5...10 дней, в последующие годы реже (один
раз в 15 дней), а для неответственных плотин — один раз в ме-
сяц. Периодичность наблюдений устанавливается проектом или
инструкциями. Во всех случаях, когда замечено повышение кри-
вой депрессии против ранее стабилизированной, наблюдения за
положением уровней воды в пьезометрах производят чаще. Одно-
временно выясняют причину такого отклонения и выполняют ава-
рийные работы, обеспечивающие снижение уровня до стабилизи-
рованного.
Верх трубы пьезометра закрывают крышкой с замком. Каж-
дый пьезометр нумеруют, для чего на лицевой стороне крышки
выбивается номер. Периодически пьезометры прочищают и про-
веряют работу фильтра путем откачки воды. По скорости восста-
новления уровня воды делают вывод о его заилении. Пришедшие
в негодность пьезометры заменяют новыми.
При помощи контрольно-измерительной аппаратуры ведут на-
блюдения за вертикальной осадкой тела плотины и основания.
Горизонтальные деформации плотин редко наблюдаются службой
эксплуатации, такую работу выполняют обычно лишь по програм-
ме научно-исследовательских организаций.
Наблюдения за вертикальной осадкой производят путем ни-
велирования контрольных реперов, установленных в основании
плотины и по внешнему ее контуру. Для определения суммар-
ной осадки тела плотины и основания служат поверхностные ре-
перы, а для осадки только основания — глубинные. Для замера
послойной осадки применяют телескопические реперы, уста-
новленные в теле плотины на различных высотах. Поверхност-
ные реперы размещают на гребне плотины, откосах и у подошвы
основания. Глубинные реперы закладывают в основании плоти-
ны перед началом ее возведения.
Поверхностный репер представляет собой бетонный массив,
внутри которого находится труба с крестообразно приваренными
к ней коротышами. Верх трубы возвышается над бетонным масси-
вом и закрывается резьбовой крышкой, которая и служит нивели-
ровочным знаком. Для предотвращения повреждений от внешних
воздействий верхнюю часть трубы устанавливают ниже поверхно-
сти земли в трубе-люке, закрываемом сверху крышкой. При уста-
новке таких реперов в маловодопроницаемых грунтах под бетон-
ным массивом укладывают дренаж из песчано-гравелистой смеси,
от которой должен быть обеспечен свободный отвод воды.
Глубинные реперы состоят из металлической или железобе-
тонной плиты размером в плане 1,5x1,5 м, на которую опирается
трубчатая штанга, заключенная в защитную трубу с телескопи-
ческими звеньями. Наличие такой защитной трубы исключает
передачу нагрузки на плиту при осадке грунта тела плотины со-
вместно с трубой. Верх такого глубинного репера, подобно верху
поверхностного, заключают в трубу-люк. Устройство глубинных
реперов при возведении тела плотины сопряжено с неудобствами
производственного процесса, связанного с уплотнением грунта и
наращиванием звеньев защитных труб и штанги.
Более приемлемым является метод раздельного выполнения
репера, когда в начале закладывают плиту, а после окончания
земляных работ в теле плотины над центром плиты бурят сква-
жину и устанавливают остальную часть репера. Следует, одна-
ко, отметить, что раздельное выполнение глубинных реперов не
позволяет осуществлять контроль за вертикальными осадками
в процессе возведения плотины.
Размещают поверхностные и глубинные реперы в створах
с нормальным направлением к продольной оси плотины. Расстоя-
ние между створами принимают от 50 до 100 м, а при значитель-
ной протяженности плотины — до 200 м и более. Для плотин не-
большой длины количество створов не должно быть меньше трех.
Расстояние между реперами в створе принимают 10...12 м. Отно-
сительно продольной оси плотины реперы устанавливают в одну
линию, что позволяет в необходимых случаях осуществлять кон-
троль за деформациями откосов в плане. Поверхностные и глу-
бинные реперы желательно устанавливать близко друг от друга,
так как это дает возможность определить раздельно осадку тела
плотины и основания в заданном створе. Местоположение створов
относят к сечениям наибольшей высоты плотины и участкам,
имеющим различные геологические напластования.
Наблюдения за осадками по реперам в первые годы эксплуа-
тации плотин проводятся через 15...30 дней, а для неответствен-
ных плотин — один раз в квартал. В последующие годы по мере
стабилизации осадок наблюдения проводят реже. Установлен-
ные сроки наблюдений за осадками могут быть изменены, если
обнаружится резкое их увеличение относительно ранее наблю-
давшихся величин. В этом случае нивелировку реперов проводят
чаще до того момента, когда осадки вновь стабилизируются,
а причины, вызвавшие большие деформации, будут установле-
ны. После этого наблюдения проводят по прежнему графику.
Наблюдения за осадкой поверхностных реперов позволяют ус-
тановить соответствие отметки гребня плотины проектному по-
ложению. Если в результате наблюдений будет установлено, что
гребень опустился ниже проектной отметки, принимают экс-
плуатационные меры по наращиванию высоты плотины, причем
эта работа должна быть закончена до очередного наступления по-
ловодья. Следует еще раз подчеркнуть, что нельзя допускать на-
хождение отметки гребня плотины ниже установленной проек-
том, так как это может привести к переливу воды через гребень.
3.7.3. Эксплуатационный ремонт плотин
Для любого гидротехнического сооружения, в том числе и для
грунтовых плотин, устанавливают предельный нормативный
срок службы, который может быть обеспечен лишь в результате
постоянного наблюдения за общим состоянием плотины и экс-
плуатационных ремонтных работ. В зависимости от объема и ха-
рактера выполняемых работ различают аварийный, профилак-
тический, текущий и капитальный ремонты.
Аварийный ремонт является внеплановым. Его проводят в тех
случаях, когда плотина или какая-то ее часть получила местное
разрушение и есть опасение его дальнейшего распространения,
в результате чего возможна потеря устойчивости всего сооруже-
ния. Выполняется аварийный ремонт немедленно после того, как
такое разрушение обнаружено.
Профилактический ремонт заключается в проведении защит-
ных мероприятий, исключающих возможность появления тех
или иных деформаций или отдаление срока наступления их до
того времени, когда будут проведены текущий или капитальный
ремонты.
Работы более сложные и разнообразные относятся к текуще-
му ремонту. Необходимость таких работ обычно устанавливают
на основе: визуальных и инструментальных наблюдений. Теку-
щий ремонт выполняют по календарному графику, составляемо-
му на каждый год. К текущему ремонту относятся:
• замена отдельных частей сооружения (без изменения их
проектных форм и размеров) в связи с износом материала;
• восстановление участков с мелкими повреждениями, полу-
ченными в результате нарушения установленного режима рабо-
ты сооружений;
• исправление дефектов, обнаруженных после сдачи объекта
в эксплуатацию;
• другие мелкие работы, которые выполняются для поддер-
жания плотины в нормальном рабочем состоянии.
К капитальному ремонту относятся устранение серьезных и
крупных повреждений, а также реконструкция узла сооружений,
вызванная изменением проектных размеров или коренной пере-
стройкой плотины в связи с изменением условий работы. Капи-
тальный ремонт, как правило, производят при сработанном уров-
не воды в водохранилище. Все работы, связанные с капитальным
ремонтом, выполняет строительная организация. Законченные
работы принимает комиссия (так же, как и новые объекты).
Все усилия службы эксплуатации должны быть в первую оче-
редь направлены не на ликвидацию последствий возможных раз-
рушений, а на их предупреждение. Своевременное устранение
причин, в результате которых происходит разрушение, это наи-
более надежный путь обеспечения нормальной работы плотины.
Перечислить все причины, влияющие неустойчивость соору-
жений, составить перечень возможных деформаций, которые
могут быть выявлены при визуальных наблюдениях и по кон-
трольно-измерительной аппаратуре, дать рецепты исправления
дефектов практически невозможно. Вместе с тем можно привес-
ти наиболее характерные деформации, указать причины их по-
явления и дать проверенные практикой способы их предупреж-
дения и устранения.
На верховом откосе плотины основной вид деформаций —
повреждение покрытия. Причины — волновое воздействие и
фильтрационные силы, появляющиеся в связи с быстрым пони-
жением уровня воды в водохранилище. Несмотря на то что раз-
меры покрытия верховых откосов определяют расчетом исходя
из воздействия указанных факторов, тем не менее случаи локаль-
ного расстройства покрытия в практике наблюдаются нередко.
Это является следствием как некачественных строительных ра-
бот, так и местных превышений сил по сравнению с расчетными
в проекте, а также отступлений от инструктивных указаний по
режиму работы водохранилища. Разрушенные участки покры-
тия верхового откоса обычно восстанавливают той же конструк-
ции, которая принята в проекте. Если же локальные разрушения
от волнового воздействия захватывают все новые и новые участ-
ки, а восстановленные места вновь разрушаются, можно предпо-
ложить несоответствие типа покрытия и его размеров волновым
воздействиям. В этом случае следует провести контрольные рас-
четы и определить толщину покрытия с учетом фактически на-
блюдаемых параметров ветровых волн и дальнейшее исправле-
ние производить с учетом внесенных коррективов.
При исправлении поврежденных участков старое разрушен-
ное покрытие удаляют, после чего восстанавливают фильтровую
подготовку, фракции которой должны соответствовать расчет-
ным значениям, и по спланированной подготовке укладывают
новое покрытие. Особенно тщательно выполняют работы по ли-
нии стыка старого покрытия с новым, приурочивая их к дефор-
мационным швам.
В покрытиях из железобетонных плит на ремонтируемых уча-
стках целесообразнее укладывать монолитные армированные бе-
тонные плиты. Их проще выполнить как по условию сопряжения
старого покрытия с новым, так и по производственным услови-
ям, учитывая, что не потребуется кранового оборудования и тща-
тельности выполнения планировочных работ подготовки.
Когда разрушенные участки покрытия расположены под во-
дой, на период ремонта приходится понижать уровень воды в во-
дохранилище. Если же по каким-либо причинам сработку уровня
воды осуществить невозможно, временное крепление разрушен-
ного участка покрытия делают из каменной наброски. В дальней-
шем, когда уровень воды в водохранилище понизится, ремонтные
работы выполняют, как указано выше, «насухо».
В покрытиях верховых откосов железобетонными плитами
нередко появляются трещины. Хотя эти трещины и не представ-
ляют прямой угрозы устойчивости покрытия, тем не менее в них
потенциально заложены причины дальнейшей деформации от-
коса. Причиной образования трещин являются температурно-
осадочные явления, неравномерная осадка грунта откоса и внеш-
ние силовые воздействия.
Появление трещин в железобетонных покрытиях легко обна-
ружить визуально. Каждую трещину берут под контроль, ее ме-
стоположение, геометрические размеры и зону распространения
фиксируют в полевом журнале. Рост трещины устанавливают
при помощи маяков или щелемеров. Простейший из них выпол-
няют непосредственно на месте появления трещины из двух ме-
таллических цилиндрических стержней, заделанных в бетон пли-
ты по обеим сторонам трещины. Рост трещины при пользовании
щелемером определяют систематическими измерениями расстоя-
ния между центрами закрепленных стержней. Для измерения
расстояния пользуются штангенциркулем или другими прибора-
ми, дающими возможность вести отсчеты с точностью до долей
миллиметра.
Трещины в покрытиях могут быть сквозные и поверхностные.
Глубина трещины определяется щупом или при помощи краски.
В последнем случае в трещину вводят красящее вещество, которое
окрашивает ее на всю глубину. После окраски в бетоне с одной
стороны трещины пробивают лунку, в которой измеряют глубину
распространения краски и, следовательно, глубину самой трещи-
ны. Если установлено, что рост трещины прекратился, ее залива-
ют асфальтовой мастикой, в результате чего она превращается
в дополнительный деформационный шов [1].
На устойчивость и прочность покрытия верхового откоса влия-
ет ледовый режим водохранилища. Воздействие льда на грунто-
вую плотину бывает динамическое, статическое и вырывающее
(в результате припая льда к покрытию). Динамическое воздейст-
вие льда на откосы водохранилищных плотин незначительно, так
как лед движется только в результате ветрового нагона. Статиче-
ское давление льда за счет изменения температуры хотя и боль-
шое, но в силу того что прочность льда гораздо меньше прочности
материала покрытия, разрушение за счет этой силы не происхо-
дит. Устойчивость самой плотины против сдвига обеспечивается,
так как суммарные реактивные силы значительно превосходят
силы статического давления льда. Наиболее опасным воздействи-
ем льда является его вырывающее действие вследствие припая
кромки льда к поверхности покрытия. Во время повышения уров-
ня воды в водохранилище ледовый покров всплывает и покрытие
с примерзшим к нему льдом может быть вырвано. При пониже-
нии уровня воды в водохранилище также появляется сила, стре-
мящаяся вырвать покрытие.
Можно исключить силу воздействия припая, если на всем
притяжении по линии контакта льда и покрытия выполнить
майну, поддерживая ее незамерзающей в течение всего периода
ледостава. Наличие майны позволяет ледовому покрову свобод-
но перемещаться вверх и вниз и, таким образом, избежать воз-
действия льда на покрытие.
Низовой откос плотины не в меньшей степени подвержен де-
формациям, чем верховой. Основными факторами, влияющими
на устойчивость низового откоса и его крепление, являются атмо-
сферные воздействия и фильтрационный поток в теле плотины.
Деформация низового откоса проявляется в общей потере ус-
тойчивости или в местных разрушениях. В первом случае это про-
исходит из-за подъема кривой депрессии и, как следствие, увели-
чения фильтрационной силы, а также снижения реактивных сил
в толще насыпи. Изменение положения кривой депрессии уста-
навливается по наблюдениям за уровнями воды в пьезометрах.
Причиной повышения кривой депрессии может быть засорение и
кольматаж дренажа, его недостаточная пропускная способность,
деформации в результате значительной неравномерной осадки ос-
нования, а также закупорки отверстий дренажа.
Нужно иметь в виду, что дренажи по типу призмы или комби-
нированные менее подвержены расстройству. Выход из строя при-
емной части в таких дренажах не ведет к выключению всего дре-
нажа, так как в работу вступают соседние участки и при этом
происходит незначительное повышение кривой депрессии. Труб-
чатые дренажи этим свойством не обладают, а в случае выхода из
строя приемной части требуют капитального ремонта. Трудоем-
кость выполнения таких работ очевидна, особенно при глубоком
расположении приемной части дренажа в теле плотины.
Местные деформации низового откоса могут происходить в ре-
зультате выпадения ливней, переувлажнения грунта, появления
сосредоточенных выходов грунтового потока на откос, а также
при наличии ходов, оставляемых землеройными животными.
Одним из основных условий обеспечения устойчивости низо-
вого откоса является быстрый отвод поверхностных вод. Это до-
стигается системой сбросной сети, состоящей из кюветов и лот-
ков. Основная задача отводящей системы состоит в том, чтобы
она в любое время могла принять и отвести поверхностные воды,
поступающие на откос.
Особое внимание следует обратить на очистку кюветов и лот-
ков в весенний период, перед началом таяния снега. Снежный
покров с откосов плотины в зимний период удалять не рекомен-
дуется, так как это вызывает более глубокое промерзание грунта
и переувлажнение при оттаивании. Расчистка снега допустима
только на тех участках откоса, за которыми проводятся регуляр-
ные наблюдения, или в местах установки КИА. Но и в этом слу-
чае оголенные места полезно утеплять, покрывая их матами, на-
пример, из камыша или каких-либо волокнистых материалов.
Переувлажнение грунта низового откоса может образо-
ваться и в результате высокого травостоя, если откос крепится
залужением. Известно, что высокий травостой способствует за-
держанию дождевых вод, их впитыванию в грунт и переувлаж-
нению откоса. Поэтому траву нужно периодически скашивать и
удалять.
Появление сосредоточенных очагов фильтрации на низо-
вом откосе представляет большую опасность для его устойчиво-
сти. Особенно это относится к очагам, в которых наблюдается
вынос частиц грунта тела плотины (результат суффозионного
процесса). Практической мерой, предупреждающей деформа-
цию откоса, в этом случае является устройство наслонного дре-
нажа, после чего устанавливается причина появления выхода
грунтового потока на откос и принимаются меры по ликвидации
очага, предупреждению появления подобных очагов в соседних
местах.
Большой вред для низового откоса приносят ходы землерой-
ных животных. Фильтрационный поток, попадая в такие ходы,
движется с большими скоростями, в результате чего происходит
размыв стенок и вынос грунта за пределы плотины. Из-за этого
неизбежны просадки откоса и дальнейшее его разрушение. Обна-
руженные ходы землеройных животных следует заполнять грун-
том, а глубоко расположенные заливать глинистым раствором
под напором. При обнаружении ходов эксплуатационные меро-
приятия должны быть направлены прежде всего на уничтожение
животных химическими способами борьбы.
В грунтовых плотинах серьезным и опасным повреждением
являются различного рода трещины на гребне и откосах пло-
тины. Такие трещины создают условия для появления сосредо-
точенного движения воды, а в последствии —прорыва плотины.
Причиной их образования бывает неоднородность грунта в раз-
личных частях плотины, недостаточное уплотнение, неправиль-
ное сопряжение тела плотины с берегами и морозное воздействие
на грунт. По расположению в плане различают трещины про-
дольные и поперечные. Особенно опасны поперечные трещины,
так как они могут послужить причиной возникновения промои-
ны и размыва тела плотины.
Любую трещину независимо от ее величины, местоположения
и зоны распространения немедленно заделывают. Продольные
трещины заделывают грунтом того же состава, что и само тело
плотины. Для этого по направлению трещины отрывают траншею
трапецеидального профиля с заложением откосов не менее 0,5.
Длину траншеи принимают больше длины трещины примерно на
1 м с каждой стороны, а глубину — на 0,3...0,5 м ниже основа-
ния трещины. Ширина траншеи принимается для удобства ее вы-
полнения и последующего заполнения грунтом, но не менее ши-
рины трещины с запасом на обе стороны по 0,3...0,5 м. Грунт
укладывают в траншею горизонтальными слоями толщиной
в рыхлом состоянии не более 0,15 м с тщательным ручным трам-
бованием, так как применять какие-либо уплотняющие механиз-
мы из-за ограниченности площади нельзя.
При заделке глубоких трещин, расположенных близко к вер-
ховому откосу, когда уровень воды в водохранилище стоит высо-
ко, есть опасность поступления воды в траншею. Поэтому на пе-
риод ремонта приходится снижать уровень воды в верхнем бьефе
или укладывать по верховому откосу пластырь для уменьшения
поступления воды в траншею.
Поперечные трещины заделывают так же, как и продольные,
с той лишь разницей, что со стороны верхового откоса при высо-
ком стоянии уровня воды в водохранилище приходится устраи-
вать шпунтовое ограждение в виде коробки. При заделке глубо-
ких трещин устраивают замок, располагая его перпендикулярно
трещине в пределах гребня плотины.
Местные деформации низового откоса в виде оползня ликви-
дируют, насыпая новый грунт того же состава, что и тело плотины.
Для лучшего сопряжения вновь насыпаемого грунта со старым
оползневую массу удаляют, а по контуру деформированного отко-
са устраивают наклонные ступени. Грунт насыпают, начиная от
подошвы, горизонтальными слоями толщиной 0,15...0,25 м по
всей длине ремонтируемого откоса, с тщательным уплотнением
каждого слоя.
ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ПРИ ПЛОТИНАХ ИЗ МЕСТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Назначение и классификация
водопропускных сооружений
Гидротехнические сооружения любого назначения, пропус-
кающие через себя воду, принято называть водопропускными.
Эти сооружения различны по своему назначению, местоположе-
нию в плане, по высоте и имеют конструктивные особенности
(рис. 4.1).
В состав гидроузла может входить одно или несколько водо-
пропускных сооружений, которые классифицируют по ряду при-
знаков.
По водохозяйственному назначению водопропускные соору-
жения делят на водосбросы, водоспуски, водозаборы, сооружения
комплексного назначения (водосбросы-водоспуски, водосбросы-
водозаборы и т.п.), водосливные плотины, водовыпуски.
По гидравлическому режиму работы водопропускные соору-
жения могут быть напорными, безнапорными и напорно-безна-
порными (полунапорными).
По режиму эксплуатации водопропускные сооружения быва-
ют автоматического действия и управляемые (с затворами). В от-
дельных случаях применяют водосбросы полуавтоматического
действия, которые обеспечивают пропуск части сбросного расхо-
да в автоматическом режиме, а часть расхода пропускают через
отверстия, перекрываемые затворами.
По конструктивному признаку различают водопропускные
сооружения закрытые (трубчатые), открытые (лотковые), сбор-
ные, монолитные и комбинированные.
По месту расположения в составе гидроузла водопропускные
сооружения делят на береговые, русловые и пойменные.
Рис. 4.1. Сооружения при плотине из местных материалов:
а — план плотины; б — продольный разрез по оси плотины; в — план водо-
сбросного 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 — сопря-
гающее сооружение; 10 — отводящий канал; 11 — русло водотока
По расположению водоприемного отверстия относительно
уровня верхнего бьефа водопропускные сооружения классифици-
руют на поверхностные, глубинные и донные.
4.2.
Водосбросные сооружения (водосбросы)
4.2.1. Общие сведения
Понятие о водосбросных сооружениях. В водохранилищных
гидроузлах объем водохранилища в большинстве случаев не вме-
щает 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 осуществля-
ется при форсированном уровне воды в водохранилище, но в не-
которых случаях он может происходить и при НПУ.
27 М. В. Нее героя
Под водосбросами при плотинах из местных материалов по-
нимают комплекс сооружений, задача которых — обеспечить
беспрепятственный пропуск расчетных максимальных расхо-
дов воды из верхнего бьефа в нижний. Путь, по которому проис-
ходит сброс излишков воды из водохранилища в нижний бьеф
плотины, называют водосбросным трактом.
Взаимное расположение сооружений на водосбросном трак-
те может быть самое различное, но при этом ставится усло-
вие — не допускать подмыва водой плотины и других сооруже-
ний гидроузла.
В зависимости от высотного расположения сооружений на водо-
сбросном тракте и их водных устройств относительно НПУ разли-
чают водосбросы поверхностные и глубинные. К поверхностным
относятся водосбросы, уровень воды во входной части которых со-
прикасается атмосферой, а отводящая часть может быть как от-
крытой, 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 под-
разделяются на управляемые, когда расходы и уровни воды регу-
лируются затворами, и неуправляемые, в которых сброс воды про-
исходит всякий раз, как только уровень воды в водохранилище
поднимается выше НПУ.
Каждой группе водосбросных сооружений дают название в за-
висимости от конструкции головной (водосливной) части соору-
жения. Так, например, водосбросы автоматического действия
подразделяют на ковшовые (головная часть выполнена в виде
ковша), шахтные (головная часть — шахта) и траншейные (слив-
ная часть выполнена в виде траншеи).
В управляемых водосбросах головными сооружениями чаще
всего являются шлюзы-регулятор и, редко, водосливные плоти-
ны, водосливные отверстия которых перекрываются затворами.
Считается рациональным совмещать водосбросы с другими со-
оружениями гидроузла. Это дает экономию в затратах и облегча-
ет их эксплуатацию. Так, целесообразно совмещать водосбросы
с водовыпускными сооружениями, а также с сооружениями для
пропуска строительных расходов. Примеры такого совмещения
приведены на рис. 4.31 и 4.36.
В водосбросном сооружении можно выделить четыре основные
составные части: подводящую, водоприемную (водосливную),
сопрягающую и устройство нижнего бьефа. Каждая часть суще-
ственно отличается своим назначением, гидравлическим режи-
мом и конструктивным решением.
Подводящая часть обеспечивает плавный подход воды к слив-
ной (головной) части водосброса, создает благоприятные условия
для нормальной эксплуатации всего сооружения.
Водосливная часть осуществляет прием паводковых вод из во-
доема и отвод их в сопрягающую часть сооружения. Водосливная
часть является головной частью водосброса. На управляемых во-
досбросах через головную часть прокладывают служебный и про-
езжий мост, на ней устанавливают затворы, другое механическое
оборудование и т.д.
Сопрягающая часть соединяет водослив с устройством нижне-
го 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 ра-
ботают 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 ха-
рактера — несколько часов. Водосбросные тракты должны вклю-
чаться в работу и обеспечивать пропуск любых расходов, не пре-
вышающих максимальные расчетные, в любое время года, когда
запасы воды в водохранилище полезно не используются, а уро-
вень воды превышает расчетный.
Для водохранилищ на местном стоке возможны случаи, когда
объем поверхностного стока будет недостаточным для наполне-
ния водохранилища до расчетного уровня, и тогда водосброс ра-
ботать не будет. Это возможно в маловодные годы, когда к нача-
лу половодья водохранилище полностью сработано.
Сооружения для пропуска строительных расходов. В период
возведения плотины расходы водотока пропускают через специ-
альные временные сооружения, выполняемые в виде труб или
тоннелей. Располагают их на низких отметках, близких к отмет-
кам дна водотока, и прокладывают в основании плотины или
в обход нее. В тех случаях, когда это возможно, эксплуатацион-
ные водопропускные сооружения следует использовать для про-
пуска строительных расходов.
При благоприятных топографических условиях строительные
расходы пропускают по обводному каналу.
Низкое расположение сооружений для пропуска строительных
расходов позволяет иметь перемычки небольшой высоты, ограж-
дающие котлован плотины от затопления. Такие перемычки воз-
водят в некотором удалении от подошвы плотины со стороны верх-
него и нижнего бьефов или включают в состав тела плотины.
Расходы воды водосбросов. Расходы воды, подлежащие про-
пуску через водосбросные сооружения при плотинах из местных
материалов в процессе эксплуатации, определяются исходя из
расчетного максимального расхода воды водотока (реки) в есте-
ственном незарегулированном состоянии с учетом трансформа-
ции стока, вызванной хозяйственной деятельностью в бассейне
водотока (реки). Обеспеченность максимальных расходов прини-
мают в зависимости от класса сооружений (табл. 4.1) [53].
Таблица 4.1
Ежегодная вероятность превышения
расчетных максимальных расходов воды
Расчетный случай Класс сооружения
I II Ш IV
Основной 0,1 1 3 5
Поверочный 0,01 0,1 0,5 1
Пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного
случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном
подпорном уровне верхнего бьефа (Ш1У):
• через эксплуатационные водосбросбросные устройства при
полом их открытии;
• все гидротурбины ГЭС;
* все 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 водопропуск-
ными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные во-
досбросы, гидротурбины ГЭС, водозаборные сооружения ороси-
тельных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы,
рыбопропускные сооружения и резервные водосбросы. В этом
случае допускаются деформации русла и даже частичное разру-
шение отдельных частей вспомогательных сооружений без поте-
ри их общей устойчивости.
Для небольших водохранилищ при ограниченной водосбор-
ной площади расчет водосбросов обычно ведут на расход от дож-
девых паводков. Для водохранилищ с большими водосборными
площадями расчетные расходы будут от половодья.
4.2.2. Открытые регулируемые береговые поверхностные
водосбросы
Состав водосбросного тракта. Открытые береговые поверхност-
ные водосбросные тракты располагают на берегах и склонах доли-
ны 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 топографиче-
ских 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 следую-
щие сооружения:
* подводящий канал;
• регулирующее сооружение;
• сбросной (соединительный) канал;
• сопрягающее сооружение;
• отводящий канал;
• ледоудерживающие устройства.
Однако так бывает не всегда. Нередко отсутствует один из ка-
налов (например, подводящий или сбросной), но возможно отсут-
ствие и двух каналов.
Через сооружения водосбросного тракта обычно не предусмат-
ривается 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 льди-
ны также могут подойти к водосбросным сооружениям в резуль-
тате ветрового нагона. Для недопущения льда на водосбросной
тракт в начале подводящего канала или перед шлюзом-регулято-
ром ставят ледоудерживающие устройства, через которые сво-
бодно проходит вода, а лед и другие плавающие тела задержива-
ются.
Трасса водосбросного тракта. Под трассой понимают осевую
линию сооружений, проложенную на местности с разбивкой на
ней пикетажа. Она может быть как прямолинейной (рис. 4.2, а),
так и с углами поворота (рис. 4.2, 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 кри-
вые с радиусом не менее пятикратной ширины канала по урезу
воды, т.е. R> 5В.
При разбивке кривых, когда задан угол поворота (J, вычисля-
ют тангенс по формуле
T = (4.1)
Следует иметь в виду, что здесь тангенс Т не является тригоно-
метрической функцией, а определяется как длина отрезка пря-
мой от угла поворота до начала или конца кривой.
Длину кривой определяют по формуле
тг/ф
180°
(4.2)
Зная тангенс и длину кривой, определяют пикеты начала и
конца кривой. Пример разбивки кривой на водосбросном тракте
приведен на рис. 4.2, в [14].
Рис. 4.2. Трасса поверхностного водосбросного тракта:
а — прямолинейная; б — с углами поворота; в — разбивка кривой на трассе
На криволинейных участках трассы рекомендуется разме-
щать каналы, а другие сооружения водосбросного тракта отно-
сить на прямолинейные участки. Размещение сооружений на
криволинейных участках трассы приведет к выполнению кри-
волинейных конструкций в плане.
Продольные профили принято вычерчивать в разных масшта-
бах — большем по вертикальной оси и меньшем по горизонталь-
ной. На профиле наряду с отметками поверхности земли (черны-
ми отметками), расстояниями между фиксированными точками
(соседние точки с фиксированными отметками поверхности зем-
ли на продольном профиле соединяют прямыми линиями) и пи-
кетами наносят также проектные отметки сооружений (красные
отметки), уклоны, план трассы с указанием местоположения на-
чала и конца кривых. На продольном профиле приводят также
грунты и их физико-механические характеристики. Пример про-
дольного профиля по водосбросному тракту приведен на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Продольный профиль по поверхностному водосбросному тракту
Продольный профиль строят по оси трассы водосбросного трак-
та по материалам геодезических съемок. При предварительном
проектировании его можно выполнить камерал ьно, используя для
этого план с горизонталями.
Высотное размещение всех сооружений на водосбросном трак-
те определяется таким образом, чтобы выемки были минималь-
ными, причем допускается на отдельных участках частично вы-
полнять 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 следу-
ет учитывать, так как такую очистку часто выполняют вручную.
Грунты из выемок водосбросных трактов рекомендуется укла-
дывать 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 эксплуата-
цию сооружения, особенно при пропуске расходов половодья.
Необходимо отметить, что при выборе трассы водосбросного
тракта исходят из следующих соображений. Выемки на верх-
нем участке трассы используются для насыпи плотины. Выем-
ки 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 пра-
вильно стремиться к большим выемкам наверху и минималь-
ным — внизу.
Для лучшего использования выемки сбросного тракта как
карьера для плотины канал устраивают с большим наполнени-
ем. Для этого отметка дна сбросного канала понижается против
отметки дна порога шлюза на 2...4 м, паводковый уровень в ка-
нале назначают примерно на высоте (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, наи-
меньшие размеры. Однако в этом случае возможно появление
прыжка в сбросном канале и возникает необходимость проек-
тирования водобойных устройств за шлюзом.
Если на водосбросном тракте трудно разместить сооружения
в одном месте, допускается их рассредоточить, например вме-
сто одного сопрягающего сооружения выполнить два и больше
Рис. 4.4. Примеры размещения сооружений на поверхностном
водосбросном тракте:
1 — подводящий канал; 2 — шлюз-регулятор; 3 — сбросной канал; 4 — бы-
строток; 5 — перепад; 6 — консольный сброс; 7 — отводящий канал
Перед водосливом и за ним подводящий и соединительный ка-
налы должны иметь прямолинейные участки длиной не менее
1,5В, где В —- ширина канала по урезу воды.
Входную часть подводящего канала во избежание вдольберего-
вых 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 пло-
тины.
Особенности гидравлического расчета. Гидравлический расчет
открытых береговых регулируемых поверхностных водосбросов
в общем случае заключается в расчете:
• подводящего канала;
• головного сооружения (обычно шлюза-регулятора);
• соединительного канала (иногда нескольких);
• сопрягающего сооружения;
• отводящего канала.
В зависимости от высоты плотины, топографических и геоло-
гических условий, величины расчетного расхода и др. состав со-
оружений водосбросного тракта может различаться, тогда будут
различаться и составные элементы гидравлического расчета.
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 расши-
ряющимся 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 ка-
нале равна напору воды на водосливе Н, если его гребень устраи-
вается на уровне дна подводящего канала, и сумме напора на во-
досливе 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 соответст-
вии 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 водопроводя-
щих каналов.
Уровень воды в соединительном канале чаще назначают так,
чтобы обеспечить неподтопленный режим работы водослива и соз-
дать благоприятные условия для сопряжения бьефов за ним. Ис-
ходя из этого рекомендуется назначать следующие перепады г на
пороге водослива: для водослива с широким порогом г = 0,4Н,
для водослива практического профиля г = Н, где Н — известный
напор на пороге водослива. Глубина воды на пороге головного со-
оружения (шлюза) обычно задается в пределах Я = 2...4 м, в за-
висимости 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 устраива-
ют порог, высота которого определяется по формуле
P = h,-H', (4.3)
где Лн — глубина, соответствующая равномерному режиму пото-
ка (нормальная глубина), м; Н' — напор на пороге, работающем
как неподтопленный водослив практического профиля, м [19].
Нормальная глубина канала Л„ определяется при гидравличе-
ском расчете канала. Напор на пороге в случае трапецеидального
сечения канала вычисляется по формуле пропускной способно-
сти трапецеидального водослива практического профиля:
Q = m(bo+O&mKH')j2gH™, (4.4)
где т — коэффициент расхода для предварительных расчетов
(т = 0,43); Ьо — ширина порога по нормали к оси канала, м;
тк — заложение откосов канала; Но — глубина воды на пороге
с учетом скорости подхода:
Но =Н'+v2/(2g); (4.5)
ок — известная скорость течения в соединительном канале.
В (4.4) два неизвестных члена — Н'и Ьо. Поэтому Н' определя-
ется подбором в такой последовательности:
1) задаются высотой Р;
2) определяют Н' = Лн - Р;
3) определяют b0 = где Ьк — 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 опреде-
ляется без подпора по соответствующей формуле прямоуголь-
ного водослива. Однако такое сечение канала возможно либо
в скальных грунтах, либо при устройстве канала в виде бетон-
ного лотка, когда опасность размыва канала в результате обра-
зования кривой спада невелика и от устройства порога можно
отказаться.
Гидравлический расчет головного сооружения (шлюза-регу-
лятора) и сопрягающих сооружений приведен в параграфах 4.4
и 2.4.
Конструкция водосливов с входным порогом на уровне дна
подводящего канала аналогична конструкции открытых водо-
спусков, которые иногда выполняют и роль береговых водосбро-
сов. Соответственно и методы их проектирования одинаковы
(см. п. 4.2.5).
Как показывает опыт проектирования и водохозяйственной
эксплуатации прудов и малых водохранилищ, управляемые водо-
сбросы низконапорных гидроузлов целесообразно эксплуатиро-
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 во-
досбросов при грунтовых плотинах. Белгипроводхоз разработал
технические решения открытых регулируемых водосбросов на
расходы воды от 50 до 700 м’/с с напором 4... 12 м для прудов и
малых водохранилищ. При напорах до 6 м рекомендуются водо-
сбросы со сдвоенными колесными затворами (рис. 4.5). В зависи-
мости от сбросного расхода может быть предусмотрено устройст-
во от одного до четырех пролетов.
При больших напорах Белгипроводхоз рекомендует двухъя-
русные водосбросы (рис. 4.6), при возведении которых использу-
ют от 8 до 15 типоразмеров блоков. При напорах до 4 м применяют
плоский флютбет без поднятия водосливного оголовка. При напо-
рах более 6 м предусмотрено дополнительное гашение избыточной
кинетической энергии потока на решетчатой сливной плотине во-
досброса, укладываемой на водосливе (рис. 4.7).
Укргипроводхоз разработал технические решения регули-
руемых водосбросов, рассчитанных на пропуск расходов от 100
до 400 м’/с с напором 3,5...5,5 м (рис. 4.8).
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 ре-
гулируемых водосбросов, разработанных Гидрорыбпроектом
(рис. 4.9).
Рис. 4.5. Открытый регулируемый водосброс конструкции
Белгипроводхоза на напор до 6 м:
1 — входная часть; 2 — водобой; 3 — затвор; 4 — переезд; 5 — отводящий
канал
Рис. 4.6. Типовое решение открытого регулируемого двухъярусного
водосброса:
1 — входная часть; 2 — головная часть; 3 — донное отверстие; 4 — поверх-
ностное отверстие; 5 — переезд; 6 — водобой; 7 — дренажные отверстия;
8 — крепленая часть отводящего канала
Mocroaol проем (Г-Т+2х1,0
Рис. 4.7. Водосливная плотина с решетчатым водосливом
Рис. 4Я. Открытый регулируемый водосброс конструкции Укргипроводхоза
на базе плоского затвора:
1 — входная часть; 2 — головная часть; 3 — лоток быстротока; 4 — водобой;
5 — крепленая часть рисбермы
Рис. 4.9. Открытый регулируемый водосброс конструкции Гидрорыбпроекта
на базе сегментного затвора:
1 — входной оголовок; 2 — головная часть; 3 — водобой; 4 рисберма;
5 — отводящий канал
Варианты открытых регулируемых водосбросов конструкции
Ленгипроводхоза на расчетные расходы от 20 до 50 м3/с при пере-
падах 5...15 м приведены на рис. 4.10и4.11.
Рис. 4.10. Открытый регулируемый водосброс на свайном основании:
1 — входная часть; 2 — затвор; 3 — переезд; 4 — быстроток; 5 — сваи
Рис. 4.11. 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
Сооружения состоят из входного оголовка, лотка быстрото-
ка, уложенного на свайное (рис. 4.10) или грунтовое (рис. 4.11)
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 учиты-
вают, что они экономически обоснованы при расходах более
50 м’/с при прочих равных условиях. Сбросные расходы на та-
ких сооружениях регулируют плоскими металлическими за-
творами, оборудованными подъемниками с ручным или элек-
трическим приводом.
На рис. 4.12 и 4.13 представлены различные компоновочные
схемы гидроузлов с открытыми береговыми управляемыми (ре-
гулируемыми) водосбросами.
Рис. 4.12. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым
управляемым водосбросом и водоспуском на одном берегу
-И М. В. Нестарое
Рис. 4.13. Гидроузел с грунтовой плотиной, береговым открытым
управляемым водосбросом и водоспуском на разных берегах:
1 — водосброс; 2 — плотина; 3 — водоспуск; 4 — запань
4.2.3. Открытые нерегулируемые (автоматические)
береговые водосбросы
Водосбросы с фиксирующим порогом. На открытом нерегули-
руемом поверхностном тракте отсутствует шлюз-регулятор. Та-
кие водосбросы включаются в работу автоматически, как только
уровень воды в водохранилище поднимается выше НПУ. Авто-
матичность работы водосброса обеспечивается фиксирующим по-
рогом, расположенным в подводящем канале на отметке НПУ.
Конструктивно он выполняется как водослив с подтопленным
или неподтопленным истечением. В последнем случае длина по-
рога будет меньше, и дно канала за порогом располагается на бо-
лее низких отметках.
Необходимо отметить, что автоматические водосбросы имеют
некоторые преимущества перед управляемыми: при эксплуата-
ции они не требуют наблюдения за изменениями уровня воды
в верхнем бьефе и регулирования величины сбрасываемого рас-
хода. За счет того, что водосливной порог сбросного сооружения
расположен на отметке нормального подпорного уровня верхнего
бьефа, перелив воды происходит автоматически при превыше-
нии уровня воды в водохранилище уровня порога.
Пропуск паводка сопровождается повышением уровня верх-
него бьефа обычно в пределах величины форсировки, равной
0,60... 1,20 м. Величина форсировки принимается на основании
технико-экономических расчетов (возможной дополнительной
площади затопления в верхнем бьефе, длины сливного фронта,
увеличения высоты грунтовой плотины, интенсивности павод-
ка и др.).
Однако автоматические водосбросы имеют и недостатки —
это временное дополнительное затопление прибрежной полосы
водохранилища, а также некоторое увеличение высоты грунто-
вой плотины.
А в 1ч магические вод«>сбросы экономичны, просты в устройстве
и эксплуатации, но требуют форсировки уровней в водохранили-
ще, что ведет к затоплению (на период пропуска паводка) дополни-
тельных площадей. Для устранения указанного недостатка прибе-
гают 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 фронталь-
ным забором воды, с криволинейными, полигональными, ковшо-
выми и траншейными входными оголовками. Наиболее эффек-
тивно применение таких водосбросов в водохранилищах малой
ширины.
Ковшовые (полигональные) открытые водосбросы. Ковшо-
вые водосливные оголовки, у которых водосливной фронт вы-
полнен в виде ломаной или криволинейной линий, иногда назы-
вают соответственно полигональными или криволинейными
28*
водосливами (рис. 4.14). Криволинейные или полигональные во-
досливы используют для уменьшения высоты слоя форсировки
в верхнем бьефе. Их применение перспективно и экономически
оправдано в широких водохранилищах с мелководной поймой.
На рис. 4.15 представлен открытый береговой водосброс с по-
лигональным водосливом конструкции Белгипроводхоза.
При трассировании водосброса по слабому основанию или через
тело плотины используют вариант сооружения на свайных опорах
(рис. 4.16), разработанный Ленгипроводхозом. Разработан и ва-
риант данной конструкции с водобойным колодцем (рис. 4.17.)
На рис. 4.18 показана одна из конструкций Укргипроводхоза —
открытый автоматический водосброс с ковшовым криволинейным
оголовком.
Ковшовые оголовки с полигональными и криволинейными во-
досливами могут быть расположены в любой части плотины, ни
лучший эффект достигается на водосбросах с оголовками, выдви-
нутыми в водохранилище. На рис. 4.19 представлена одна из воз-
можных компоновочных схем гидроузла с ковшовым водосбро-
сом [20].
Рис. 4.14. Конструкции входной части открытых нерегулируемых
водосбросов:
а — оголовок с полигональным водосливом; б — оголовок с криволиней-
ным водосливом; 1 — входной оголовок; 2 — водосливной порог; 3 — пере-
езд; 4 — ограждающие стенки водоприемника
Рис. 4.15. Открытый береговой водосброс с полигональным водосливным
оголовком конструкции Белгипроводхоза:
1 — водоприемный ковш; 2 — переходный участок; 3 — переезд; 4 — быст-
роточная часть сооружения; 5 — концевая часть
Рис. 4.16. Открытый автоматический водосброс конструкции
Ленги проводхоза с ковшовым водоприемным оголовком на свайном
основании быстроточной части:
1 — водоприемный ковш; 2 — переходный участок; 3 — переезд; 4 — быст-
роточная часть сооружения; 5 — концевая часть
Рис. 4.17. Автоматический водосброс конструкции Ленгипроводхоза
с расширяющимся водобоем:
1 — водоприемный ковш; 2 — переезд; 3 — лоток быстротока; 4 — водобой;
5 — крепленая часть отводящего канала
Рис. 4.18. 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 —про-
леты водосброса
Рис. 4.19. Гидроузел с грунтовой плотиной, открытым нерегулируемым
(ковшовым) водосбросом и водоспуском:
1 — водосброс; 2 — водоспуск; 3 — плотина; 4 — запань
Методика гидравлического расчета ковшового водослива бу-
дет приведена ниже (см. с. 445).
Траншейный водосброс. Траншейный водоброс (рис. 4.20) —
разновидность открытого автоматического сбросного тракта, в со-
став которого входят:
• боковой водослив (с широким порогом, практического про-
филя) с отметкой порога на НПУ;
• сборная траншея, к бровке которой примыкает водослив;
• сбросной канал;
* сопрягающее сооружение;
• отводящий канал.
В плотинах с незначительной разностью уровней воды в бье-
фах дно траншеи можно расположить на отметке русла водото-
ка, 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 располага-
ют вдоль уреза воды нормально (или близко к этому) к продоль-
ной оси плотины на расстоянии 20...40 м от плотины.
Рис. 4.20. Траншейный водосброс:
1 — отводящий канал; 2 — сопрягающее сооружение; 3 — плотина; 4 — тран-
шея; 5 — водосливной порог; 6 — сбросной канал; 7 — мост
Траншейные водосбросы выгодно применять при небольших
напорах на водосливе, крутых склонах долины и больших сброс-
ных расходах. Они более экономичны в скальных породах, ис-
пользовать их в нескальных грунтах возможно, но при этом стои-
мость сооружений возрастает из-за крепления водослива и тран-
шеи (при крутых откосах в ней приходится устраивать подпорные
стенки).
Следует отметить, что ввиду малых удельных расходов на во-
досливе длина сливного фронта траншейного водосброса имеет
значительную протяженность.
Гидравлический расчет траншейного водосброса сводится к оп-
ределению длины водосливного порога L и построению кривой
свободной поверхности воды по приближенному методу, предло-
женному проф. Е.А. Замариным. Расчет следует выполнять при
пропуске расходов Q, 0,5Q и 0,25Q.
Длину водосливного порога определяют по формуле неподтоп-
ленного или подтопленного водослива в зависимости от характе-
ра сопряжения потока в нижнем бьефе.
Если ha > пН0, то водослив подтопленный, если h„ < пН0, то во-
дослив неподтопленный (Лп — превышение уровня воды нижнего
бьефа над порогом водослива, м); п — коэффициент подтопле-
ния, принимаемый от 0,75 до 0,83.-.0,87.
При неподтопленном водосливе длину водосливного фронта
вычисляют по формуле
rr^2gHi2
(4-6)
где L — длина водосливного порога, м; Q — расход, сбрасывае-
мый через траншею, м3/с; т — коэффициент расхода (прибли-
женно принимают т = 0,36); Н —напор на пороге водослива, м.
При подтопленном водосливе длину водосливного порога на
ходят по формуле
Q _
(fh^2gz
(4.7)
где <р — коэффициент скорости; h — глубина воды на пороге во-
дослива в конце входного участка (глубина подтопления), м; z —
разность уровней воды в водохранилище и траншее (z = Н - Л).
Разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива
можно найти из зависимости
v = ^2gz.
(4.8)
Глубину наполнения и средние уклоны на отдельных участ
ках траншеи определяют, задаваясь шириной траншеи по дну и
средней скоростью течения воды.
П ример 4.1. Рассчитать траншейный водосброс бетонной конструкции.
Исходные данные. Расход, сбрасываемый через траншею, Q =
= 136,0 м*/с; напор на пороге водослива Н = 1,0 м; коэффициент за-
ложения откоса т = 1,0; коэффициент шероховатости л = 0,025; о,*, =
= 3,0 м/с (рис. 4.21) [40].
Рис. 4.21. Расчетная схема водосбросной траншеи
1. По (4.6) для незатопленного водослива с широким порогом опре-
деляем длину водослива L, принимая значения коэффициента расхода
т = 0,32:
£=136,0/(0^272 9J81 •1,0?/,)=100 м.
2. Разбивая траншею на пять-шесть участков, определяем расстоя-
ние до рассматриваемых сечений х,, х2, х2, ..., х„. Находим удельный
расход q=Q/L = 136/100 = 1,36 м’/с на 1 м. Зная удельный расход, вы-
числяем расчетный расход на сечениях: Q, = qxt; Qt = qx2\ Q3 = qxt и
т.д. Например, Q, = 1,36 • 20 = 27,2 м’/с.
3. Задаемся средней скоростью в начале траншеи иж = 1,5 м/с (на
расстоянии I = 0,5 м от начального сечения), а также средней скоро-
стью в конце траншеи и, = 2,5 м/с.
Определяем средние скорости в сечениях:
»!«»« + а(х, -1),
где а — коэффициент пропорциональности, равный
v —и 2.5-1.5
а =-“- = ’ =0,01,
L-1 100-0,5
откуда о, = 1,5 + 0,01(20-0,5) = 1,69 м/с.
4. Зная средние скорости, определяем площадь живого сечения в ка-
ждом сечении:
Q Q. О,
о») = —Ч ш2=—; <а.=—ит.д.
о, и2 и,
(например, ш, =27,2/1,69 = 16,1 м2).
5. При известных значениях площади живого сечения и коэффици-
ента заложения откоса определяем глубину из выражения
, -Ь. + Jb? + 4лг<о. -b. + Jb2 + 4m <0,
=——~--------------Ч л2 ’ и т-Д-«
2т 2т
где bt, Ь2, — ширина траншеи по дну, принимается линейно изме-
няющейся (bi = 5 м; Ь2 = 8 м; Ь, = 11 м и т.д.):
*1 =
-5 + ^5,+4 1 16
2Л
=2Лм.
6. При известных Qt, Q2, Q3,.... Qn vt, v2, v2,..., u,, Л,, h2, ht,.... Л,, bp
b2, bt, ...,b„an = 0,025 определяем для каждого сечения уклон:
L = —v—; 1, = ft- ; L = -ft— и т.д. (например,L =—--=0,0012).
4 C?R. 2 CiR’^ C^R. 41,7* 1,42
7. Зная уклон и расстояние между сечениями, определяем потери напо-
ра ДЛ, = цДх,; ДЛг = 1^,; ДЛ, = 1,Дха и Т.Д. (Mj = 0,0012 • 20 = 0,024 м
и т.д.).
8. По известным Л и ДЛ находим отметки свободной поверхности, от-
метки дна траншеи и строим продольный профиль (рис. 4.21).
Результаты всех расчетов сведены в табл. 4.2.
К примеру 4.1 Таблица 42
Мп/а X. м Q. м’/е V, м/с ш, м1 Ь, и Л, м X
1 20,0 27,2 1.69 16,0 5,0 2,2 11,2
2 40,0 54,4 1,89 28,7 8,0 2,7 15,9
3 60,0 81,6 2,09 39,0 11,0 2,8 18,9
4 80,0 108,8 2,29 47,4 14,0 2,8 21,9
5 100,0 136,0 2,50 54,4 17,0 2,8 24,9
Продолжение табл. 42
№п/п R п С t ДА.М Отметка свобод- ной поверхности Отметка два траншея
1 1,42 0,025 41,7 0,0012 0,024 14,98 12,77
2 1,80 0,025 44.0 0,0010 0,020 14,96 12,26
3 2,06 0,025 45,2 0,0010 0,020 14,94 12.14
4 2,16 0,025 48,5 0,0010 0,020 14,92 12,12
5 2,18 0,025 48,8 0,0010 0,020 14,90 12,10
Сопрягающее
сооружение
Водоспуск
444
4. Водопропускные сооружения при плотинах...
На рис. 4.22 и 4.23 представлены гидроузлы с траншейными
водосбросами.
а
Входной оголовок
водосброса
511
5
Рис. 422. Гидроузел с траншейным водосбросом:
а — компоновка гидроузла; б — продольный разрез водосброса
Ось ледозащитного /.|
устройства
г
г
4.2.4. Закрытые автоматические водосбросы
Типы водосбросов. Составными частями таких водосбросов
являются входной оголовок и примыкающий к нему трубопро-
вод, укладываемый в грунт ниже дневной поверхности. В месте
выхода потока воды из трубы устраивают выходной оголовок,
а за ним водобойный колодец, воронку размыва или другой тип
гасителя для гашения кинетической энергии.
Рис. 4.23. Боковой траншейный водосброс конструкции Укргипроводхоза:
1 — водоприемная часть сооружения; 2 — переезд; 3 — быстроточная часть;
4 — водобой; 5 — отводящий канал; 6 — водосливная часть оголовка
Входная часть этих водосбросов может быть как с неподтоп-
ленным, так и с подтопленным истечением, причем неподтоп-
ленное истечение лучше, так как длина водосливного фронта в
этом случае будет меньше.
К закрытым водосбросам автоматического действия относят
трубчато-ковшовые, шахтные, сифонные, туннельные. Из пере-
численных в Республике Беларусь чаще применяют трубчато-
ковшовые и шахтные водосбросы БГВХ.
Трубчато-ковшовый водосброс. Входной оголовок выполняют
в виде ковша с забором воды по всему его периметру. Оголовок
с соединяют переходным участком, обеспечивающим плавный пе-
реход от прямоугольного сечения оголовка к круглому сечению
трубы. Кромку ковша иногда удлиняют, выполняя ее ломаной, и
тем самым увеличивают водосливной фронт. Трубы применяют
круглые заводского изготовления. По длине трубы ставят проти-
вофильтрационные диафрагмы (рис. 4.24).
Гидравлический расчет трубчато-ковшового водосброса за-
ключается в определении длины водослива, размеров попереч-
ного сечения труб и расчете нижнего бьефа.
Рис. 4.24. Трубчато-ковшовый водосброс (а) и график для определения
коэффициента подтопления оп (б):
1 — входная часть водосброса; 2 — ковш; 3 — напорные трубы; 4 — гаситель
Длину водослива, обеспечивающую нормальный режим рабо-
ты сооружения, находят по формуле
где а„ — коэффициент подтопления (определяется по графику на
рис. 4.24, б}\ т — коэффициент расхода; Н — напор на пороге
водослива, м.
Коэффициент подтопления принимают в зависимости от отно-
шения hJH^ (й„ — высота подтопления, м; Но — полный напор
на пороге водослива с учетом скорости подхода, м).
Имея общую длину, устанавливают ширину торцовой и боко-
вых частей водослива. Ширина торцовой части должна быть рав-
на или больше продольного фронта трубы.
Задаваясь количеством труб и их размерами, определяют ско-
рость v — Q/to, где <о — площадь живого сечения потока в тру-
бах, м2.
Полная потеря напора определяется по зависимости
„2 „2
‘.-Z5b=ft-+5“+^+-)b (4Л0)
где — коэффициент сопротивления при входе; — коэффи-
циент сопротивления при выходе; — коэффициент сопротив-
ления на трение по длине труб и т.д.
Коэффициент сопротивления при входе в трубу принимают:
при острых кромках 4'» = 0,5, при плавном входе = и,2, при
весьма плавном входе — 0,05.
Коэффициент сопротивления при входе с учетом скорости в
трубе составит:
(4.11)
V v )
где — средняя скорость течения в сечении на входе, м/с; v —
средняя скорость течения в данном сечении трубы, м/с.
Коэффициент сопротивления при выходе под уровень нижне-
го бьефа составит:
z \2
^=1—Ь (4-12)
где (Oj — площадь живого сечения потока в трубе, м2; (02 — пло-
щадь живого сечения потока в водобойном колодце при выхо-
де, м2.
Коэффициент сопротивления на трение по длине труб равен:
• для труб круглого поперечного сечения:
£ =8^£ = ^; (4.13)
C'd d
• для труб прямоугольного поперечного сечения:
(4.14)
где X — коэффициент сопротивления по длине в трубах (определя-
ется по табл. 2.16); I —длина трубы, м; d —диаметр трубы, м.
448
4. Водопропускные сооружения при плотинах...
Если полные потери напора в трубах примерно равны напору,
то сечения труб достаточно для пропуска расчетного расхода.
Для гашения энергии потока в конце трубы устраивают водо-
бойный колодец или водобойную стенку, или ковш (см. пара-
граф 2.4).
Пример 4.2. Выполнить гидравлический расчет трубчато-ковшового
водосброса.
Исходные данные. Расход Q = 30,0 м’/с; Н — 1,0 м; отметка уровня
воды при сбросе паводковых вод 35,0 м; отметка уровня воды в нижнем
бьефе 27,5 м; уклон труб I = 0,1; коэффициент шероховатости п — 0,014;
длина труб I = 40,0 м [6].
1. Для создания более спокойного движения воды уровень воды в ков-
ше принимаем выше отметки порога водослива на величину ha - 0,2 м.
Определяем отметку порога водослива 35,0-1,0 = 34,0 м. Отметка уров-
ня воды в ковше будет 34,0 + 0,2 — 34,2 м. Разность уровней в ковше и
нижнем бьефе составит 34,2-27,5 = 6,7 м.
2. Чтобы определить ширину водослива, находим отношение hJH =
= 0,2/1,0 = 0,2 ипографику(см.рис. 4.24, б)определяем коэффициент
подтопления ав = 0,96.
3. Коэффициент расхода принимаем как для трапецеидального водо-
слива (т = 0,42). Полагая, что скорость подхода незначительна, опреде-
ляем длину водосброса:
Q _____________30,0_______
Cam42gHyi 036 0,42^2 9Д1 l.o’7’
» 17,0 м.
4. Принимает ширину торцовой стенки 5,0 м, тогда длина двух боко-
вых стенок будет 17,0 - 5,0 = 12,0 м, а одной — 6,0 м.
5. Для сброса воды примем две трубы круглого сечения d = 1,5 м, то-
гда площадь живого сечения потока в трубах «о, = 3,54 м2.
Определяем скорость в трубах v = Q/e>, = 30,0/3,54 = 8,5 м/с.
6. Вход в трубу делаем в виде раструба d = 2,0 м. Площадь входно-
го раструба составит(xd2)/4 =(3,14 2*)/4=3,14м2, а скорость на входе
в трубы
30,0
2 3,14
= 4,8 м/с.
Зная скорости, определяем коэффициент потерь напора при входе
7. Приняв толщину стенок труб t = 0,2 м и расстояние между ними
0,7 м, найдем ширину входного фронта труб (1,5 + 0,4) 2 + 0,7 = 4,5 м.
8. Примем ширину водобойного колодца 5,0 м и его глубину 1,8 м.
Площадь живого сечения потока в водобойном колодце будет со, = 5,0 х
х 1,8 = 9,0 м *.
9. Зная площади живых сечений со, и со,, определим коэффициент со-
противления при выходе под уровень:
Определяем коэффициент сопротивления на трение в трубах:
1£ = 0:02Ь40:0.2 =
d 1,5
Коэффициент сопротивления на поворот принимаем = 0,1-2 = 0,2.
10. Определяем полные потери напора:
£(U + ) = Y^0’064+о-36+142+°*2) =6’45 м-
Общий напор z = 6,50 м примерно равен потере напора Л„ = 6,45 м,
значит, число труб и размеры их поперечного сечения приняты пра-
вильно.
На рис. 4.25 и 4.26 приведены закрытые автоматические во-
досбросы конструкций Белгипроводхоза и Союзгипроводхоза со-
ответственно.
Следует заметить, что при небольших расходах и в условиях,
допускающих воронки размыва в нижнем бьефе, сопряжение
бьефов на большинстве действующих водосбросов осуществлено
по типу отброшенной струи.
Одна из возможных компоновочных схем гидроузла с ковшо-
вым водосбросом приведена на рис. 4.27 (см. с. 452).
Шахтный (башенный) водосброс. Такой водосброс состоит из
следующих основных частей:
• башни (шахты);
• водоотводящей трубы;
• устройства нижнего бьефа;
• водоспуска (при необходимости).
29 М В. Нестеров
Монолитны* бетон
Подготовка на гравия
Рис. 4.26. Ковшовый водосброс трубчатый (Союзгипромелиоводхоз)
Если ствол шахты целиком выполнен (размещен) в грунте, то
такой водосброс называют шахтным. Шахтные водосбросы це-
лесообразно применять в скальных берегах, так как в этих слу-
чаях отпадает необходимость в строительстве железобетонной
шахты. Шахта обеспечивает автоматический сброс воды и под-
держивает уровень в верхнем бьефе в установленных водохозяй-
ственным расчетом пределах. При наличии водоспуска шахта
используется для установки затворов, размещения оборудова-
ния и служебного мостика, с которого осуществляется управле-
ние режимом работы водоспуска и отводящего водовода.
Шахтные водосбросы выполняют регулируемые и нерегули-
руемые (автоматического действия). В регулируемых водосбро-
сах гребень кольцевого водослива располагают ниже НГТУ, а для
поддерживания заданного уровня в водохранилищах применяют
затворы. Управляют затворами со служебных мостиков, которые
опирают на бычки, радиально расположенные по длине кольце-
вого шахтного водослива. В нерегулируемых шахтных водосли-
вах, работающих автоматически, кольцевые водосливы распола-
гают на отметке НГТУ.
Если ствол шахты расположен выше поверхности грунта, та-
кой водосброс называют башенным. Он состоит из круглой или
прямоугольной башни и горизонтальной трубы круглого или
прямоугольного поперечного сечения. Вертикальная башня мо-
жет быть каменной, бетонной и железобетонной. Отводящая
труба устраивается из железобетонных труб, уложенных на бе-
тонном основании. Верх башни должен быть на отметке нор-
мальною подпорного уровня (НПУ) воды (рис. 4.28). При повы-
шении уровня вода переливается через стенки башни и отводит-
ся по отводящей трубе в нижний бьеф. В конце отводящей
трубы устраивается сооружение для гашения энергии потока
(водобойный колодец, водобойная стенка, консольное устройство
с воронкой размыва (рис. 4.29) и др.), за которым расположен
отводящий канал. Сверху по периметру башни устанавливается
металлическая решетка, возвышающаяся над максимальным
подпорным уровнем (ФПУ) воды. Она предотвращает попадание
в башню различных плавающих предметов. На рыбоводных
прудах применяют рыбозаградительные мелкие съемные ре-
шетки.
Башенные водосбросы строятся как в берегах, так я в теле
плотины. Их часто совмещают с водовьшусками (водоспуска-
ми), тогда в нижней передней части башни устраивают отвер-
стие, перекрываемое щитом, управление которым осуществля-
ется со служебного мостика. В зависимости от расположения
башни (у подошвы верхового откоса, примерно посредине отко-
са или в примыкании к бровке гребня подошвы) к водоспускно-
му отверстию башни может подходить капал или водоспускная
труба(рис. 4.30, рис. 4.31).
Переход
Рис. 4.28. Башенный (шахтный) водосброс с перепадом
Соединение трубы с башней осуществляют при помощи тем-
пературно-осадочного шва (ТОШ), который обеспечивает водоне-
проницаемость соединения и независимость деформации частей
сооружения.
При наличии донного водоспуска подводящую часть выполняют
в виде канала с нулевым или прямым уклоном. Перед входным
оголовком канал крепится железобетонными плитами от размыва
большими придонными скоростями. Для защиты водоспуска от за-
сорения на входе устраивают сорозащитный свайный ряд или уста-
навливают решетки. Металлическая решетка также необходима,
чтобы при выпуске воды из водохранилища не выходила рыба.
На участке водосбросного сооружения верховой откос плотины
крепят железобетонными плитами по слою песчаной подготовки
толщиной 0,7...0,8 йпр, где Л^, — толщина возможного промерза-
ния откоса. Такое техническое решение необходимо для устране-
ния деформаций крепления и образования трещин вблизи шахты
при возведении насыпи из пучинистых грунтов.
Рис. 4.29. Консольный трубчатый тип устройства нижнего бьефа
трубчатого водосброса
Рис. 4.30. Башенный водосброс:
1 — башня; 2 — пазы для щитов; 3 — металлическая решетка; 4 — слу-
жебный мостик; 5 — муфты; 6 — отводящая труба; 7 отводящий канал;
8 — водобойная стенка; 9 — бетонное основание; 10 — донное отверстие
Рис. 4.31. Башенный водосброс (Белгипроводхоз)
При расположении шахты в откосе насыпи желательно отсы-
пать вокруг шахты специальную берму, которая способствует
выравниванию скоростей подхода сбрасываемого потока и улуч-
шает режим работы и пропускную способность водослива башни
или шахты 1см. рис. 4.31).
Днище башни выполняют из монолитного железобетона. Его
толщина, ж<-еткость, плановые размеры и масса башни и пригруз-
ки должны обеспечивать надежность конструкции при динамиче-
ском и взвешивающем воздействии потока. Следует отметить, что
условие устойчивости башни к взвешивающему воздейст вию пото-
ка является одним из основных, ограничивающих диапазон эко-
номической эффективности автоматических башенных водосбро-
сов. При расходах более 80...120 м’/с резко увеличивается сливной
периметр и объем башли. При этом возрастает величина взвеши-
вающей (выталкивающей) нагрузки, для восприятия которой не-
обходимо существенно увеличить массу башни и ее стоимость.
Башню располагают в пределах веря него откоса, чаще в сред-
ней части. При размещении башни у подошвы откоса улучшают-
ся условия для ее осмотра, уменьшается внешнее давление на
оболочку, но удлиняется эстакада и несколько ухудшаются усло-
вия ее работы против всплытия.
В тех случаях, когда необходимо уменьшить слой форсировки
уровней, прибегают к устройству полигонального оголовка шал
шы|рис. 4.32).
Если необходимо повысить прочность башни, в ней устанавли-
вают внутреннюю разделительную стенку диафрагму (рис. 4.33),
в нижвей части которой устраивают перепускные отверстия. На-
личие диафрагмы, перепускных отверстий и затворов позволяет
уменьшить нагрузку H i затвор и улучшить режим работы водоот-
водящей трубы и устройс гва нижнего бьефз..
Вода, поступившая в башню и донный водоспуск, вытекает
в нижний бьеф через водоотводящие трубы. Количество ниток и
поперечные размеры труб, так же как и водоспуска, принимаются
на основании гидравлического ]>асчета. В типовых сооружениях
отводящие трубы устраивают из сборных унифицированных же-
лезобетонных изделий круглого или прямоугольного профиля.
Наиболее широко применяют сборные трубы диаметром 1,0; 1,2;
1.4; ] ,6; 1,8 м. Трубы прямоугольного сечения делают из унифи-
цированных блоков ВхЛ=1,5х2м, 2x2м или панелей 3 х 2 м.
458
4. Водопропускные сооружения при плотинах...
I-I
Рис. 4.32. Полигональный шахтный оголовок водосброса-водоспуска:
1 — отверстие водоспуска; 2 — шахта; 3 — водовод; 4 — оголовок шахтного
водосброса
Рис. 4.33. Шахтный водосброс, совмещенный с водоспуском:
1 — водоспускное отверстие; 2 — диафрагма; 3 — затворы
По длине водоотводящие трубы делят на секпии температур-
но-осадочными швами (ТОШ). Количество швов и их месторас-
положение принимают с учетом длины блоков, статической осо-
бенности водосброса и поперечного сечения земельной насыпи
(плотины), т.е. с учетом неравномерности нагрузки на основа-
ние и величины деформации по длине водовода. При длине водо
вода до 30 м количество ТОШ принимают не менее трех: на сты-
ке с шахтой и в створах (сечениях), взятых слева и справа от
гребня насыпи.
Для снижения опасности развития контактной фильтрации
по длине водовода через 4.. 6 м устраивают диафрагмы из желе-
зобетона или полимерной пленки. Размеры и местоположение
диафрагм определяют фильтрационным расчетом.
Водоотводящие трубы укладывают на бетонпую подготовку
с нулевым уклоном оси или с уклоном i < iKp.
Наружные поверхности башни и труб оклеивают асфальтовы-
ми матами или другим видом оклеечной гидроизоляции, которая
Hi /вышает водонепроп ицаемость бетона и, следовательно, снижает
воздействие на конструкцию касательных сил морозного пучения.
Для снижения величины воздействия нормальных сил мороз-
ного пучения на стенки башни и труб пучинистый грунт обратной
засыпки заменяют непучинистым, в крайнем случае слабопучи-
нистым (например, среднезернистым песком слоем 0,6.. <<.8 м).
Для перехвата и отвода фильтрационного потока в нижний бьеф
в начале водобоя перед выходным оголовком устраивают дренаж
(рис. 4.34).
Перспективно совмещать в конструкциях трубчатых водо-
сбросов положительные особенности сооружений с ковшовым и
шахтным оголовками. Одна из таких конструкций, приведен-
ная на рис. 4.35, обеспечивает как автоматический, так и регу-
лируемый сброс расходов.
На рис. 4.36 (см. с. 462) показана схема гидроузла с шахмат-
ным водосбросом-водоспуском.
При проектировании водосбросов с шахтным оголовком гид-
равлическими расчетами устанавливают:
• периметр водосливной части шахты, обеспечивающий про-
пуск расчетного расхода при заданном слое форсировки уровней
в водохранилище;
Перильные ограждения
Рис. 4.34. Дренажное устройство башенного водосброса:
трубчатый дренаж в конце водовода перед выходным оголовком; 2 — ленточный дренаж на водобое за выходным
оголовком (см. рис. 4.31. II—II)
Рас. 4.35. Трубчатый напорный водосброс-водоспуск с шахтным оголовком:
1 — отверстие водоспуска; 2 — затвор с подъемником; 3 — шахтный оголо-
вок; 4 — эстакада; 5 —напорная труба водосброса; 6 — водобой; 7 — отводя-
щий канат
* размеры водопроводящей трубы при заданном уровне воды
в шахте или необходимый напор при заданных размерах трубы;
• параметры гидравлического прыжка и водобойных уст-
ройств (расчет нижнего бьефа);
• размеры крепленой части рисбермы и воронки размыва за ней.
Если водосброс совмещен с водоспуском, то при соответствую-
щем расчетном расходе водоспуска определяют:
• параметры трубы водоспуска из условий напорного течения
в ней;
• кривую свободной поверхности воды в трубе водосброса.
Для этого используют зависимости для неравномерного дви-
жения потока. Обязательно нроверя ют нижний бьеф, так как при
расчетном расходе водоспуска в нижнем бьефе очень малая глу-
бина.
При круглом поперечном сечении башни ее диаметр
Q
<к =
тку 2gИ **
(4.15)
где т — коэффициент расхода для водослива с тонкой стенкой
(zn = 0,4); Н — напор на гребне башни, равный разности отметок
Уровня воды при расчетном расходе и нормального подпорного
Уровня, м; Н - 1ФПУ - ЛЯПУ.
Рис. 4.36. Схема гидроузла с шахтным водосбросом-водоспуском:
а — план гидроузла; б — разрез по водосбросу
Если поперечное сечение башни прямоугольное, то ширина (пе-
□иметр) водослива определяется как для ковшового водосбросе.
Площадь поперечного сечения отводящих труб
®=—|L=, (4.16)
где ц — коэффициент расхода трубы; г — напор в трубе, м.
При подтопленном выходном отверстии трубы напор равен
разности отметок верха башни и уровня воды в нижнем бьефе,
при неподтопленном выходном отверстии — разности отметок
верха башни и оси отводящей трубы.
Коэффициент расхода составляет:
и = I _ 1— (4.17)
^1+£„ + М/(4Н)
где£,м — коэффициент сопротивления при входе; X — гидравли-
ческий коэффициент трения (принимают по табл. 2.16); I — длина
отводящей трубы, м.
Пример 4.3'. Произвести гидравлический расчет башенного водо-
сброса.
И сходные данные.Q = 20 mVc; напор на гребне башни Я = 0,8 м: вы-
сота башни Н, =4 м. Отводящая труба железобетонная, с плавным вхо-
дом (см. рис. 4.30), для нее принимаем л = 0,025 и = 0,2; I - 30 м
Выходное отверстие трубы неподтопленное.
1. Находим диаметр башни по (4.15):
0,40 3.14^29/sl ОЗ3 2 ’
2. Принимаем диаметр отводящей трубы d = 1,25 м. Напор в трубе
2=4 - 1,25/2 = 3,38 м
Гидравлический радиус отводящей трубы R = 1,25/4 = 0.31 м, тогда
по (4.17) коэффициент расхода
ц= I - 1--------=0,75.
VI+ 0,2 + 0,025 30/1,25
Примеры 4.3-4.5 позаимствованы из [19,20].
3. По (4.16) вычисляем площадь живого сечения отводящих труб:
со =------------=ЗД
0,7572 9Л 3^8
Принимаем три отводящие трубы. Площадь живого сечения одной
трубы составляет:
^=1,1м’,
3 3
диаметр d = 741.1/ЗД4 = 1,18м.
4. Общая ширина отводящих труб должна быть не больше внутрен-
него диаметра башни. При толщине стенок труб 0,2 м общая ширина
трех труб 1,18 • 3 + 0,2 • 6 = 4,74 м. что меньше диаметра башни, рав-
ного 5,02 м.
5. Гидравлический расчет нижнего бьефа см. в гл. 2.
Инженерными расчетами определяют необходимые разме-
ры стен шахты и ее армирование; размеры элементов шахты про-
тив всплытия; параметры водобойной части как доковой конст-
рукции. Статические расчеты трубы показаны ниже.
Пример 4.4. Выполнить расчет круглой сборной шахты на всплытие.
Исходные данные. Высота шахты Нш = 8 м, внутренний диаметр
шахты D, = 7,6 м, наружный D* = 8,6 м, фундаментная плита под шах-
той имеет размеры 10 х 10 х 2,8 м, конструкция ее принята по аналогии
с ТП 820-222. Грунты в основании шахты суглинистые с коэффициен-
том пластичности 1а < 0,5.
1. Предельное состояние наступает при условии
ncNf<^-R, (4.18)
где пе — коэффициент сочетания нагрузок (принимают для основного их
сочетания по СНиП 2.06.01-86; в нашем случае ne = l);Np —расчетное
значение подъемной силы [Np = пРг; п — коэффициент перегрузки
(принимают по СНиП 2.06.01-86 (см. табл. 6.6); Рг — подъемное уси-
лие Pt = Wy, 1У — объем шахты и фундаментной плиты, определяемый
по наружному контуру]; т — коэффициент условий работы, учитываю-
щий совместную работу основания и шахты (принимается в соответст-
вии со СНиП 2.02.01—83 в зависимости от грунта и параметров шахты
(табл. 6.7); К, — коэффициент надежности (принимают в соответствии
со СНиП 2.06.01-86; для сооружений IV класса К„ — 1,1 (табл. 6.8);
Ц — расчетное значение обобщенной несущей способности сооружения
[Л = K(WeY„ + V^aY&); К — коэффициент безопасности по материалу (оп-
ределяют по СНиП 2.02.02-85); W6 — объем бетона шахты; уж — плот-
ность железобетона; W, — объем бетона в плите; уб —плотность бетона.
2. Данные расчетов по определению условия устойчивости шахты
против всплытия приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
К примеру 4.4
Параметр Значение Параметр Значение
»е 1 К, 1,1
п 1 к 0,95
W, м* 744,7 w6, и* 112
у, кН/м3 10 уж, кН/ м3 25
Р', кН 7447 280
А'р, кН 7447 7#. кН/ м* 24
/Л 1.1 Я, кН 9039
В соответствии с ними имеем 1-7447 < (1,1/1,1)9039. Расчетное усло-
вие шахты против ее всплытия выполняется.
Пример 4.5. Выполнить расчет сбросной цилиндрической шахты на
сдвиг по неперевязанному сечению в период ее возведения.
Исходные данные. Внешний диаметр шахты Л, = 11 м, внутрен-
ний — Л, = 10 м.
Рассмотрим наихудший расчета ый случай при односторонней засып-
ке кольца цилиндрической шахты единичной высоты, когда бульдозер
находится в зоне призмы обрушения.
1. На кольцо единичной высоты действует сдвигающая сила от мас-
сы призмы обрушения грунта при его односторонней засыпке с учетом
дополнительной нагрузки от массы бульдозера. Препятствует сдвигу
сила от массы кольца шахты высотой 1 м с учетом контакта с предыду-
щим кольцом.
2. Среднее давление бульдозера на грунт определяем по зависимости
mg
4~2brl,
(4.19)
где т — масса бульдозера, кг; g — ускорение свободного падения; Ьг и
(г — ширина и длина опорной поверхности гусеницы бульдозера, м.
30 М. В. Нестеров
Среднее давление на грунт от бульдозера зависит от типа трактора
(ДТ-75М, ДТ-75МВ, Т-100, Т-150 и др.). Согласно справочной литерату-
ре, оно равно 46. ..51 кПа.
3. Влияние массы трактора на значение сдвигающей силы предста-
вим в виде приведенного слоя грунта. Поскольку внешний диаметр
шахты Da — 11 ми слой грунта от массы трактора необходимо привести
для этого участка, то с существенным запасом примем среднее давле-
ние грунта от кратковременной нагрузки q — 51/2 = 25,5 кПа.
4. Определяем приведенную высоту грунта
= 9/7,: Л„р = 25,5/18,0 = 1,42 м, (4.20)
где уг — плотность грунта (в соответствии со СП 227-82 принимаем
уг = 18 кН/м3).
5. Давление грунта в расчетных сечениях определяем в соответст-
вии со СНиП 2.06.07-87:
9л = «7, ^Bptg3(45° - ф/2); (4.21)
=1,2 18- 1,42 tg231°= 11,05 кН/м2;
<7в = «7, (Лпр + Л) tg2(45° - <р/2); (4.22)
дв=1,2 • 18 • 2,42 tg231° = 18,85 кН/м2.
6. Сдвигающая сила на кольцо цилиндрической шахты:
Г = 9д1_?£..^; (4.23)
г = 11Д5.18354 п=1е445кН
7. В соответствии с рекомендациями Гидропроекта коэффициент за-
паса устойчивости определяем по зависимости
(4.24)
где f кс — расчетные параметры сопротивления сдвигу, характеризую-
щие прочность контакта сооружения с основанием на срез (/ = 0,65...1,0;
с = 100 кПа); Р и Т — сумма проекций действующих сил соответственно
к плоскости сдвига и сдвигающих, кН; F — расчетная площадь сдвига.
В рассматриваемом случае
F=^(Db2-D2),
где О, — внутренний диаметр шахты.
8. Вес кольца шахты единичной высоты:
Р = л2 С?б лв; (4.25)
Р = 1,05 • 25,2 • 13,2 = 349,3 кН,
где пг — коэффициент перегрузки; Ge — вес одного блока; м6 — число
блоков в кольце.
9. Примем /=0,65, с = 0, что идет в запас на устойчивость, тогда
„ 0,65 349,3 + 0 16,50 , „о
К, == 1 — JL «оо.
* 164,43
10. В соответствии со СНиП 2.02.02-85 расчет устойчивости следует
выполнять, как для сооружения на скальном основании, из условия
neN„<—R,
‘ ₽ К„
где Nf и R — расчетные значения соответственно обобщенной сдвигаю-
щей силы и силы предельного сопротивления, кН; пс, т, Кж — коэффи-
циенты сочетания нагрузок, условий работы и надежности (для рассмат-
риваемого случая пс = 1, m = 1, Кп = 1,1).
R = ^(Р, tgip, + 0,(0,)+ тгЕа,
i=i
где о»; — площадь сдвига; Е„ — горизонтальная составляющая давления
грунта (в данном случае Е, = 0); т2 — коэффициент (тг = 0,7).
Для рассматриваемого случая в соответствии со СНиП 2.02.02-85
принимаем tg<p = 0,7, с = 100 кПа, Еи = 0, тогда R = Р-0,1 + 100F =
= 349,3 • 0,7 + 100 • 16,50 = 1894,51 кН. Окончательно получаем 1,0 х
х 164,43 < (1/1,1) 1894,51 = 1722,28.
Расчеты показывают, что сооружение отвечает устойчивости на сдвиг
по неперевязанному сечению в период его возведения.
Специальными, гидротехническими расчетами устанавли-
вают характеристики обратных фильтров и наброски камня в во-
ронке размыва; устойчивость основания сооружения; прочность
материала плотины и основания на воздействие фильтрационно-
го потока.
Фильтрационный (гидротехнический) расчет подробно рас-
смотрен в гл. 1.
4.2.5. Обшие положения проектирования водосбросных
сооружений
Порядок проектирования. При проектировании водосброс-
ных сооружений решают следующие задачи:
• в соответствии с классом водоподпорного сооружения оп-
ределяют расчетную вероятность сброса расхода;
• с помощью гидрологического и водохозяйственного расче-
тов устанавливают значения расчетного сбросного расхода;
• намечают несколько конкурирующих вариантов водосброс-
ного сооружения, включающих разные типы сооружений и раз-
личные трассы водосбросного тракта;
• устанавливают основные размеры сооружений по каждому
из намеченных вариантов;
• определяют местоположение и размеры отдельных соору-
жений с учетом рельефа местности и геологических условий;
• конструируют;
• по каждому из выбранных вариантов выполняют уточняю-
щие и окончательные проектные проработки, включая сметно-
финансовые расчеты;
• по результатам технико-экономического сравнения вариан-
тов выбирают основной вариант водосброса.
Расчетные расходы водосбросов. При проектировании посто-
янных речных гидротехнических сооружений расчетные макси-
мальные расходы воды определяют по СНиП 2.01.14-83, уста-
навливая их ежегодную вероятность превышения в зависимости
от класса сооружений для основного и поверочного случаев по
табл. 4.1.
Расчетный расход воды рекомендуется определять с учетом
трансформации части объема паводка в водохранилище. Тип,
число и размеры поперечного сечения водосбросных сооруже-
ний следует выбирать исходя из пропуска расчетного расхода
воды для основного случая.
Выбор варианта водосброса. Один из наиболее ответственных
вопросов проектирования, вызывающих наибольшие затрудне-
ния — выбор варианта из числа конкурирующих. Каждый из на-
мечаемых вариантов должен учитывать природные, гидрологи-
ческие и инженерно-геологические условия района строительст-
ва, а также условия эксплуатации проектируемых сооружений.
Оптимальный вариант может быть принят на основе техни-
ко-экономического сравнения различных типов конструкций.
При технико-экономическом сопоставлении вариантов водо-
сбросов необходимо учитывать стоимость не только самого водо-
сброса, но и примыкающей к нему части плотины. Для умень-
шения стоимости водосбросных сооружений рекомендуется рас-
сматривать возможность устройства в составе водохранилищных
узлов резервных водосбросов с размываемыми грунтовыми встав-
ками. Они повышают надежность работы сооружения при про-
пуске расходов редкой повторяемости и одновременно снижают
стоимость строительства и эксплуатации водосбросов.
При выборе варианта регулируемого или нерегулируемого во-
досброса рекомендуется учитывать следующие моменты:
• нерегулируемые открытые водосбросы экономически целе-
сообразны при расходах менее 100...200 м*/с, устройстве плотин
малой протяженности и сравнительно больших объемах транс-
формации паводкового расхода между отметками НПУ и ФПУ;
• автоматические водосбросы не требуют постоянного дежур-
ства обслуживающего персонала, обеспечивающего работу подъ-
емного оборудования затворов. Это особенно важно в районах
с внезапными и значительными паводками, так как такое де-
журство трудно организовать на малых и удаленных от населен-
ных мест объектах;
• регулируемые водосбросы позволяют поддерживать расчет-
ный подпорный уровень воды в водохранилище и могут обеспе-
чивать сброс паводковых расходов без форсировки уровней, т.е.
без дополнительного затопления прилегающей территории. Та-
кие водосбросы на 10... 15 % дешевле нерегулируемых;
* нерегулируемые водосбросы требуют устройства более вы-
соких плотин, но они могут иметь и меньшие размеры из-за
трансформации расчетных паводковых расходов.
При выборе типа и конструкции водосброса необходимо также
учитывать, что около 75 % построенных в последние годы соору-
жений для наиболее вероятных условий низконапорных водо-
хранилищных гидроузлов (перепад до 15 м, расход до 150 м’/с)
запроектированы по типовым проектам. Наиболее перспективны
проекты, базирующиеся на применении унифицированных кон-
струкций.
При выборе типа водосброса — открытый или закрытый (труб-
чатый) — следует отметить, что по сравнению с открытыми труб-
чатые сооружения имеют ряд преимуществ. Применяя трубчатые
водоводы, можно сократить длину водосброса, проложив его трас-
су по наикратчайшему пути. Отпадает и необходимость строи-
тельства специального сооружения — моста, так как для проезда
через створ трубчатого водосброса используется земляная насыпь.
Одновременно создается возможность совместить водосброс с дру-
гими водопропускными сооружениями, например с водоспуском.
Такое решение позволяет упростить состав и компоновку гидроуз-
ла, снизить стоимость его строительства. К недостаткам трубча-
тых водоводов следует отнести неудобство технического осмотра и
ремонта конструкций, сложность режима движения потока.
В процессе эксплуатации водосброса водовод может работать
в напорном, безнапорном или переходном режиме. При смене ре-
жимов снижается пропускная способность трубы, создается опас-
ность развития пульсационных гидродинамических нагрузок,
возможна вибрация сооружения. Поэтому при выборе типа конст-
рукции и размеров трубчатого сопрягающего водовода необходимо
исходить из условия стабильности заданного режима движения
потока. Учитывая это условие, наклонные водоводы (например,
ковшовых водосбросов) проектируют чаще всего безнапорными,
а горизонтальные (например, шахтных водосбросов) —напорными.
Выбор трассы водосбросного тракта. Тип, конструкция,
а в итоге и стоимость водосброса зависят от положения трассы
водосбросного тракта. При выборе трассы рекомендуется учиты-
вать следующие соображения:
• ось водосбросного тракта целесообразно трассировать по бере-
гам водотока и, по возможности, перпендикулярно горизонталям;
• трасса водосброса должна быть по возможности прямоли-
нейной и иметь минимально возможную протяженность;
• в случае криволинейной трассы необходимо предусмотреть
специальные конструктивные мероприятия, обеспечивающие
устойчивость сооружения на поворотах;
• в случае недостаточной прочности грунтов, слагающих бе-
рега водотока, при соответствующем обосновании допускается
трассировать водосбросы в пределах плеч или тела плотины;
• при трассировке водосбросного тракта предусматривают
удаление его (особенно входной части) от плотины во избежание
нежелательного воздействия на нее потока. При этом необходи-
мо обеспечить равномерный подход потока к отверстиям водо-
сброса и безопасный для плотины отвод его в нижнем бьефе.
В конкретных условиях не может быть двух абсолютно одина-
ковых компоновочных решений. Однако общность приведенных
требований позволяет при реальном проектировании воспользо-
ваться накопленным опытом и примерами разработанных ком-
поновок. При выборе размещения различных типов сооружений
в пределах тела или плеч плотины можно учесть примеры, при-
веденные на рис. 4.19, 4.20,4.22.
Даже при проектировании водосброса одного типа рекоменду-
ется рассматривать несколько возможных вариантов его разме-
щения.
Конструирование и расчеты водосбросов. По каждому вариан-
ту водосброса осуществляют общеконструктивные проработки по
рекомендациям, приведенным в литературных источниках. Гид-
равлическими расчетами определяют основные размеры сооруже-
ния, используя при этом рекомендации типовых проектов и мето-
дики, приведенные в настоящем пособии и другой литературе.
По выбранной трассе водосбросного тракта строят профиль
местности, на который наносят элементы водосброса, включая
подводящий и отводящий каналы, головное и сопрягающее со-
оружения.
Размеры подводящего канала должны обеспечивать приемле-
мые гидравлические условия работы головного или сопрягающего
сооружения. Канал необходимо устраивать в виде неглубокой вы-
емки. Чаще всего он проходит по косогорным участкам, поэтому
следует предусмотреть мероприятия, обеспечивающие устойчи-
вость его откосов. В зависимости от условий местности подводя-
щие каналы могут быть короткими при размещении водосбросов
в пределах тела или плеч плотины и достаточно протяженными
при береговом их размещении.
Головное сооружение должно быть размещено в легкодоступном
месте. Необходимо предусмотреть подходы и подъезды к нему на
случай осмотра, обслуживания и ремонта. Сопрягающие соору
жения должны быть по возможности короткими. Их расчеты и
проектирование осуществляют по рекомендациям, приведенным
в настоящем пособии.
Отводящие каналы проектируют в выемке. Они должны со-
прягаться с руслом реки в нижнем бьефе. Расчет и проектирова-
ние их выполняют в соответствии с рекомендациями гл. 2.
Нижние бьефы водосбросов проектируют в виде концевых кон-
сольных перепадов с гашением энергии в воронках размыва или
предусматривают устройство водобойных колодцев или стенок.
На последующей стадии проектирования осуществляют все не-
обходимые конструктивные проработки элементов сооружения и
инженерные расчеты, составляют рабочие чертежи, устанавлива-
ют объемы работ и сметную стоимость строительства, проводят
технико-экономическое сопоставление вариантов, выбирают ос-
новной вариант и разрабатывают проект производства работ. Для
уменьшения проектных работ при сопоставлении вариантов реко-
мендуется применять укрупненные показатели стоимости соору-
жений или их элементов, а также сметы типовых проектов.
Привязка типовых проектов. Значительно сократить затраты
труда позволяет типовое проектирование. Основная задача проек-
тировщика в этом случае заключается в привязке типового про-
екта к реальным условиям проектируемого объекта.
Для привязки проекта водосброса необходимо располагать сле-
дующими данными:
• планом участка водотока в районе гидроузла в горизонталях;
• отметками расчетных уровней воды: i водохранилище (НЕГУ
и ФПУ);
• продольными и поперечными профилями по руслу водотока
в нижнем бьефе гидроузла;
• кривой связи расходов и уровней воды в нижнем бьефе;
• батиграфической характеристикой водохранилища;
• значением максимального расчетного сбросного расхода во-
дотока и расчетным гидрографом паводка;
• геологическим строением основания и гидрогеологически-
ми условиями в створе плотины и по трассе водосбросного соору-
жения;
• проектом грунтовой плотины;
• расчетной глубиной промерзания грунта.
При привязке типовых проектов или типовых проектных ре-
шений проектирование включает следующие основные этапы:
1) выбор типа водосброса;
2) выбор трассы водосбросного тракта;
3) проектирование профиля водосбросного тракта;
4) статические, гидравлические и фильтрационные расчеты
сооружения;
5) корректировка типового проекта по материалам расчета;
6) технико-экономическое сравнение вариантов расчета и вы-
бор наиболее экономичного решения.
Привязку проекта производят в следующем порядке.
1. На плане участка гидроузла выбирают место расположения
водосбросного сооружения.
Плановое расположение водосброса должно отвечать следую-
щим условиям: сооружение может быть размещено на берегу,
в плече или в теле земляной плотины, в зависимости от его кон-
структивного типа; трассу сооружения следует назначать, по воз-
можности, короткой и прямолинейной в плане.
Высотное расположение нерегулируемых водосбросных соору-
жений принимают исходя из следующих условий: входной порог
сооружения располагают на отметке нормального подпорного
уровня воды в водохранилище; отметку два участка рисбермы из
сборного или монолитного железобетона назначают на уровне дна
отводящего канала или несколько выше его, но не более чем на
0,5...1 м.
Высотное положение порога регулируемых водосбросов долж-
но обеспечивать сработку водохранилища до определенных отме-
ток, если для этого не предусмотрено устройство других сооруже-
ний, и пропуск расчетного максимального расхода при заданных
отметках уровня воды в водохранилище.
2. По максимальному расчетному расходу, в зависимости от
допустимого подъема ФПУ и НПУ, назначают напор на пороге
входного оголовка и определяют ширину водосливного фронта
сооружения.
3. Определяют перепад на сооружении при пропуске макси-
мального расчетного расхода.
4. Выбирают тип концевого участка водосброса на основании то-
пографических, гидрологических, геологических условий и гид-
равлического расчета.
Основные положения по применению и привязке типовых
проектов приведены в каждом из них. В случае неполного соот-
ветствия условий типового проекта реальным необходимо уточ-
нить конструктивные размеры сооружений, объемы проводимых
работ, затраты материально-технических и трудовых ресурсов,
сметную стоимость строительства.
В практике проектных организаций довольно часто при про-
ектировании новых водосбросных сооружений используют чер-
тежи выполненных ранее проектов, которые дополняют в соот-
ветствии с новыми условиями строительства.
При проектировании следует использовать приемлемые типо-
вые сборные железобетонные конструкции. Это позволит сокра-
тить общее количество типоразмеров и марок железобетонных
конструкций, облегчить проектирование сооружений и сокра-
тить сроки их строительства.
Статические расчеты железобетонных конструкций водосброс-
ных сооружений следует проводить по предельным состояниям на
нагрузки, действующие в период строительства и эксплуатации
(СНиП 2.06.08-87).
При расчетах учитывают в основном следующие виды нагру-
зок и их сочетаний:
• постоянные — вес конструкции, давление грунта, гидро-
статическое давление и противодавление;
• кратковременные — нагрузки от строительных механизмов,
подвижных транспортных нагрузок, равномерно распределенная
нагрузка от толпы людей, гидродинамическое давление водного
потока па водобойный порог и водобойную стенку.
Расчет с учетом временных нагрузок выполняют как для
строительного, так и для эксплуатационного периодов. Коэффи-
циент надежности нагрузки следует принимать в соответствии со
СНиП 2.06.01-86. Учитывая, что сооружения каждого класса
возводят в основном из унифицированных железобетонных кон-
струкций, расчет заключается в проверке элементов на несущую
способность в указанные периоды.
Водозаборные сооружения
4.3.
4.3.1. Общие сведения
Запасы воды, создаваемые в водохранилищах, используются
для различных целей: орошения, водоснабжения, рыбоводства,
гидроэнергетики и в других отраслях народного хозяйства.
Сооружения, при помощи которых вода забирается из водо-
хранилища, подается в водоводы (чаще каналы) и дальше транс-
портируется к потребителю, называют водозаборными (водоза-
борами).
Водохранилища, используемые для культурных целей (ката-
ния на лодках, купания и т.д.), водозаборных сооружений не
имеют.
Существует два основных способа забора воды из водохранили-
ща — машинный подъем и самотечная подача. Ниже будут рас-
смотрены только водозаборные сооружения для самотечной пода-
чи воды в каналы.
Открытые береговые водосбросы и водозаборы целесообразно
размещать на разных берегах (см. рис. 4.1, а). Если же по мест-
ным условиям это выполнить невозможно, в месте их пересече-
ния устраивают водопроводящее сооружение (рис. 4.37), разме-
щая его на канале, идущем от водозабора, так как его расход
обычно меньше. При двух водозаборах с подачей воды на каж-
дый из берегов и поверхностном береговом водосбросе устройство
водопроводящего сооружения неизбежно.
Рис. 4.37. Компоновочная схема при расположении водосброса
и водозабора на одном берегу:
1 — плотина; 2 — магистральный канал; 3 — дюкер на канале; 4 — водо-
сбросной тракт; 5 — русло водотока
Закрытые водосбросы типа шахтных можно устраивать на од-
ном берегу с водозабором, так как их пересечения не происходит,
поскольку горизонтальный тоннель (труба) водосброса проходит
по низким отметкам.
Расходы водозабора определяются его назначением и изме-
няются в соответствии с графиком водоподачи. Расходы воды,
подаваемые потребителю, включая и орошение, меняются во
времени. Изменение расходов, пропускаемых через водозабор,
происходит как в течение суток, так и по месяцам, а иногда и по
сезонам. Регулирование расходов в водозаборном сооружении
достигается маневрированием затворами. При постоянном рас-
ходе оно также необхг цимо, так как напор изменяется из-за по-
степенного понижен я уровня воды в водохранилище.
Следует иметь в виду, что в большинстве случаев расходы
водозабора значительно меньше расходов водосбросного соору-
жения, поэтому даже в самых благоприятных условиях водоза-
борное сооружение затруднительно использовать для пропуска
сбросных расходов, а также расходов строительного периода,
хотя в некоторых случаях это возможно.
Тип водозаборного сооружения зависит от высоты плотины и
расхода, подаваемого потребителю. Исходя из этих условий раз-
личают водозаборы поверхностные и глубинные, по типу напор-
ных или безнапорных труб, башенные и безбашенные. Далее рас-
смотрим их более подробно.
4.3.2. Типы водозаборов
Поверхностный водозабор по типу шлюза-регулятора. В пло-
тинах высотой до 5 м целесообразно устраивать поверхностные
водозаборы, используя для них шлюзы-регуляторы. Такие водо-
заборы часто применяют в прудовом рыбном хозяйстве для вы-
пуска воды из водохранилища в канал, питающий рыбоводные
пруды различного назначения.
Водозабор по типу шлюза-регулятора врезают в пределах пло-
тины, располагая его подошву на коренных породах. Особен-
ность шлюзов-регуляторов здесь заключается в подходных и от-
водящих участках, стенки которых выполняют ныряющими
с заложением, соответствующим заложению откосов плотины.
Водозабор можно расположить и вне плотины, на берегу.
Водозабор по типу напорных 1руб с затвором на выходе. Во-
дозабор такого типа применяют на небольших водохранилищах
(прудах) при расходах не свыше 0,3...0,5 м’/с.
Водозабор (рис. 4.38) представляет собой трубу, уложенную
под телом плотины на материковый грунт. Чаще применяют ме-
таллические, железобетонные, а также асбестоцементные трубы
заводского изготовления. Затвор типа задвижки размещают на
выходном конце трубы.
Рис. 4.38. Водозабор с затвором на выходе напорной трубы:
I — труба; 2 — диафрагмы; 3 — затвор; 4 — водобойный колодец; 5 — отво-
дящий канал
Водозабор работает в напорном режиме. Для гашения энергии
за выходным сечением трубы устраивают водобойный колодец
или гаситель другого типа. По длине трубы устраивают несколь-
ко диафрагм, препятствующих фильтрации воды по стыку грун-
та с трубой.
Водозабор по типу безнапорных труб с затворами на входе.
Установка затворов во входной части трубы (рис. 4.39) улучша-
ет эксплуатацию водозабора. Гидравлический режим здесь мо-
жет быть задан и безнапорным, в связи с чем уровень воды в ка-
нале за водозабором при заданном УМО несколько повышается,
следовательно, командование над орошаемой площадью увели-
чивается.
Расход воды регулируют затворами, которые размещают во
входном оголовке водозабора. Управление затворами происхо-
дит со служебного мостика, поддерживаемого стойками, кото-
рые опираются на бетонный оголовок. Такие водозаборы приме-
нимы при сработке уровня воды в водохранилище до 7 м.
Рис, 4.39. Водозабор по типу безнапорных труб:
1 — подводящий участок; 2 — бетонный оголовок; 3 — затвор; 4 — безна-
порная труба; 5 — служебный мостик
Трубы водозабор» укладывают на материковый грунт. При по-
вышенных расходах водозабора применяют две-три нитки труб
с общим входным и выходным оголовком. Гашение энергии про-
исходит чаще в водобойном колодце, вплотную примыкающем
к выходному оголовку.
Башенные водозаборы. Это наиболее распространенные водо-
заборы в грунтовых плотинах IV и Ш классов. Основные части
башенного водозабора (рис. 4.40):
• подходной участок в виде напорного водовода (трубы) иля
отврытог<। канала;
• башня:
• отводящий безнапорный водовод;
• гасители энерги и;
• служебный м<1стик;
• надстройка над башней (шатер).
Башня может занимать три характерных положения (рис. 4.41):
у подошвы верхового откоса, примерно посреди него, и у бровки
гребня плотины. Наряду с этим ина может быть и в любом проме-
жуточном положении.
Рис. 4.40. Башенный водозабор.
1 — башня; 2 — затворы в башне; 3 — безнапорная труба; 4 — водобойный
колодец; 5 — отводящий канал: 6’ — служебный мостик; 7— шатер (над-
стройка над башней)
Рис. 4.41 Варианты расположения башни:
а — у подошвы верхового откоса; б — примерно посредине откоса; ₽ в при-
мыкании к бровке гребня плотины
При расположении башни у подошвы верхового откоса
(рис. 4.41, а) отсутствует подходной участок, вода может заби-
раться из верхних слоев водохранилища, менее насыщенных на-
носами. Для этого по лицевой стенке башни устраивают окна и
перекрывают их затворами или набирают стенку из шандор. Вме-
сте с тем при таком расположении башни требуется длинный
служебный мостик, башня будет менее устойчива, так как она по
всей высоте находится под силовым воздействием волн, льда и
ветра.
При расположении башни у гребня плотины (рис. 4.41, в) от-
сутствует служебный мостик, устойчивость башни повышается,
но появляется удлиненный напорный подходной участок, забор
воды может происходить только из нижних слоев водохранили-
ща, наиболее насыщенных взвешенными наносами.
Башня, установленная примерно на середине верхового откоса
(рис. 4.41, б), занимает промежуточное положение между указан-
ными двумя. <>га схема чаще всего и встречается в практике гид-
ромелиоративного строительства.
Башня предназначена для управления затворами. В ней ста-
вят два затвора: один перекрывает отверстие подходного участка
и предназначен для отключения башни в случае ремонта и осмот-
ра, а другой размещен на противоположной стене башни и пере-
крывает отверстие отводящего водовода — он используется для
регулирования расходов, подаваемых потребителю. В башенных
водозаборах применяют плоские затворы, пазы для них разме-
щают в бетонных приливах, устраиваемых с внутренней сторо-
ны башни. Подвижная часть затвора шарнирно соединена с ме-
таллической штангой, обеспечивающей через лебедку подъем и
опускание затвора. Штанга по высоте имеет направляющие, за-
анкеренные в стенку, благодаря им исключается продольный из-
гиб штанги. Сечение башни может быть круглое, квадратное и
прямоугольное.
Башня на уровне гребня плотины перекрывается плитой, при
плановых размерах башни больше 3...4 м применяют ребристое
перекрытие. Выше плиты над башней выполняют надстройку
(шатер), используемую как служебное помещение, в котором
расположены механизмы управления затворами. В плите пере-
крытия предусматривают люк, а по стенке башни ставят скобы
для спуска к затворам. Служебное помещение связано с гребнем
плотины или берегом служебным мостиком.
Отводящий водовод чаще выполняют в виде трубы прямо-
угольного сечения. При заборе из водохранилища больших рас-
ходов воды применяют многоочковые трубы, причем каждое от-
верстие перекрывают самостоятельным затвором, размещаемым
в башне. Режим потока в отводящем водоводе принимают безна-
порным при скорости 2...4 м/с. Высоту трубы по эксплуатацион-
ным условиям задают не менее 1,4 м, а ширину не менее 0,8 м,
даже если по расчету для пропуска потока воды требуются мень-
шие размеры. За выходным сечением трубы применяют устрой-
ства для гашения энергии, чаще водобойный колодец.
Безбашенные водозаборы. С увеличением высоты плотин пере-
ходят к безбашенным водозаборам (рис. 4.42), так как выполнять
и эксплуатировать башенные водозаборы становится трудно.
Рис. 4.42. Безбашенный водозабор:
1 — приемный колодец, покрытый решеткой; 2 — камера управления с разме-
щенными в ней затворами; 3 — безнапорная труба; 4 — водобойный колодец;
5 — отводящий капал
Составными частями безбашенных водозаборов служат:
• приемный колодец;
• галерея, примыкающая к колодцу и отделенная от него диа-
фрагмой;
• камера управления;
* напорные водоводы, проложенные в галерее.
Приемный колодец обычно выполняют прямоугольного сече-
ния, верх его располагают ниже НПУ. Вода поступает в колодец
через горизонтальные или вертикальные отверстия, защищен-
ные грубой решеткой.
31 М. В. Нестеров
Входные участки напорных труб пропускают через диафраг-
му — железобетонную водонепроницаемую стенку. Входные от-
верстия труб располагают в колодце ниже решеток не менее чем
на 0,5 м.
Камеры управления, в которых размешаются затворы и подъ-
емные механизмы, располагают обычно вблизи диафрагмы, но
допускается размещать их в любом месте по длине галереи. Вода
из напорных труб выпускается в водобойный колодец, где и про-
исходит гашение энергии.
При расположении камеры управления вблизи диафрагмы
текущее маневрирование затворами затруднительно, так как
каждый раз приходится спускаться в камеру на значительную
глубину. Исходя из эксплуатационных условий, целесообразно
на выходном участке труб перед водобойным колодцем дополни-
тельно установить затворы для текущего маневрирования.
Разновидностью безбашенных водозаборов будут туннельные,
в которых приемная часть расположена на берегу водохранилища,
а отводящей частью служит туннель. Затворы в туннельных во-
дозаборах размещают в шахтах, верх которых расположен выше
уровня воды в водохранилище. Туннельные водозаборы приме-
няют в гидроузлах при скальном основании.
4.3.3. Гидравлические расчеты водозаборов
Расчет водозаборов с напорными водоводами (см. рис. 4.38,
4.42) выполняют по формулам, применяемым для напорных
труб. При заданном расходе и известной, минимальной разности
уровней воды в верхнем и нижнем бьефах определяют сечение
трубы. Если же задан диаметр трубы, расчетом определяют необ-
ходимую разность уровней для пропуска заданного расхода.
В башенных водозаборах применяют расчетную схему, отве-
чающую безнапорному протеканию потока по всей длине водово-
да (рис. 4.43), при этом поступление заданных расходов должно
обеспечиваться при УМО. Расчет сводится к определению потерь
напора на вход в пределах башни, на выход из водобойного колод-
ца (используются формулы водосливов с подтопленным истечени-
ем) и по длине водоводов (используется формула равномерного
движения). Отметка уровня воды в магистральном канале опреде-
ляется путем вычитания всех потерь из отметки, отвечающей
УМО. Иногда задают отметку уровня воды в магистральном кана-
ле, тогда определяют необходимую отметку УМО, при которой
обеспечивается поступление расчетных расходов.
Рис. 4.43. Конструкция башенного водозабора (а) и схема
к гидравлическому расчету (б):
1 — понур; 2 — грубая решетка; 3 — пазы для затворов; 4 — стенки башни;
5 — грязевик; 6 — труба водовыпуска; 7 — деформационные швы; 8 — рис-
берма; 9 — водобойный колодец; 10 — бетонная подготовка; 11 — выступы
При других уровнях воды в водохранилище, включая и НПУ,
выполняют проверочные расчеты, заключающиеся в определе-
нии высоты открытия отверстия, частично перекрытого затво-
ром (используется формула истечения из-под затвора).
Пример 4.6. Выполнить гидравлический расчет башенного водозабо-
ра (водовыпуска) для подачи воды в водоподводящий канал рыбовод-
ных прудов (40].
Исходные данные. Расчетный расход Q = 2,0 м3/с. Этому расходу
в канале соответствует глубина Л = 0,95 м. Средняя ширина канала
31*
= 1,9 м, отметка дна 69,97 м. Труба состоит из двух участков: Z, = 8,0 м
я1г = 28,0 м.В конце трубы для успокоения потока устроен водобойный
колодец глубиной d = 0,3 м и длиной = 4,5 м. Отметка НПУ 75,0 м
(рис. 4.43, а).
Гидравлический расчет водовыпуска сводится к определению разме-
ров трубы и условия сопряжения бьефов.
Работа водовыпуска при минимальном уровне.
1. Размеры трубы определяют из условия пропуска заданного расхо-
да при минимальном уровне воды в водохранилище, близком к уровню
мертвого объема. В этом случае движение воды через водовыпуск проис-
ходит. как в безнапорной трубе, и расход вычисляется по формуле
Q=&pbhj2gz0, (4.26)
где е — коэффициент бокового сжатия (е = 0,8...0,95); ф — коэффици-
ент скорости (<р = 0,8...1,0);Ь — ширина трубы; h —глубина водыв тру-
бе, принимаемая приближенно равной глубине воды в отводящем кана-
ле; z0 — потери напора в трубе водовыпуска (z0 = 0,1...0,25 м).
2. Высоту трубы назначаем = 1,4 м — минимальную по условиям
прохода при осмотрах и ремонте. При этой высоте движение воды будет
безнапорным, так как глубина воды в трубе, принимаемая примерно
равной глубине в канале, Л = 0,95 < hrf= 1,4 м. Следует отметить, что
ширина труб (также из условий прохода при осмотрах и ремонте) прини-
мается не менее 0,8 м.
3. На свободной поверхности воды образуются три перепада zx, z>, гг,
выражающие гидравлические потери при входе в трубу, при переходе
в трубу в башне и при входе воды в канал.
Зная бытовую глубину в канале Л = 0,95 м при расходе Q = 2 ма/с и
ширину канала = 1,9 м, найдем перепад г, из (4.26). Приняв значе-
ние ф = 0,95 и £ = 0,9 и подставив их в формулу, получим
2,0 = 0,9 0,95 1,9 0,95 4,43,/^;
=2:633=0,293; г„ =0,086 м.
Скорость подхода приблизительно равна им = 2 / [1,9 (0,95 + 0,3)] =
= 0,84 м/с и скоростной напор и„/(2g)=0,84/19,62 =0,043 м, следова-
тельно, z, =zM -(i>i /(2g))=0,086 - 0,043 =0,043 м; тогда глубина воды
в трубе Л, = 0,95 + 0,043 = 1,0 м.
4. Примем ширину прямоугольной трубы Ь = 1,5 м, определим ук-
лон трубы из формулы равномерного движения
41 =—Q,-. (4.27)
Площадь живого сечения потока <о = 1,5 1,0 = 1,5 м2;% = 1,5 + 1 х
х 2 = 3,5 м; гидравлический радиус R = 0,43 м. При коэффициенте ше-
роховатости п = 0,014 и R = 0,43 находим из таблиц С = 62,6. Подставив
значения величин в формулу, получим: =2/(1,5 62,6 70,43)=0,033, i =
= 0,0011, тогда потери по длине трубы составят Д = U = 0,0011 36 = 0,04 м.
5. Перепад гг при входе потока в трубу в башне можно определить
аналогичным путем, но, учитывая незначительность этих величин, при-
нимаем г2=г3= 0,04м, тогда глубина воды в трубе будет Л2 = 1,0 + 0,04 =
= 1,04 м.
6. Также находим 2Р но здесь ширину подходного потока считаем
Ъ = 1,5 + 0,25 = 1,75 м.т.е.к ширине трубы прибавляем толщину стен-
ки трубы. Тогда
2,0 =0,9 0,95 1,75 4,43777; 7^7=2:6,88 =0,29; zol = 0,08 м.
Скорость подхода потока из водохранилища к отверстию трубы мала
и ее влиянием можно пренебречь, тогда z0I = zt и глубина при входе бу-
дет Л) = Л2 + Z| = 1,04 + 0,08 = 1,12 м.
7. Обычно высота трубы определяется как Л] + (0,2...0,3) ми прини-
мается не менее 1,4 м. В данном примере принятая ранее высота трубы
равна 1,4 м, что удовлетворяет вышеприведенному требованию.
8. Общие потери напора составят г “ Л( - Л + Д = 1,12 - 0,95 + 0,0011 х
х 36 = 0,21 < 0,25 м, т.е. не выходят из обычных норм.
В результате расчета имеем следующие отметки:
• отметка уровня воды в канале 69,97 4- 0,95 = 70,92 м;
• отметка порога трубы в башне 69,97 + 0,0011 - 28 = 70,00 м;
• отметка порога в начале трубы 69,97 + 0,0011 • 36 = 70,01 м;
• отметка минимального уровня сработки 70,01 + 1,12 = 71,13 м.
Истечение из-под щита.
9. Когда уровни воды в водохранилище близки к НПУ, вода через
трубу водовыпуска пропускается из-под щита.
Определим, на какую высоту Лш нужно поднять затвор, чтобы про-
пустить расход Q = 2,0 м’/с при отметке уровня воды в водохранилище
75,0 (НПУ).
Высоту поднятия затвора найдем из уравнения истечения из-под щита:
Q=£<рбЛи 72^(Я0-<хйж), (4.28)
где е — коэффициент бокового сжатия (е = 0,95); <р — коэффициент ско-
рости (при отсутствии порога <р = 1,0); а — коэффициент вертикального
сжатия (для нашего случая а = 0,615); На = И — 75,0 — 70,0 = 5,0 м;
Ъ = 1,5 м.
Подставляя значения в уравнение, получаем
2,0=0,95 1,0 0,615 1,5 4,43ЛИ75“О>615Л*’ 0.515=Ля,75-0’615А««-
10. Решая это уравнение подбором, находим Лщ « 0,24 м. Глубина
в сжатом сечении за щитом Л^ = 0,615 • 0,24 = 0,147 м. Скорость в этом
сечении 0^ = 2 / (1,5 - 0,147) = 9,1 м/с, что меньше = 12,5 м/с для
бетона марки 100.
11. Для выяснения условий сопряжения потока в трубе с нижним
бьефом надо знать глубину при выходе из трубы. За щитом свободная по-
верхность потока в трубе будет иметь вид кривой подпора, так как глу-
бина будет увеличиваться от Л^ до Л2 в конце трубы.
Глубину Л2 определим по уравнению неравномерного движения
Т: = Па-П1-(1-;)[ф(т12)-ф(п1)]. (4.29)
«о
Глубина равномерного движения в трубе при Q = 2,0 м’/с, i = 0,0011
и л = 0,014 будет Ло = 1,0 м. Глубина Л, = Л^ = 0,147 м (относительная
глубина тц = Л2/Ло = 0,147/1 = 0,147). При таких малых значениях от-
носительных глубин Г) = ф(т)), уравнение упрощается, принимая вид
"о
(4.30)
Величину; =/С26/(£х)нужно определить при средних значениях С и X-
Примем Л^, = 0,2 м; ш^, = 1,5 0,2 = 0,3 м2; Хс₽ - 1>5 + 2 0,2 = 1,9 м;
= 0,158 м; = 53,3. Подставляя значения величин, имеем j = 0,0011 х
х53,32 1,5/(9,81 1,9)=4,65/18,6 =0,25.
Определяем Т|2 из уравнения (4.30)при£ = 12 = 28 м: 0,0011-28/1,0 =
=0,25(ti2-0,147> 0,125 = ц2 - 0,147; ц2 = 0,125 + 0,147 = 0,27; Л2 =
= т],Л0 =0,27 • 1,0 =0,27 ы-.h^ =(hy + h,)/2=(0,147 + 0,27)/2=0,417/2-
- 0,2 м, что полностью совпадает с принятой.
Сопряжение бьефов.
12. Для проверки затопления прыжка определим глубину, сопря-
женную с глубиной в конце трубы Л2 = 0,27 м при удельном расходе
q = Q/Л = 2,0/1,5 = 1,33 м’/с на 1 м:
8-1,33*
9,81-0,27*
-1 =1,02м.
В водобойном колодце глубина равна бытовой глубине в канале
Л = 0,95 м плюс глубина колодца d = 0,3 м; т.е. = 1,25 м. Пры-
жок в колодце затапливается, так как 1,25 м > 1,02 м.
13. Длину водобойного колодца можно определить по формуле
где 1„ — дальность отлета струи =0,43u2Vd =0,43 4,95 ^0,3 = 1,1 м);
у2 — горизонтальная скорость схода струи (о2 = О/ш, = 2/(0,2 7 1,5) =
= 4,95 м/с); d — глубина колодца (d = 0,3 м); 1пр = 3,2Л2 = 3,2 1,02 =
= 3,26 м.
4.4.
Водоспускные сооружения
4.4.1 .Обшие сведения
Водоспускные сооружения (водоспуски) служат для полезных
попусков воды из водохранилища в русло нижнего бьефа плоти-
ны, а также для полного освобождения водохранилища от воды.
Полезные попуски воды в русло нижнего бьефа необходимы
в следующих случаях:
• для подачи воды потребителям, которые до возведения пло-
тины снабжались водой из водотока (реки);
• подачи воды потребителям, появившимся после возведения
плотины в связи с развитием промышленности и водоснабжения
населенных пунктов, расположенных ниже по течению водотока
(реки);
• подачи воды на орошаемые поля, расположенные за пло-
тиной.
Графики водоподачи водоспускными сооружениями зависят
от потребителей и устанавливаются при водохозяйственных и
гидрологических расчетах в процессе проектирования водохра-
нилища.
Освобождение водохранилища от воды необходимо при очист-
ке его от отложившихся наносов, ремонте плотины и сооружений
с низко расположенными порогами. Водоспуски — обязательные
сооружения в прудовом хозяйстве, где освобождение от воды не-
которых видов водохранилищ необходимо по условиям выращи-
вания рыбы.
Водохранилища на местном стоке, запасы воды которых ис-
пользуются для орошения, в большинстве случаев не имеют во-
доспускных сооружений. Таким образом, надо иметь в виду, что
водоспуски не всегда обязательны при плотинах из местных ма-
териалов.
Исходя из задач, выполняемых водоспусками, их располага-
ют в пониженных местах русла водотока. Это условие должно
обязательно выполняться, если водоспуски предназначены для
полного освобождения водохранилищ от воды. Такие водоспуски
часто называют донными, подтверждая тем самым их высотное
расположение.
В некоторых случаях водоспуски располагают и на более вы-
соких отметках. Но тогда перевод потока воды за выходом из во-
доспуска в русло водотока происходит при помощи сопрягающе-
го сооружения.
Водоспуски полезно совмещать с другими водопропускными
сооружениями — водосбросными сооружениями, а в некоторых
случаях и с водозаборами.
Наиболее целесообразно эксплуатационные водоспуски со-
вмещать с водоспусками для пропуска строительных расходов.
С этой целью после возведения плотины строительные водоспус-
ки дополнительно переоборудуют в эксплуатационные.
4.4.2 . Типы водоспусков
Особенности работы водоспусков. Исходя из задач, выполняе-
мых водоспусками, они работают непрерывно или периодически.
Попуски воды из водохранилища для полезных целей (напри-
мер, водоснабжения, потребности промышленных предприятий
и т.д.) осуществляются независимо от времени года. Водоспуски,
предназначенные для этих целей, работают без перерыва при
всех уровнях воды в водохранилище. Следовательно, в конструк-
ции таких водоспусков полезно иметь две и больше самостоятельно
работающие нитки трубопроводов. При необходимости ремонт-
ных работ одну из ниток отключают, а остальные продолжают
действовать, обеспечивая непрерывную подачу воды потребителю.
Непрерывно работающие водоспуски в периоды высоких уров-
ней воды в водохранилище находятся под большим напором, для
гашения которого требуются мощные гасящие устройства. Кро-
ме того, приходится учитывать появление кавитации и сопутст-
вующей кавитационной эрозии.
Регулирование расходов осуществляют затворами, которые
устраивают в начале водоводов, в средней части и на выходе,
предусматривая для них камеры управления.
Открытые водоспуски. В плотинах небольшой высоты (на-
пример, для рыбных прудовых хозяйств) устраивают открытые
водоспуски, по конструкции представляющие собой шлюзы-ре-
гуляторы.
Открытые водоспуски устраиваются как в теле плотины, так и
в берегах при плотинах высотой до 6 м и небольших паводковых
расходах. Днище водоспуска — флютбет — устраивается ниже
нормального подпорного уровня воды на 2...4 м, необходимый
подпорный уровень воды поддерживается затворами. Благодаря
такому расположению флютбета и наличию затворов водоспуски
одновременно служат для сброса паводковых расходов и для вы-
пуска воды из водохранилища полностью или до любого требуе-
мого уровня.
Открытые водоспуски бывают деревянные, каменные, бетон-
ные и железобетонные. Из дерева водоспуски устраиваются лишь
в отдельных случаях, чаще на рыбоводных прудах, так как дере-
во, находясь под переменным действием воды, быстро загнивает,
что приводит к частым ремонтам деревянных водоспусков или
полной их замене.
Составными частями открытою водоспуска я вляются береговые
устои, промежуточные опоры-быки и днище-фл ютбет (рис. 4.44).
Береговые устои различных конструкций представлены на
рис. 4.45.
Со стороны верхнего бьефа быки могут иметь переднюю грань
прямоугольную, полуциркульную, заостренную и криволинейно
заостренную (рис. 4.46). Пролеты между опорами перекрывают-
ся деревянными или металлическими затворами. На водоспуске
обычно устраивается служебный мостик для подъема и опуска-
ния затворов и проходит проезжая дорога.
Для уменьшения пролетов между быками и береговыми устоя-
ми устанавливаются промежуточные деревянные или металличе-
ские стойки. Стойки могут быть постоянными и съемными. Съем-
ные стойки устраиваются в том случае, если предусматривается
пропуск через пролеты льда. Ширина одного пролета, если исхо-
дить из условия пропуска льда, должна быть не меньше 8 м.
Длину флютбета, а также необходимость предпонурной по-
душки и забивки шпунтов устанавливают на основании фильт-
рационного расчета. Обычно предварительно задаются длиной
отдельных частей: длина предпонурной подушки — (0,5...5)Я,
понура — (]...5)Я, водобоя — (2...3)Я, рисбермы — (5... 10
где Н — напор на пороге водоспуска, м.
Рис. 4.44. Открытый водоспуск:
1 — береговой устой; 2 — контрфорс; 3 — бык; 4 — водобой; 5 — рисберма;
6 — мост; 7 - стойки и затворы; 8 — понур; 9 — предпонурная подушка
Толщина предпонурной глинобетонной подушки составляет
0,5...1 м, толщина глинобетонного понура — пе менее 0,5 м.
У стыка с водобоем толщину понура увеличивают. Сверху пону-
ра устраивается каменная мостовая или укладываются бетон-
ные плиты. Толщина водобоя определяется фильтрационным
расчетом (предварительно принимается 0,4...1 м).
Гидравлический расчет. Ширина водоспуска определяется
так же, как расчет неподтопленного или подтопленного водо-
слива. Водоспуск рассчитывается как подтопленный водослив
с широким порогом, если
hn><JeH0;H,-H+vt/2g, (4.31)
где Л, — превышение уровня поды нижнего бьефа над порогом
водоспуска, м; ап — коэффициент (критерий) подтопления (при-
пимаютв пределах 0.75< о < (0.83.. .0,87); —скорость подхо-
да воды перед водоспуском, м/с.
Продольный разрез
План
щ]т[У-|А—^Птпг
1 IA ------
Рис. 4.45. Береговые устои:
а — с обратными стенками; б — с косыми плоскостями; в — в виде растру-
ба с обратной стенкой; г — с конусом и обратной стенкой; д — с ныряющи-
ми стенками
Рис. 4.46. Формы быков в плане:
а — прямоугольная; б — полуциркульная; в — заостренная; г — криволи-
нейно заостренная
При неподтопленном водосливе ширина водоспуска опреде-
ляется из формулы
Q=EmBy(2gH30/2, (4.32)
где е — коэффициент бокового сжатия; т — коэффициент расхо-
да, принимаемый в зависимости от типа порога водоспуска.
Коэффициент бокового сжатия определяется по формуле Френ-
сиса — Кригера:
£ = 1-0ДлД—(4.33)
В
где £ — коэффициент формы береговых устоев водослива при
входе или формы оголовков быков (см. рис. 4.46); nt — число бо-
ковых сжатий потока; В — ширина сливного отверстия.
При подтопленном водосливе ширина водоспуска Ь определя-
ется из формулы
(? = Е<рВй72£(Я0-йв), (4.34)
где <р — коэффициент скорости для водослива с широким порогом.
Коэффициенты т и ф в зависимости от типа порога выбирают
по табл. 4.4.
Если выпуск воды из-под затвора происходит при неподтоп-
ленном истечении, то расход зависит от высоты поднятия затвора
и определяется по формуле
<?=ЕфВЛаЛ/2я(Н0-аЛ,), (4.35)
где В — ширина отверстия водоспуска, через которое произво-
дится забор воды, м; й, — высота поднятия затвора над порогом
водоспуска, м; а — коэффициент вертикального сжатия, завися-
щий от отношения hJH (по Н.Е. Жуковскому) (табл. 4.5).
Таблица 4.4
Значения коэффициентов тиф
Тип порога т С
Прямоугольный шероховатый 0,30 0,76-0,78
Прямоугольный гладкий 0,32 0,84
С закругленным входным ребром 0,35 0,93
Хорошо округленный входной 0,37 0,98
Донный слив (порог отсутствует) 0,38 0.99
Таблица 4.5
Значения коэффициента вертикального сжатия
h*/H 0.1 0.2 0.3 0,4 0.5 О.в 0.7
а 0,615 0,620 0,625 0,630 0,645 0,660 0,690
При выпуске воды из-под затвора и подтопленном истечении
расход рекомендуется определять по формуле [19]:
Q =еоВ(1-й2)й1 ^2g(H0-ah* ), (4.36)
где* = (йв -ah*)/Но (h6 — бытовая глубина за затвором, м).
(4.37)
Если й0< а Л„ то й = 0.
Определив ширину водоспуска из (4.32) или (4.34), можно
найти полную ширину водоспуска с учетом ширины опор (быков
и промежуточных стоек), предварительно разбив всю ширину на
отдельные пролеты b в соответствии с требованиями СНиП (см.
табл. 2.21):
Во = nb+n(t-l), (4.38)
где п — число пролетов (желательно принимать нечетным для
улучшения условий растекания потока в нижнем бьефе); Ь — ши-
рина одного пролета; t — толщина быка, предварительно можно
принять равной (0,06...0,1)5.
В начале выпуска воды из водохранилища заполнение нижнего
бьефа водой может быть незначительным, а в некоторых случаях
он может быть вообще не заполнен водой. Поэтому расчет сопряже-
ния бьефов следует вести для случая истечения из-под затвора при
его постепенном поднятии, так как при этом будет наибольшая
опасность подмыва сооружения.
Необходимость водобойного колодца и его глубину устанав-
ливают методом последовательных приближений. С этой целью
задаются различными величинами поднятия затвора (а = 0,1Я;
0,2Я; О,ЗЯ и т.д.) и определяют соответствующие им сжатые
глубины:
Лс = *1 = е'а.
(4.39)
Так как в начальный период спуск воды осуществляется в не-
заполненный нижний бьеф, то истечение из-под затвора при его
поднятии на 0,1Я будет незатопленным, и пропускаемый расход
следует определять по (4.35).
Вторая сопряженная глубина определяется по формуле
A.' =h2 =0,5/4
(4.40)
где <7 = QJb — удельный расход воды, м3/с; Ъ — ширина откры-
тых пролетов, м.
Сравнивая значения А2 и Ав, делается вывод о режиме сопряже-
ния бьефов.
Если при Q, в соответствии с заданной зависимостью Q = /(Я)
бытовая глубина Лв < аЛ„ то истечение из-под затвора в конце пер-
вого периода становится затопленным и при следующем поднятии
затвора на высоту 0,2Я пропускаемый расход воды определяется
по (4.36). Далее, как и при предыдущей величине поднятия затво-
ра, определяются сопряженные глубины и делается вывод о режи-
ме сопряжения бьефов при этом поднятии затвора. Аналогично
расчет выполняется и при всех других величинах поднятия затво-
ра. При этом расчет удобно вести в табличной форме (табл. 4.6).
Глубина водобойного колодца d определяется для случая, ко-
гда разность Аг - Ао наибольшая:
d =оЛ2-(Аб+Дг), (4.41)
где с —коэффициент запаса (о = 1,05...1,1 ).
Перепад Az определяется, как за затопленным водосливом
с широким порогом, по формуле
Л;, У____________«£1.
2^<ргЛв2 2ghlM
(4.42)
Расчет ведется методом последовательных приближений. По-
сле первого определения глубины колодца d, по (4.37) подбором
определяется новое значение сжатой глубины из формулы
q = ФЛ. 72^(ЯО (4.43)
Затем по (4.40) определяется вторая сопряженная глубина и
по (4.41) — новое значение глубины водобойного колодца. Расчет
обычно завершается на третьем приближении, если оно оказыва-
ется близким ко второму.
Расчет нижнего бьефа (определение размеров гасителя кине-
тической энергии потока) приведен в гл. 2.
Длина рисбермы определяется по формуле
Zp=(4...10)z-ZKM, (4.44)
где z — максимальный напор на сооружении, м.
Трубчатые водоспуски. В плотинах небольшой высоты рас-
пространены трубчатые водоспуски, по конструкции аналогич-
ные водозаборным сооружениям. Их особенность состоит в том,
что при расположении затворов с низовой стороны площадку для
управления затворами (задвижками) поднимают выше макси-
мального уровня воды в нижнем бьефе. Они предназначены для
полного или частичного опорожнения водохранилища при ре-
монте со стороны верхнего бьефа, для промывки наносов, а так-
же для освежения воды в рыбоводных прудах.
Трубчатые водоспуски предназначаются для пропуска неболь-
ших расходов. Устраивают их из стальных сварных или чуянных
раструбных железобетонных труб. Трубы водоспуска работают
в напорном режиме. Входная часть трубы делается уширенной и
перекрывается металлической решеткой. В выходной части уста-
навливается задвижка. Выходная часть водоспуска заканчивает-
ся в отводящем канале, где строится водобойный колодец или
другие устройства для гашения энергии воды, выходящей из
труб.
В зависимости от пропускаемого расхода могут быть уложе-
ны одна или несколько труб. Если укладывается несколько
труб, расстояние между ними принимается не меньше диамет-
ра трубы.
Трубы водоспуска располагают непосредственно в основании
плотины в наиболее пониженной части тальвега или вблизи него.
Чтобы обеспечить прочность труб при осадке плотины и избе-
жать фильтрации вдоль труб, устраивают железобетонные диа-
фрагмы (на стальных трубах стальные), располагая их в местах
стыков отдельных звеньев труб. Вокруг труб укладывают слои
глины или глинобетона (рис. 4.47).
Рис 4.47. Трубчатый водоспуск:
1 — металлическая решетка; 2 — стальная или чугунная труба; 3 — крепле-
ние верхового откоса; 4 — слой глины; 5 — диафрагма; 6 — задвижка; 7 —
водобойный колодец
Для устранения влияния осадки грунтовой плотины на трубы,
улучшения условий эксплуатации и надзора трубы водоспуска
иногда располагают в бетонной или железобетонной штольне.
На рис. 4.48 показан трубчатый водоспуск конструкции Лен-
гипровохоза на расход до 1,5 ма/с при напорах 5... 10 м. Он состо-
ит из трубопровода, входного и выходного оголовков, колодцев
для задвижек и короткой зимней ветви, обеспечивающей автома-
тичность ограничения наиболее низкого, допустимого по услови-
ям 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 диамет-
ром 0,4 и 0,6 м. Управление рабочей задвижкой предусмотрено
с помощью ручного привода. Концевая часть трубопровода рас-
положена на сваях. Гашение энергии потока предусмотрено в во-
ронке размыва, для уменьшения которой на конце трубопровода
установлен рассевающий порог.
Рис. 4.48. Водоспуск конструкции Ленгипроводхоза на расход до 1,5 м*/с
при напорах 5...10 м:
1 — подходной участок; 2 — решетка; 3 — входной оголовок; 4 — труба;
5 — воздухоподводящее устройство; 6 — задвижки; 7 — концевая часть во-
дотока; 8 — воронка размыва; 9 — диафрагма
Следует отметить, что перспективна конструкция многоголо-
вого водоспуска водовыпуска (рис. 4.49), в которой необходи-
мый потребителю расход изымается из напорных водоводов
в распределительной камере, что очень важно при использова-
нии сооружения для различных целей (например, водоснабже-
ния, рыбоводства, малой гидроэнергетики и др.).
32 М В. Неетгров
Рис. 4.49. Трубчатый водоспуск-водовыггуск на расход до 1,5 м’/с
при напоре до 12 м:
1 — входные оголовки; 2 — водоводы; 3 — распределительная камера;
4 — концевой сброс
Исходными данными для проектирования водоспуска служат:
• проект грунтовой плотины, включающий план участка ее
размещения в горизонталях, продольный и поперечный разре-
зы, отметки расчетных уровней воды в верхнем бьефе (УМО,
МЗУ, НПУ), конструктивные решения противофильтрационных
устройств, креплений, откосов, дренажа;
• инженерно-геологические данные по основанию плотины и
прогноз по его осадке;
* кривая связи уровней и расходов в нижнем бьефе;
• значения расходов воды, подлежащих пропуску через водо-
спуск (включая расчетный расход на опорожнение, санитарный
и строительный расходы);
• данные об уровнях, при которых необходимо обеспечить
пропуск расчетных расходов;
• расчетный расход в период опорожнения;
• данные о зимнем режиме работы водохранилища (включая
сведения о расчетной толщине льда и уровнях воды).
При проектировании водоспусков решают следующие задачи:
• определяют местоположение сооружения в составе гид-
роузла;
• устанавливают значение расчетного расхода водоспуска;
• определяют конструкцию и размеры сооружения.
Плановое и высотное положение водоспусков определяют исхо-
дя из местных инженерно-геологических условий и назначения
сооружения. Ось водоспуска рекомендуется трассировать по воз-
можности перпендикулярно к оси плотины в пониженных местах
поймы. Трубу водоспуска желательно располагать на коренных
породах.
Входное отверстие водоспуска размещают на отметках, обес-
печивающих возможность сработки (опорожнения) водохрани-
лища до заданного уровня.
В ходе гидравлического расчета определяют расчетный рас-
ход водоспуска.
Расчетный расход водоспуска назначают из условия обеспече-
ния сработки водохранилища до необходимого уровня за задан-
ный период времени, а также пропуска санитарных или строи-
тельных расходов. При многоцелевом назначении водоспуска
принимают наибольший из необходимых расходов.
Расчетные расходы при опорожнении водохранилища опреде-
ляют с помощью батиграфических кривых W = /(Н) и F = /(Н) и
допустимой скорости понижения уровней.
Скорость опорожнения водохранилища назначают с учетом
допустимой интенсивности понижения уровней, при которой
обеспечивается устойчивость склонов и верхового откоса плоти-
ны. При расчете по кривой W = ДЯ) определяют объемы отдель-
ных призм водохранилища ДИ^ при допустимом слое сработки
водохранилища АН за единицу времени. Обычно принимают,
что слой АН срабатывается за одни сутки. Следует отметить,
что, по данным института «Белги провод хоз», скорость опорож-
нения пруда (водохранилища) не должна превышать 0,5 м/сут,
а скорость наполнения —1,0 м/сут.
По установленным значениям AW\ определяют необходимы*
секундные расходы, при которых обеспечивается заданная сра-
ботка уровней Q, = ДИг/86 400 м’/с. Из ряда значений Q, выби-
рают максимальное и принимают его за расчетное Qp по условии
обеспечения опорожнения водохранилища.
Далее устанавливают расчетные значения строительных и
эксплуатационных расходов и уровней Qp, и
По каждому из значений и определяют необходимук
площадь поперечного сечения водовыпуска трубы.
32*
Диаметр трубы водоспуска при неподтопленном выходном
отверстии определяется из формулы
Q=H*d—j2gH, (4.45)
4
а при подтопленном выходном отверстии — из формулы
jrd2 /----------------------------
Q = ji (4.46)
4
где ц — коэффициент расхода; Н — напор, равный высоте от
уровня воды в верхнем бьефе до оси трубы, м; г — напор, равный
разности отметок уровней воды верхнего и нижнего бьефов, м.
Коэффициент расхода можно определить по (4.17).
Сумма коэффициентов всех местных сопротивлений Ц. для
случая, представленного на рис. 4.47, равна
= (4.47)
где — коэффициент сопротивления решетки при входе; —
коэффициент гидравлического сопротивления на трение по длине
трубы (определяется по (2.57); — коэффициент сопротивления
затвора (при плоском затворе = 0,2, при дисковом — = 0,1);
— коэффициент сопротивления при выходе при подтоплен-
ном выходном отверстии (^^ = 1).
Коэффициент сопротивления решетки при входе
^peu,=l,5(a>/<fll)2=l^(d/dI)4, (4.48)
где to — площадь поперечного сечения трубы водоспуска, м2; ю, —
площадь поперечного сечения входного отверстия, м2; d — диа-
метр трубы, м; di — диаметр входного отверстия, м.
Имея заданный расчетный расход Q, напор Н или г и длину I,
находят диаметр трубы d. Его можно определить путем построе-
ния кривой Q = /(d). Задаваясь различными значениями диамет-
ра, по (4.45) или (4.46) определяют соответствующие расходы.
Затем строят кривую Q = /(d), по которой графически определя-
ют диаметр трубы для заданного расхода (рис 4.50).
Рис. 4.50. График для определения диаметра трубы водоспуска
по заданному расходу
Можно предварительно задаться диаметром трубы и опреде-
лить площадь живого сечения из (4.45) или (4.46). Имея площадь
живого сечения и задаваясь количеством труб, вычисляют пло-
щадь живого сечения одной трубы, а по ней — диаметр трубы, ко-
торый примерно должен быть равен диаметру, принятому предва-
рительно. Затем окончательно принимают стандартные значения
диаметра трубы.
Пример 4.7. Определить диаметр и количество труб стального труб-
чатого водоспуска.
Исходные данные. Расчетный расход Q = 1,2 м’/с. Выход ное отвер-
стие труб подтопленное. Разность отметок уровней воды верхнего и ниж-
него бьефов г = 7 м. Длина водоспуска I = 50 м, коэффициент сопротив-
ления при входе = 0,2, диаметр трубы d = 0,4 м, диаметр входного
отверстия d, = 0,6 м.
1. Определяем коэффициент сопротивления решетки при входе
по (4.48):
=1,5(0,4/0,б)4 =0,3.
Сумму коэффициентов всех местных сопротивлений находим из (4.47):
Ц=0^+03 + 0£+ 1=1,7.
2. В зависимости от конструкции водоспуска (рис. 4.47,4.48,4.49,
4.52) в сумму коэффициентов всех местных сопротивлений могут вхо-
дить коэффициенты сопротивлений на поворот, сужение, расшире-
ние и др.
Гидравлический радиус составит:
Я =0Д26/1^6=0Дм.
Коэффициент расхода находим по формуле
1
g у 1,7 + 0,025-50/(4 0,1)
=0,46.
Живое сечение труб водоспуска вычисляем по формуле
1,2
3. Принимаем водоспуск из двух труб, тогда площадь живого сече-
ния одной трубы
2-52.0Д25»’.
2 2
а диаметрd =^4 0,125/3,14 =0,4м.
4. При принятых размерах водоспуска продолжительность опорож-
нения водохранилища определяют по зависимости:
Т- , Г.У« ,
(4.49)
где Ft — площадь зеркала водохранилища при напоре Н,, определяе-
мая по кривой F = Hf — полный напор над порогом трубы, при
котором обеспечивается пропуск приточного расхода воды в водохра-
нилище; ДЯ — высота слоя при разделении сливного объема водохра-
нилища на л равных по высоте частей (АН = 0,5 м; рис. 4.51).
Рис. 4.51. Истечение жидкости из водохранилища
5. Полный напор под порогом трубы, при котором обеспечивается
пропуск приточного расхода водотока (реки) определяется по формуле
Н -
(4.50)
где Q,, — расход реки (водотока); (X и со — соответственно коэффициент
расхода и площадь сечения водоспуска.
Кроме расчетов пропускной способности и продолжительности опо-
рожнения водохранилища выполняют гидравлические расчеты по опре-
делению параметров струи и воронки размыва, фильтрационные расче-
ты 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 водо-
спуска при плотинах низких и средней высоты. Конструкция их
такая же, как и водозаборов, расчеты аналогичны.
На рис. 4.52 показана конструкция башенного водоспуска рас-
ходом до 13 м8/с.
Рис. 4.52. Трубчатый водоспуск с башней управления по ТП 820-223:
1 — входной оголовок; 2 — труба водоспуска; 3 — башня управления;
4 — концевая часть водоспуска
В состав башенного водоспуска входят трубопровод, башня
управления затворами, входной и выходной оголовки. Трубо-
провод состоит из железобетонных труб диаметром 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, кото-
рые обеспечивают раздельную их работу. Швы следует конструи-
ровать так, чтобы при осадках не нарушалась их водонепрони-
цаемость.
На рис. 4.53 показаны отдельные виды конструкции стыков
труб.
Рис. 453. Конструкции стыков труб:
в, б, в — стыки железобетонных труб; г — стык стильны» труб; 1 — трубки
для прогрева битума; 2 — входной и выходной патрубки; 3 — трубка для за-
ливки битума в шпонку; 4 — стенка трубы; 5 — подготовка из бетона; б —
наружная склеечная гидроизоляция; 7 — цементная чеканка; 8 — битум;
9 — просмоленный войлок; 10 - мятая глина; 11 — железобетонный хо-
мут; 12 — фильтр; 13 — арматура; 14 — битумный шов; 15 — стальная тру-
ба; 16 — стальная диафрагма; 17 — сварной шов
РЕЧНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ, ПРУДЫ
И ВОДОХРАНИЛИЩА
Г идроузлы
5.1.1. Общие сведения о речных гидроузлах
При использовании реки в тех или иных целях иногда прихо-
дится создавать несколько сооружений разного назначения, рас-
полагая их недалеко друг от друга. Особенно большое число гидро-
сооружений получается в том случае, когда река перекрывается
плотиной и имеет комплексное водохозяйственное использова-
ние. Из экономических и эксплуатационных условий отдельные
сооружения целесообразно объединять в общий гидроузел.
Гидроузлом называют совокупность гидротехнических со-
оружений, объединенных условиями совместной работы и ме-
стоположением. Речные гидроузлы — это комплексы сооруже-
ний, с помощью которых управляют водными ресурсами.
По назначению различают гидроузлы водорегулирующие, во-
дозаборные, воднотранспортные и комплексные; по виду водоис-
точника — 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, высокойапор-
ные — более 50 м.
Речные низконапорные гидроузлы обычно состоят из водопод-
порного сооружения в виде грунтовой плотины, водосбросного
сооружения, водоспуска (водозабора) и других сооружений в за-
висимости от назначения гидроузла.
В состав гидроузла с водооборотной системой и системой с ме-
ханическим забором и подъемом воды входит также насосная
станция.
Состав и компоновка гидроузла зависят от назначения объекта,
водоносности источника, величины напора, топографических, гео-
логических и гидрогеологических условий, эксплуатационных
требований.
Некоторые схемы низконапорных речных гидроузлов для пру-
дов сельскохозяйственного назначения приведены в гл. Зи 4.
Как правило, гидроузлы и создаваемые ими водохранилища
имеют комплексное назначение. Они удовлетворяют требованиям
различных отраслей водного хозяйства (мелиорации, рыбного хо-
зяйства, водоснабжения, судоходства, энергетики и т.д.), а также
автомобильного и железнодорожного транспорта.
5.1.2. Основные требования к компоновке гидроузлов
Под компоновкой подразумевают взаимное расположение ос-
новных и второстепенных сооружений гидроузла. Она должна
обеспечивать такие условия их совместной работы, которые наи-
более полно удовлетворяют народнохозяйственным и техниче-
ским требованиям. Основа выбора рациональной компоновки —
технико-экономическое сравнение возможных вариантов. Пред-
почтение должно отдаваться тому варианту компоновки, кото-
рый при прочих равных условиях и наилучших технических и
экономических показателях надежно обеспечивает удобство экс-
плуатации основных сооружений, монтажа и ремонта их обору-
дования, минимальное расходование дефицитных строительных
материалов, а также отвечает требованиям охраны окружающей
среды.
Район предстоящего строительства гидроузла выбирают исхо-
дя из общей схемы использования реки. При этом предварительно
устанавливают местоположение створа гидроузла. Окончательно
створ выбирают после изучения всех условий и рассмотрения не-
скольких вариантов его местоположения.
По топографическим условиям различают узкие (коэффици-
ент створа В/Н < 3) и широкие (В/Н > 3...5) створы (ВяН — соот-
ветственно длина створа и напор).
В зависимости от назначения гидроузла в его состав входят
водоподпорные, водосбросные, водопроводящие, водозаборные,
судопропускные, лесопропускные, рыбопропускные и рыбоза-
щитные, энергетические и другие сооружения. На компоновку
весьма существенное влияние оказывают топография и геологи-
ческие 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 со-
оружений, трасс судоходных, рыбопропускных и водосбросных
сооружений, площадки для строительства поселков, производст-
венной базы и др. При этом сопоставляют наиболее целесообраз-
ные в данных природных условиях варианты с определением для
каждого из них наиболее рационального состава, типов и разме-
щения сооружений.
Компоновка гидроузла должна всесторонне учитывать природ-
ные, производственно-строительные, общехозяйственные условия
района строительства, а также возможность использования суще-
ствующих транспортных и других коммуникаций. Особое внима-
ние необходимо уделять:
• геологическому строению участка;
• изменению бытовых гидрологических и гидрогеологических
условий при создании подпора и, в частности, изменению режима
потока в верхнем и нижнем бьефах;
* заилению наносами водохранилища и переформированию
русла реки и берегов в подходах к гидроузлу, подтоплению и за-
болачиванию территории;
• сохранению возможности разработки природных ресурсов
в случае их затопления или подтопления;
• устойчивости береговых склонов в верхнем и нижнем бьефах;
• условиям судоходства и лесосплава;
• рыбоводству и рыболовству;
• санитарной обстановке в зоне влияния гидроузла;
• возможным нарушениям работы систем водоснабжения и
мелиорации;
• влиянию подпора на транспортные связи между берегами
в районе гидроузла и водохранилища и возможности их улуч-
шения.
Необходимо предусматривать сохранение природных условий
(в том числе по возможности сохранять естественную раститель-
ность) и улучшение ландшафта в створе гидроузла, по трассе де-
ривации, участку расположения напорно-станционного узла и
в местах, имеющих мемориальное значение.
Планировочные решения, размещение отвалов грунта я карь-
еров надлежит увязывать с окружающим ландшафтом.
Генеральный план гидроузла следует увязывать с проектом
развития района, в котором располагаются гидроузел, промыш-
ленные объекты, поселки строителей и эксплуатационников и
новые жилые образования. При этом необходимо учитывать ма-
гистрали, соединяющие этот комплекс с населенными пункта-
ми, железнодорожными станциями и портами, и предусматри-
вать возможность расширения промышленных и жилых образо-
ваний, возникающих в районе гидроузла.
При выборе компоновочного решения необходимо обеспечить
наиболее рациональные условия производства строительных
работ-, удобство подъездов к гидроузлу, целесообразную трасси-
ровку строительных дорог, благоприятные гидравлические ре-
жимы в период пропуска строительных расходов и временной
эксплуатации, максимально возможное сбалансирование объе-
мов 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 наи-
больших удобств для жителей и возможность последующего раз-
вития промышленного и гражданского строительства. При этом
учитывается наличие населенных пунктов, объектов стройинду-
стрии и других предприятий, которые могут быть использованы
при строительстве гидроузла, а также расположение строитель-
ной площадки по отношению к существующим подъездным пу-
тям и источникам энергоснабжения.
При сопоставлении вариантов компоновки гидроузле необхо-
димо учитывать сроки и размеры затрат, необходимых по каждо-
му 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 соци-
ально-экологическое обоснование.
Экономическая целесообразность строительства в первом при-
ближении оценивается коэффициентом эффективности, который
равен отношению чистого дохода к величине капитальных вложе-
ний, и является величиной, обратной сроку окупаемости. Значе-
ние этого коэффициента должно соответствовать нормативным
требованиям.
Инженерно техническую возможность строительства под-
тверждают гидрологическим и водохозяйственным расчетом,
оценкой надежности геологии, анализом батиграфических по-
казателей ложа.
Водохозяйственное строительство должно иметь социально-
экологическое обоснование, т.е. выполнять нормативные требо-
вания к качеству воды, защите ее от загрязнения, глубине водо-
ема, 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 за-
болачивания и засоления почв.
Непосредственное проектирование гидроузла как ответствен-
ного строительного объекта осуществляется в две стадии:
1) проект со сводной сметной стоимостью, в котором на осно-
вании инженерных изысканий и вариантных проработок уточ-
няют место размещения, проектную мощность, стоимость строи-
тельства и другие технико-экономические показатели;
2) рабочая документация со сметами.
Следует отметить, что содержание проектной документации
должно соответствовать СНБ 1.03.02-96.
Пруды
5.2.
5.2.1. Общая классификация водоемов
Искусственные водоемы различаются по следующим основ-
ным признакам: геометрическим размерам, местоположению,
степени аккумуляции и регулированию стока, назначению.
По геометрическим размерам выделяют:
• пруды — водоемы с полным объемом воды до 1 млн м3, пло-
щадью зеркала до 1 км3;
• малые водохранилища — водоемы с полным объемом
1...10 млн м3, площадью зеркала 1...2 км2;
• крупные водохранилища — водоемы, у которых полный
объем более 10 млн м3, а площадь зеркала более 2 км1.
По местоположению водоемы классифицируют:
• на долинные (русловые), устраиваемые путем затопления
русла и долины рек, ручьев, балок;
• наливные, создаваемые затоплением естественных пониже-
ний, искусственных углублений или участков обвалования тер-
ритории;
• озерные, образуемые путем подпора естественных озер и во-
доемов.
По степени аккумуляции и регулированию стока водоемы
бывают:
• с годовым регулированием, обеспечивающим сезонное, су-
точное регулирование;
• с многолетним регулированием, если наполнение и сработ-
ка полезного объема происходят в течение нескольких лет.
По назначению выделяют водоемы: для рыборазведения, оро-
шения, водоснабжения, благоустройства, судоходства и лесоспла-
ва, малой гидроэнергетики, спортивных целей, борьбы с наводне-
ниями и паводками, а также для комплексных целей.
5.2.2. Характеристика водоемов
Часть водоема или водотока, примыкающую к водоподпорно-
му сооружению или напорному фронту гидроузла, называют бье-
фом. Бьеф, расположенный вверх по течению от подпорного со-
оружения, называется верхним, а вниз по течению — нижним.
Водоем характеризуют следующие показатели:
• нормальный подпорный уровень (НПУ) — расчетный уро-
вень, устанавливаемый водохозяйственным расчетом;
• форсированный подпорный уровень (ФПУ) — уровень, до
которого допускается временное затопление части территории
(выше НПУ);
• уровень мертвого объема (УМО) — наинизший уровень, до
которого допускается опорожнение водоема;
• полный объем водоема W — объем, заключенный между
дном чаши пруда и зеркалом воды на отметке НПУ (равен сумме
полезного объема Wa и мертвого объема УУМО);
• полезный объем водоема Wn — объем, заключенный между
отметками НПУ и У МО, срабатывается для хозяйственных целей;
• мертвый объем водоема Wm — объем, заключенный между
дном чаши пруда и отметкой уровня УМО; предназначен для оса-
ждения в нем наносов;
• неопорожняемый объем И\о — часть мертвого объема, рас-
положенная ниже отметки порога водосливных (водоспускных)
отверстий и поэтому не опорожняемая самотеком;
• противопаводковый объем VVBI1 — часть полного объема,
срабатываемая перед пропуском паводка и используемая для
регулирования величины паводкового расхода;
• объем форсировки (резервный объем) — объем, заклю-
ченный между отметками НПУ и ФПУ;
• коэффициент емкости водоема — отношение полезного объ-
ема водоема Wn к объему среднего многолетнего стока Wo:
р = ^-5-. (5.1)
Основными показателями водоема являются его полезный
объем WB и площадь зеркала F. Для их определения используют
батиграфические (топографические) характеристики водоема
W = fi(H) и F = f2(H), где Н — отметка зеркала (глубина) водоема
(рис. 5.1, б).
Данные для построения батиграфических характеристик
водоема и порядок их определения показаны на рис. 5.1, а и
в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Определение вместимости чаши водоема
Показе таль
Горизонталь
Площадь по горизонтали, м*
Средняя площадь между горизонталями, м1
Сечение горизонталей, м
Объем между соседними горизонталями, ма
Объем поданной горизонтали, м3
Значение
Рис. 5.1. Определение размеров водоема (размеры в см):
а — схема для расчета объема водоема; б — топографические характеристики
водоема
Важными показателями водоема являются максимальная Ht
и средняя Нф = W/F глубина водоема, а также площадь мелко-
водной зоны глубиной Н < 0,5 м. Из экологических условий
площадь не должна превышать 10...15 % общей площади
зеркала водоема.
Следует отметить, что чем больше Н^, тем лучше характери-
стика водоема. Для равнинных водоемов = 2...5 м, для гор-
ных — 8...15 м и более.
5.2.3. Пруды Республики Беларусь
Прудовой фонд Республики Беларусь в настоящее время со-
ставляет около 1500 единиц, в том числе примерно 500 в гос-
рыбхозах и немногим более 1000 в колхозно-совхозном секторе.
В это количество входят и пруды-копани с площадью зеркала
менее 1 га. Более точно назвать эти цифры представляется слож-
ным, 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, раз-
рушения плотин из-за небрежности эксплуатации и др.
Следует отметить, что пруды распределены по областям очень
неравномерно. Так, в Минской области их около 400, в Гроднен-
ской — 300, Могилевской и Брестской — примерно по 270, Го-
мельской — 160 и Витебской — около 100. На рис. 5.2 показана
густота прудов на 100 км2 площади водосбора.
Рис. 52. Густота прудов на 100 км1 площади водосбора:
1 — нет прудов; 2 — менее 0,1 единицы; 3 — 0,1...0,3 единицы; 4 — 0,3...0,5
единицы;5 — 0,5...0,7единицы; 5 — 0,7... 1,0единицы; 7—более 1,0единицы
33 М В lieewtx»
Неравномерна распределена и площадь прудов (рис. 5.3). По
площади водного зеркала действующие пруды республики мож-
но 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 торфо-
разработок. Поэтому по характеру размещения их можно разде-
лить на четыре типа: речные, или русловые; овражно-балочные;
наливные; карьерные.
Рис. 5.3. 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
Речные пруды — наиболее распространенные, чаще всего лен-
товидной 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 мес-
тах, сильно подверженных воздействию водной эрозии. В Бела-
руси этот тип характерен для лёссового Оршанско-Могилевского
плато. Они имеют форму удлиненного треугольника с основани-
ем у плотины. Длина не превышает 0,5 км, ширина 150...200 м.
Наливные пруды встречаются очень редко, обычно озеровид-
ной формы. Их длина и средняя ширина в основном одинаковы.
Вода различными механическими способами подается из озер,
рек, каналов. Нередко эти водоисточники находятся на расстоя-
нии 5...6 км друг от друга.
Карьерные пруды располагаются, как правило, на месте тор-
форазработок или других выработок. Конфигурация в плане за-
висит от формы выработки.
Водохранилища
5.3.1. Обшие сведения о водохранилищах Республики
Беларусь
В настоящее время на территории Беларуси действует около
120 водохранилищ различного хозяйственного назначения. В рес-
публике преобладают водохранилища речного типа. Наибольшие
объемы зарегулированного водохранилищами стока рек прихо-
дятся на бассейны Западной Двины, Немана и Припяти. Наимень-
шая 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):
• на средние — с объемом более 100 млн м3 и площадью зерка-
ла более 50 км2;
• малые — объем10...100млнм3иплощадьзеркала10...50 км2;
• очень малые — объем 1... 10 млн м3 и площадь зеркала менее
10 км2.
зз*
В основном водохранилищный фонд республики представлен
малыми водохранилищами.
Наряду с отраслевым использованием водохранилища имеют и
комплексное назначение, например для рыбного хозяйства и оро-
шения земель, рекреации и энергетики, водоснабжения и рыбного
хозяйства и т.д.
В табл. 5.2 приведены основные данные по крупнейшим водо-
хранилищам Республики Беларусь.
Таблица 52
Крупнейшие водохранилища Республики Беларусь
Водохранилище Площадь, кма Полезный объем, млн м1 Средняя глубина, м Длина, км Площадь км'
Вилейское 77,0 235,0 7,00 30,0 4120
Заславское 27,0 103.0 3,80 9.2 562
Краснослободское 23,6 50,0 3,00 5.5 Ы»8
Солигорское 23.1 38.0 2,50 24,0 1685
Любанское 22,5 32,7 1.75 11,0 812
Погост 16,2 44.8 3,40 6.1 939
Локтьпли 15,9 29,8 3,20 6.0 940
Петровнчское 4.7 11,3 3,20 11,5 214
5.3.2. Изменение гидрологического режима и его
воздействие на природные условия зоны водохранилища
Водохранилища создают для перераспределения речного сто-
ка в многолетнем, сезонном, недельном или суточном разрезе.
Происходящее при этом преобразование естественного гидроло-
гического 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, глуби-
ны), его конфигурации в плане, гидрографии района, состава
пород, слагающих чашу водохранилища, характера регулиро-
вания, режима эксплуатации и климатических условий. В ниж-
нем 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. Макси-
мальное 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 водохра-
нилища от бытового уровня реки уменьшается. Существенное
влияние оказывают ветры, вызывающие нагонные явления.
Скорость течения в водохранилище меньше скорости тече-
ния в реке в бытовых условиях. Известно, что на равнинных ре-
ках бытовая скорость в период паводка в среднем составляет
1...3 м/с, тогда как средняя скорость в водохранилище в десят-
ки 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 реч-
ного. Если высота волны в реке в бытовых условиях обычно не
превышает 0,5...0,75 м, то в водохранилищах высота волны дос-
тигает 3 м и более. Высота волны на разных участках одного и
того же водохранилища и на разных водохранилищах изменяет-
ся очень существенно. Параметры волны зависят от скорости и
продолжительности действия ветра, длины разгона, глубины во-
дохранилища, конфигурации водохранилища, высоты берегов,
рельефа и грунта дна, наличия или отсутствия древесной расти-
тельности, характера заполнения водохранилища и многих дру-
гих факторов.
По условиям волнообразования различают следующие участ-
ки водохранилища: озеровидные плесы, узкие речные участки,
заливы.
Термический режим водохранилища весьма неоднороден. В от-
личие от рек в водохранилищах наблюдается существенное неод-
нородное распределение температур и не имеется свойственной
озерам четкой связи между изменением глубин и температурами.
Вследствие перемешивания воды ветровыми и русловыми тече-
ниями в придонных слоях водохранилищ температура относи-
тельно высока. Годовые изменения температур определяются сме-
ной сезонов года.
На мелководьях нагревание (и охлаждение) поверхностных
слоев воды происходит гораздо быстрее, чем на глубоководных
участках. Температура поверхностных слоев воды заливов и от-
крытых участков различается иногда на несколько градусов.
На глубоководных участках в тихое нештормовое время тем-
пература от поверхности ко дну понижается на 4...6 °C, в период
штормов температура выравнивается. В нижний бьеф осенью по-
ступает более теплая, а весной более холодная, чем в бытовых ус-
ловиях, вода (разница составляет 2...4 °C).
Прогрев воды весной и охлаждение ее осенью в водохранили-
ще отстает от аналогичных изменений в реке на 15...20 дней.
По мере удаления от гидроузла по реке разница температур есте-
ственного 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 око-
ло 300 мм. При создании водохранилищ резко увеличивается по-
верхность акватории, что, в свою очередь, приводит к увеличе-
нию испарения.
Льдообразование в водохранилищах зависит от метеорологи-
ческих условий, глубин и скорости течения. Процесс начинается
на мелководных заливах с образования заберегов. Последние, на-
растая, превращаются в широкий береговой припай. Над глубо-
ководными участками свободная от льда поверхность воды мо-
жет сохраняться дольше. Сплошное ледовое покрытие образуется
с наступлением устойчивых морозов. На севере страны льдообра-
зование в водохранилищах происходит быстрее, чем на реках
бытового режима, на юге — медленнее. Толщина льда водохрани-
лищ в среднем на 15...20 % больше, чем в реках. Различия
в толщине льда на отдельных участках водохранилищ более рез-
ки. У берегов лед толще, чем в открытой зоне водохранилища.
Участки с тонким льдом или свободные от льда бывают в зоне во-
доприемников гидроэлектростанций, где наблюдаются большие
скорости течения.
Осенний ледостав в нижнем бьефе наступает позднее, чем
в верхнем, вследствие поступления туда воды из водохранили-
ща, где ее охлаждение замедлено, и больших скоростей течения.
Кромка ледяного покрова образуется на расстоянии от несколь-
ких сот метров до нескольких десятков километров за гидроуз-
лом и по мере снижения температуры приближается к нему.
Освобождение водохранилища от льда происходит под воздей-
ствием тепла окружающего воздуха, солнечной радиации, при-
тока талой воды и взлома льда при поднятии уровня. Эти процес-
сы происходят тем интенсивнее, чем ниже уровень воды при
наступлении ледостава. На больших водохранилищах лед тает на
месте, на средних и малых при больших половодьях лед сбрасы-
вают в нижний бьеф.
Гидрохимический и гидробиологический режимы водохрани-
лищ также отличаются от речных. Резкое увеличение испарения
с водной поверхности при создании водохранилищ и образование
в нем льда могут увеличивать содержание солей в воде, что при-
водит к повышению минерализации в реке ниже водохранили-
ща (наименьшая минерализация наблюдается в период паводка,
в дальнейшем она повышается).
В результате изменения гидрологического режима реки зна-
чительные изменения претерпевает гидробиологический режим:
♦ из-за затопления больших площадей (лугов, пастбищ и даже
лесов) образуются огромные запасы органических веществ, что
благоприятно влияет на жизнь мельчайших организмов, являю-
щихся пищей для рыбы;
• в водохранилище поступают питательные вещества и с во-
досбора (больше, чем в реку в бытовом состоянии);
’ органические вещества поступают в воду вследствие жиз-
недеятельности микроорганизмов, синтезирующих органические
вещества из неорганических.
Под воздействием гидробиологических процессов изменяется
газовый режим водохранилищ. Перемешивание воды способст-
вует ее обогащению кислородом. Рыбное стадо изменяется: исче-
зают рыбы, привыкшие к проточной воде и большим скоростям,
появляются породы озерного типа.
Изменение гидрологического режима реки при создании водо-
хранилища ведет к изменению режима наносов — водохранили-
ще заиляется.
В верхней (хвостовой) части водохранилища откладываются
крупные наносы, по мере приближения к плотине размеры час-
тиц уменьшаются.
В нижнем бьефе наносный режим изменяется под влиянием
его изменений в верхнем бьефе. Это приводит к соответствую-
щим переформированиям русла: сначала наблюдается размыв и
понижение дна, затем процесс стабилизируется.
К мероприятиям по борьбе с заилением водохранилищ отно-
сятся:
• удаление наносов из водохранилищ путем выпуска воды че-
рез донные отверстия — при этом наносы смываются только с уча-
стка вблизи плотины; кроме того, для обеспечения необходимых
скоростей приходится резко снижать уровень водохранилища;
• механическое удаление наносов из водохранилища — на-
пример, землесосными снарядами (чрезвычайно дорогое меро-
приятие);
• предупредительные меры по предотвращению занесения
водохранилища — наиболее эффективно зарегулирование стока
верховьев реки и притоков; большое значение имеет борьба с вод-
ной эрозией на водосборной площади.
5.3.3. Изменение природных условий вокруг
водохранилища
Влияние подлора. Подпор (подъем уровня) от плотины и вы-
званное им затопление земель распространяются далеко вверх по
течению реки. Приближенно длину участка (зоны) подпора мож-
но вычислить по формуле
т КЯ
JL» ~ 1
I
(5.2)
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; 1 — средний продоль-
ный уклон потока до создания водохранилища (рис. 5.4).
Рис. 5.4. Схема для приближенного определения длины участка подпора
от плотины
Затопление земель в верхнем бьефе бывает трех типов:
• постоянное, отвечающее уровню мертвого объема (УМО);
• долговременное, отвечающее нормальному подпорному уров-
ню (НПУ);
• кратковременное, отвечающее периоду половодья и перио-
дам форсировки уровней.
Границы затопления могут изменяться (расширяться) под
влиянием переработки берегов и отложения в водохранилище
наносов.
Инженерная защита объектов на территории вокруг водохра-
нилища включает следующие мероприятия:
• ограждение объекта или ценных земель (иногда вредного
мелководья) незатопляемыми земляными дамбами;
• устройство дренажа и откачка воды с обвалованных или
подтопляемых территорий;
• укрепление берегов против разрушающего действия волн,
оползней;
• вертикальная планировка территорий.
Изменение ландшафта речной долины. При создании плотин
возникают озеровидные водоемы средней шириной в несколько
километров. Максимальная ширина крупных водохранилищ дос-
тигает 30...60 км с площадью водного зеркала в сотни и даже ты-
сячи квадратных километров.
Подъем уровня воды приводит к затоплению пойменных и над-
пойменных 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 водо-
хранилища или переформирование склонов речной долины, пре-
вращенных в берега водохранилища.
Переработка берегов водоемов (абразивная) происходит наи-
более интенсивно в первые 2...3 года эксплуатации, затем посте-
пенно затухает. В результате образуется относительно пологая и
устойчивая береговая отмель (рис. 5.5), в пределах которой га-
сится вся волновая энергия, ранее переходившая в работу разру-
шения берега.
Рис. 5.5. Переработка берегов водохранилища и образование береговой
отмели за 14... 15 лет эксплуатации
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 круп-
ных реках оказывают существенное влияние на климат окру-
жающих районов. Это влияние обусловливается следующими
факторами:
• появлением большого объема водной массы с высокой теп-
лоемкостью, что несколько смягчает континентальный характер
климата;
• увеличением площади поверхности испарения;
• подъемом уровня грунтовых вод;
• возникновением водной (гладкой) поверхности водохрани-
лища взамен шероховатой поверхности суши, что способствует
усилению ветров над водохранилищем и прибрежной зоной.
Влияние водохранилища распространяется на все составляю-
щие климата: континентальность, температурный режим, коли-
чество 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 зе-
мель). С созданием водохранилища существенно изменяется по-
ложение поверхности грунтовых вод (рис. 5.6) — она перемеща-
ется ближе к поверхности земли. И если, например, раньше река
была дреной другого водотока, то после заполнения водохрани-
лища направление движения грунтовых вод изменяется.
Рис. 5.6. Изменение положения депрессионной поверхности грунтовых вод
при создании водохранилища:
1 — уровень воды в реке до подпора; 2 — депрессионная поверхность грунто-
вых вод в естественных условиях; 3 — уровень водохранилища; 4 — депрес-
сионная поверхность грунтовых вод после подпора; 5 — водоупор
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 интен-
сивность процесса подтопления влияют в основном величина
подпора уровня воды в реке, механический состав и фильтраци-
онные свойства грунтов, слагающих берега водохранилища, и ре-
жим уровней водохранилища. Подъем уровня грунтовых вод при
слабоврезанной долине может привести к выходу их на поверх-
ность земли и заболачиванию территории.
Кроме того, повышение уровня грунтовых вод приводит к из-
менению почвенного покрова, растительности и химического со-
става грунтовых вод. Если на подтопленной территории располо-
жено 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 зе-
мель, уровней грунтовых вод и микроклимата приводит к изме-
нению водного и теплового режимов почвы в прибрежных и дру-
гих 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 водохра-
нилища, 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 кило-
метров.
Расположение уровня грунтовых вод на глубине 2 м и более
от поверхности земли ведет к увеличению подвижности гумусо-
вых 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 хими-
ческих процессов и способствует переходу дерново-подзолистых
почв в подзолисто-глееватые. Очень близкое к поверхности земли
залегание уровня грунтовых вод, т.е. активное подтопление, при-
водит к заболачиванию с образованием торфяно-глеевых и торфя-
нисто-подзолисто-глеевых почв с сильноторфянистой дерниной;
в засушливых районах наблюдается засоление почв. В зонах пе-
риодического затопления образуются торфяно-глеевые и болот-
ные почвы.
Под влиянием изменения гидрологического режима, микро-
климата и почвенного покрова существенно видоизменяется рас-
тительность как в водохранилище, так и на прибрежных терри-
ториях. На глубоководных и постоянно затопленных участках
ранее существовавшая растительность (деревья, кустарники, тра-
вы, 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 большо-
го волнобоя.
С возникновением водохранилищ существенно изменяется
животный мир. Вытесняются, гибнут ранее жившие здесь жи-
вотные. В то же время происходит обогащение фауны водными
видами животных (ондатра, выдра, норка, нутрия) и птицами.
Благоприятное развитие этих видов фауны характерно для во-
дохранилищ с незначительными колебаниями уровней.
5.3.4. Изменение природных условий в нижнем бьефе
гидроузлов
В связи с увеличением меженных расходов в нижнем бьефе
оказывается постоянно затопленной узкая прибрежная зона. Ши-
рина 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 на-
блюдаются изменения почвенно-растительного покрова, анало-
гичные происходящим в верхнем бьефе. В то же время, вследствие
уменьшения паводковых расходов потока, сбрасываемого в ниж-
ний бьеф, уменьшается по сравнению с бытовыми условиями эона
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 ухуд-
шению 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 засушли-
вых южных районов, где весеннее увлажнение поймы создает
базу для развития луговой и древесной растительности в течение
всего лета. Влияние этого фактора для районов избыточного ув-
лажнения (лесная зона) несколько иное.
Русловые процессы и пойменные деформации в нижнем бьефе
развиваются в направлении размыва берегов, отмирания пой-
менных и русловых рукавов, хотя эти процессы идут довольно
медленно. Более активно, особенно в первые годы эксплуатации
водохранилищ, проходят процессы руслоформирования в верти-
кальной плоскости. Вследствие задержания в водохранилище
наносов и поступления в нижний бьеф переосветленной (по сравне-
нию с бытовыми условиями) воды здесь отмечается активный
размыв дна и понижение его отметок непосредственно вблизи
гидроузла. Развитие этого процесса идет до установления равно-
весия, т.е. развитие процессов размыва по длине русла до насы-
щения потока наносами до его транспортирующей способности,
после чего зона размыва и зона аккумуляции смещаются вниз по
течению.
На притоках, впадающих в реку ниже водохранилища, про-
исходит активизация русловых процессов. Здесь вследствие сни-
жения уровней половодья в главной реке увеличиваются уклоны
и скорости, что ведет к усилению размывов русл и берегов. Эти
процессы тем активнее, чем ближе устья притоков к створу гид-
роузла.
Вследствие образования в нижнем бьефе незамерзающих уча-
стков (майн) изменяется микроклимат как над самой рекой, так
и в прибрежной зоне: температура воздуха здесь несколько вы-
ше, чем над окружающей местностью, отмечается образование
туманов.
5.3.5. Организация чаши водохранилищ
и противомалярийные мероприятия
Для обеспечения надлежащего хозяйственного использования
водохранилища и создания благоприятных санитарно-гигиениче-
ских условий для населения проводят специальные мероприятия
по подготовке его чаши (ложа). Эти мероприятия включают в себя
работы по лесосводке, лесоочистке и санитарной очистке загряз-
ненных территорий, специальную санитарную обработку зон во-
дозаборов, противомалярийные и другие мероприятия.
При подготовке чаши водохранилища всю товарную древеси-
ну в зоне затопления, реализация которой экономически целесо-
образна, вырубают и доставляют потребителям. Кустарники и
нетоварную древесину или вырубают в соответствии с требова-
ниями отдельных отраслей народного хозяйства и здравоохране-
ния, или затопляют.
Вырубку товарной древесины называют лесосводкой, а уда-
ление 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 здра-
воохранения по обеспечению нормальных санитарно-гигиениче-
ских условий для населения, проживающего на берегах и вблизи
водохранилища. Кроме того, необходимость лесоочистки дикту-
ется обеспечением надлежащего качества воды в местах водоза-
боров и возможностью использования водохранилища в культур-
ных и спортивных целях.
Состав и объем санитарно-гигиенических мероприятий оп-
ределяются основными требованиями санитарных правил. Кро-
ме кратко рассмотренных выше лесосводки и лесоочистки к ним
относятся:
• запрещение сброса в водохранилище неочищенных сточ-
ных вод, обеспечение санитарной очистки территории населен-
ных мест, животноводческих ферм, промышленных предпри-
ятий и мест специфического загрязнения, попадающих в зону
воздействия водохранилища;
• подготовка санитарных зон и прибрежных участков водо-
хранилища вблизи населенных мест;
• перенос кладбищ, братских могил и скотомогильников или
устройство сооружений (креплений), защищающих их от размыва;
• специальная санитарная подготовка зон водозаборов цен-
трализованного питьевого водоснабжения;
• прочие санитарно-гигиенические мероприятия (охрана грун-
товых вод от истощения и загрязнения и т.д.).
В нашей стране достигнуты большие успехи по борьбе с маля-
рией, практически отсутствует первичное заболевание этой бо-
лезнью. Малярийный комар является только переносчиком (а не
возбудителем) этого заболевания, поэтому там, где нет больных
малярией, нет и малярии. Однако учитывая передвижение насе-
ления 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, энтомоло-
гических, гидротехнических и других противомалярийных ме-
роприятий.
Гидротехнические мероприятия включают углубление или за-
сыпку мелководий 1,5...2,0 м, их обвалование, осушение заболо-
ченных территорий и др.
В нижнем бьефе гидроузлов санитарные мероприятия осуще-
ствляются путем попусков воды из водохранилища в период ма-
лых расходов.
6.1.
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КУРСОВОМУ И ДИПЛОМНОМУ
ПРОЕКТИРОВАНИЮ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
---------------------------
Основные положения и нормы
6.1.1. Общие сведения о проектировании
Проектом называют совокупность документов, содержащих
принципиальное (эскизный проект) или окончательное (техни-
ческий проект) решение о строительстве или реконструкции со-
оружения. Проект, представляющий совокупность документов
установленной формы, включает пояснительную записку и чер-
тежи.
Проектирование гидротехнических сооружений осуществля-
ется в несколько стадий, которые определены СНБ 1.03.02-96'.
Первой проектной стадией является обоснование инвестиций
в строительство объектив — это оценка технической возмож-
ности, коммерческой и экономической целесообразности инве-
стиций в строительство данного объекта. На этой стадии рассмат-
ривается ряд альтернативных вариантов, выполняются необхо-
димые расчеты сооружений, а также расчеты по определению
эффективности инвестиций, социальных, экологических и дру-
гих последствий осуществления строительства и эксплуатации
объекта. Обоснование инвестиций служит основанием для приня-
тия заказчиком решения о дальнейшем инвестировании, оформ-
ления в установленном порядке материалов предварительного со-
гласования места размещения и разработки проектной докумен-
тации.
СНВ 1.03.02-96. Состав, порядок разработки и согласования проектной доку-
ментации в строительстве. Ми.: Минстройархитектуры, 1996. 24 с
34 М В. Нгстгрин
Разработка проектной документации на строительство гидро-
технических сооружений осуществляется, как правило, в две ста-
дии: архитектурный проект и строительный проект.
В архитектурном проекте на основе данных уточненных и де-
тализированных изысканий и выполненных модельных исследо-
ваний окончательно устанавливаются водохозяйственный режим,
типы и основные детали сооружений, составляются их чертежи,
разрабатываются методы производства работ, перечни необходи-
мых машин и механизмов, организация строительства, детализи-
руется и уточняется смета.
Архитектурные проекты независимо от источника финанси-
рования и форм собственности подлежат государственной экс-
пертизе в установленном порядке.
На основе архитектурного проекта открывается финансирова-
ние и начинаются строительные работы, делаются заказы на обо-
рудование, отводится необходимая территория с выдачей госу-
дарственного акта на право пользования землей.
Строительный проект разрабатывается на основе утвержден-
ного архитектурного проекта и обеспечивает непосредственную
реализацию инвестиций в строительство объекта. На этой стадии
проектная организация разрабатывает рабочую документацию,
детальные чертежи сооружений и их элементов, идущие непосред-
ственно на площадку строительства для выполнения по ним работ
с учетом возможных изменений в проекте. Эти изменения могут
понадобиться после вскрытия основания сооружения до проект-
ных отметок и уточнения геологического строения основания и
примыканий сооружений к берегам, а также по ходу работ в слу-
чае выяснения непредвиденных обстоятельств.
Для сооружений менее значимых и технически несложных,
строящихся по типовым проектам и проектной документации
массового и повторного применения, может предусматриваться
одностадийное проектирование. При одностадийном проектиро-
вании в состав проектной документации входит строительный
проект, в котором выделяют и отдельно утверждают архитектур-
ную часть.
Разработка проектной документации на строительство гидро-
технических сооружений должна осуществляться разработчика-
ми, получившими в установленном порядке лицензию на право
проектирования таких объектов в соответствии с законодатель-
ством Республики Беларусь.
По завершении любой стадии проектирования осуществляют
оценку проектных проработок. Их рассматривают, рецензиру-
ют и утверждают соответствующие уровню проекта органы. Бели
проект затрагивает интересы нескольких отраслей народного хо-
зяйства, то в установленном директивными органами порядке
его согласовывают с соответствующими территориальными или
центральными ведомствами.
При составлении проектов специалисты руководствуются ин-
струкциями по разработке проектов и смет для строительства ме-
лиоративных объектов, техническими условиями ТУ, СТБ, СНБ,
РПИ, СНиП, типовыми проектами, каталогами типовых индуст-
риальных конструкций, стандартами на строительные материа-
лы и конструкции, нормами продолжительности строительства и
другими нормативными документами.
6.1.2. Требования к проектированию
При разработке проектов сооружений гидромелиоративных
систем следует учитывать инженерно-геологические, топографи-
ческие, гидрологические, биологические и другие условия при-
родной среды, а также технические характеристики системы,
включая сведения о расходах воды, способе полива. В обязатель-
ном порядке необходимо учитывать перспективы развития гид-
ромелиоративных систем, комплексность использования водных
ресурсов, возможные изменения природной среды, требования
по охране природы.
Проектируемые сооружения должны отвечать требованиям
надежности и технологичности, быть удобными в эксплуатации,
обеспечивать возможность наблюдений за их работой, состояни-
ем креплений и гидромеханического оборудования.
Конструкции и габариты сооружений должны обеспечивать
благоприятный гидравлический режим потока при пропуске нор-
мальных и максимальных расчетных расходов воды, требуемую
маневренность в изменении уровней и расходов, нормальную ра-
боту системы в сложных наносных и шуго-ледовых условиях.
При проектировании конструкций гидротехнических соору-
жений необходимо обеспечить их архитектурную привлекатель-
34*
ность, возможность наиболее полного использования местных
строительных материалов, условия проведения ремонтных и вос-
становительных работ [20]. Необходимо также учитывать усло-
вия их строительства, возможность высокой степени механизации
работ, сокращение сроков строительства.
При создании водоподпорных сооружений следует предусмот-
реть инженерную защиту или перенос жилых и производствен-
ных объектов, исторических и архитектурных памятников, ус-
коренную разработку или охрану месторождений полезных ис-
копаемых. благоприятные режимы уровней в верхнем и нижнем
бьефах, соответствующую подготовку затапливаемых террито-
рий, а в случае необходимости — переселение из района возмож-
ного затопления, решение вопросов благоустройства территории,
охраны окружающей среды, гражданской обороны.
В процессе проектирования надо рассматривать возможность
совмещения функций, выполняемых отдельными сооружениями,
их водомерность, возможность возведения и ввода их в эксплуата-
цию очередями, а также возможность унификации отдельных эле-
ментов, узлов и сооружений в целом.
6.1.3. Классы сооружений
При проектировании гидроузлов и гидросистем выделяют
постоянные и временные гидротехнические сооружения. Из
группы постоянных сооружений выделяют основные и второ-
степенные.
Постоянные гидротехнические сооружения подразделяют на
классы. От класса сооружения зависят состав и объемы изыска-
тельских и проектных работ, коэффициенты запасов при расче-
тах сооружений, значения сбросных расходов, характеристики
используемых при строительстве материалов. При определении
класса учитывают ущерб народному хозяйству от аварий или на-
рушений эксплуатации сооружений. СНиП 2.06.01-86 рекомен-
дует назначать класс сооружений по двум основным признакам:
* в зависимости от последствий аварий водоподпорных соору-
жений, их высоты, материала и вида грунта основания (табл. 6.1);
• в зависимости от последствий нарушения правил эксплуа-
тации сооружений (табл. 6.2).
Таблица 6.1
Классы водоподпорпых гидротехнических сооружений в зависимости
от их высоты, типа основания и последствий аварии
Водоподпорные сооружения Грунты основания Высота сооружения (м), определяющая классы
I П III IV
Плотины из грунтовых ма- Скальные >100 70 ...100 25-70 <25
терналов Песчаные, крупнооб- ломочные, глинистые в твердом и полутвер- дом состоянии >75 35... 75 15-35 <15
Глинистые водона- сьпценные в пласти- ческом состоянии >50 25...50 15-25 <15
Плотины бетонные, железо- Скальные >100 60 ...100 25-60 <25
бетонные, подводные конст- рукции зданий гидроэлек- тростанций, судоходные шлюзы, судоподъемные со- Песчаные, крупнооб- ломочные, глини- стые в твердом и по- лутвердом состоянии >50 25-50 10-25 <10
оружения, подпорные стен- ки и другие бетонные соору- жения, участвующие в создании напорного фронта Глинистые водона- сыщенные в пласти- ческом состоянии >25 20-25 10-20 <10
Примечания: 1. Если авария водоподпорного сооружения может повлечь за
собой последствия катастрофического характера для расположенных ниже горо-
дов, крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей, то его
класс, определенный по таблице, допускается повышать при надлежащем обос-
новании в соответствии с масштабом последствий. 2. Если авария водоподпорно-
го сооружения не вызывает катастрофических последствий в нижнем бьефе (при
расположении гидроузла в необжитом районе или у моря), то его класс, опреде-
ленный по таблице, допускается понижать на единицу.
Таблица 6.2
Классы объектов гидротехнического строительства в зависимости от
последствий нарушении их эксплуатации
Речные гидроузлы и магистральные каналы Класс сооружений
ОСНОВНЫХ тор-хтепенвых
Оросительных систем при площади III ш
орошения более 400 тыс. га Мелиоративных систем при площади орошения яти осушения, тыс. га: 51-400 п IV
<50 IV IV
Примечания: 1. Классы гидротехнических сооружений, участвующих в соз-
Дании напорного фронта и располагаемых на сверхмагистральных и магистраль-
яых водных путях, а также на оросительных магистральных каналах, следует
повышать на единицу по сравнению с установленными по таблице. 2. Класс ры-
бопропускного сооружения, участвующего в создании напорного фронта, назна-
чают такой же, как класс водоподпорного сооружения. 3. Класс сооружений узла
насосной станции переброски стока устанавливают в зависимости от народнохо-
зяйственного значения данной системы.
После того как выбрано окончательное решение, рекоменду-
ется принимать наибольший из классов, определенных по обоим
признакам. В гидроузлах комплексного назначения класс основ-
ных сооружений принимают по показателям участника водохо-
зяйственного комплекса, имеющего наиболее высокий класс.
Класс сооружений можно понизить на единицу в следующих
случаях:
• сооружения I и П классов не участвуют в создании напорного
фронта (кроме зданий ГЭС, напорных деривационных и турбин-
ных водоводов, напорных бассейнов и уравнительных камер);
• мелиоративные, энергетические и судоходные сооружения
могут быть отремонтированы без нарушений работы гидроузла;
• сооружения мелиоративной сети имеют срок службы не бо-
лее 10 лет.
Временные сооружения допускается относить к IV классу,
если их авария может привести к катастрофическим последстви-
ям для строящихся объектов или населенных пунктов, а также
в случае значительной задержки возведения основных сооруже-
ний I, П и Ш классов. Перемычки и строительные туннели можно
отнести к Ш классу при соответствующем обосновании.
Класс сооружений мелиоративных систем назначают в зави-
симости от площади обслуживаемых или мелиорируемых земель
(табл. 6.3).
Классы сооружений мелиоративных систем при соответст-
вующем обосновании допускается повышать на единицу в сле-
дующих случаях:
• авария основных сооружений П.. .IV классов влечет за собой
последствия катастрофического характера, выражающиеся в за-
топлении населенных пунктов, разрушении расположенных
ниже сооружений, длительном прекращении или значительном
уменьшении подачи воды;
• на мелиоративной системе имеются другие потребители, вре-
менное прекращение или уменьшение подачи воды которым мо-
жет нанести значительный ущерб народному хозяйству;
• на системе имеются населенные пункты и предприятия, за-
топление или подтопление которых может принести значитель-
ный ущерб.
Таблица 6.3
Классы сооружений мелиоративных систем
Площадь обслуживаемых Класс сооружений
земель, тыс. га основных второстепенных
При орошении: более 400 п ш
5O-.4OO ш IV
до 50 IV IV
При осушении: более 50 ш IV
до 50 IV IV
Класс рыбопропускных сооружений зависит от класса соору-
жений, составляющих напорный фронт гидроузла (если сооруже-
ние входит в состав напорного фронта), и их рыбохозяйственной
значимости, которую определяют рыбохозяйственные органы
(табл. 6.4).
Таблица 6.4
Классы рыбопропускных сооружений
Процент отрезаемых гидроузлом нерестилищ Класс сооружений
на важных в рыбохозяйственном отношении реках на прочих реках
Более 75 I п
25—75 II III
Менее 25 III IV
В тех случаях, когда сооружение проектируют для сохране-
ния исчезающих видов рыб, его относят к I классу.
Класс судоходных сооружений, устраиваемых в составе реч-
ных гидроузлов комплексного назначения, определяют в соот-
ветствии с табл. 6.5.
Таблица 6.5
Классы судоходных сооружений
Гидротехнические сооружения на внутренних водных путях Класс сооружений
основных второстепенных
Сверхмагистральных II ш
Магистральных и местного значения ш IV
Местного значения на малых реках IV IV
Примечания: 1. Подразделение на виды водных путей осуществляют в соот-
ветствии с нормами проектирования подмостовых габаритов, определяемых рас-
четом на основе рекомендаций СНиП 2.06.07-87. 2. Классы гидротехнических
сооружений, проектируемых на сверхмагистральных и магистральных водных
путях, участвующих в создании напорного фронта, рекомендуется повышать на
единицу против приведенных в таблице значений.
6.1.4. Основные расчетные критерии
При проектировании гидротехнических сооружений и их ос-
нований необходимо определять нагрузки и воздействия на них.
Для этого используют рекомендации соответствующих норма-
тивных документов (СНиП, СТБ, СНБ, ТУ, РИИ и др.), а в особо
сложных случаях данные модельных испытаний.
Для каждого из видов нагрузок и воздействий установлены
минимально допустимые коэффициенты перегрузки (табл. 6.6).
Таблица 6£
Значения минимально допустимых коэффициентом перегруэок
Нагрузки и воздействия Коэффициент пере- грузки л
Собственная масса сооружения 1,05(0,95)
Собственная масса обделок туннелей 1,02(0,9)
Вертикальное давление от массы грунта 1.1 (0.9)
Боковое давление грунта 1,2 (0.8)
Давление наносов 1.2
Гидростатическое и волновое давление, а также давление фильтрационных вод по подземному контуру сооружения, в швах и расчетных сечениях бетонных и железобетонных конструкций (противодавление) 1.0
Гидростатическое давление подземных вод на обделку тун- нелей 1.1 (0.9)
Окончание табл. 6.6
Нагрузки и воздействия Коэффициент пере- грузки л
Вертикальные и горизонтальные нагрузки от подъемных, погрузочных н транспортных механизмов, а также нагруз- ки от людей, складируемых грузов и стационарного техно- логического оборудования По главе СНиП на нагрузки н воз- действия
Снеговые нагрузки То же
Ветровые нагрузки •
Нагрузки от судов 1.2
Ледовые нагрузки 1.1
Температурные и влажностные воздействия 1.1
Сейсмические воздействия 1.1
Примечания: 1. Коэффициент перегрузки от подвижного состава железных
и автомобильных дорог следует принимать по нормам проектирования мостов.
2. Значения коэффициентов перегрузкиотгорного давления следует принимать
по строительным нормам па проектирование гидротехнических туннелей. 3. Ко-
эффициент перегрузки допускается принимать равным единице для собствен-
ной массы сооружения, вертикального давления от массы засыпки грунтом,
если масса ее не превышает 20 % общей массы сооружения, а также для всех
грунтовых нагрузок при использовании расчетных параметров грунтов, опреде-
ляемых в соответствии с главой СНиП по проектированию оснований гидротех-
нических сооружений. 4. Указанные в скобках коэффициенты перегрузки отно-
сятся к случаям, когда применение минимального значения коэффициентов
приводит к невыгодному случаю загружения сооружения.
Различают постоянные, временные, длительные, кратковре-
менные и особые нагрузки и воздействия.
Расчеты гидротехнических сооружений выполняют на основ-
ные и особые сочетания нагрузок и воздействий, определяемых
для наиболее неблагоприятных, но возможных случаев работы
в эксплуатационном и строительном периодах. Основные сочета
ния состоят из постоянных, длительных и кратковременных на-
грузок, а особые — из постоянных, длительных, отдельных крат-
ковременных и одной из особых нагрузок.
При проектировании каждого сооружения учитывают кон-
кретные нагрузки и воздействия и их сочетания.
Расчет сооружений и их оснований выполняют по двум груп
пам предельных состояний:
1) по полной непригодности сооружений и их оснований к экс-
плуатации;
2) непригодности к нормальной эксплуатации.
По первой группе предельных состояний проводят расчеты
прочности и устойчивости сооружений и их оснований. В соот-
ветствии со СНиП 2.06.01-86 условием наступления такого со-
стояния будет [20]:
(6.1)
н
где пс — коэффициент сочетания нагрузок (для основного их соче-
тания пс = 1, для особого — 0,9, для сочетания нагрузок в период
строительства — 0,95); F — расчетное значение обобщенного сило-
вого воздействия (сила, момент, напряжение), деформации или
другого параметра, по которому производится оценка предельного
состояния; R — расчетное значение обобщенной несущей способ-
ности, деформации или другого параметра сооружения или его
конструкций и оснований, устанавливаемого нормами проектиро-
вания; т — коэффициент условий работы (табл. 6.7.); Ка — коэф-
фициент надежности (табл. 6.8).
Таблица 6.7
Значения коэффициента условий работы т
Сооружения Коэффициент условий работы м
Бетонные и железобетонные на полу скальных и нескальных основаниях Бетонные и железобетонные на скальных основаниях с по- верхностями сдвига, проходящими: 1,00
по трещинам в массиве основания 1,00
по контакту бетон—скала или частично по трещинам в мас- сиве основания, частично по монолиту 0,95
Арочные плотины и другие распорные сооружения на скаль- ных основаниях 0,75
Портовые сооружения на всех видах оснований 1,15
Естественные или искусственные склоны и откосы 1.00
Примечание. В необходимых случаях при надлежащем обосновании кроме при-
веденных в таблице коэффициентов принимают дополнительные коэффициенты ус-
ловий работы, учитывающие особенности конструкций сооружений и их оснований.
Таблица 6.8
Расчетные значения коэффициента надежности К,
(утверждены СНиП 2.06.01-86)
Класс I п Ш IV
к. 1,25 1,20 1,15 1,10
По второй группе предельных состояний рассчитывают пере-
мещения, раскрытие трещин, местную прочность оснований и
устойчивость естественных откосов.
6.1.5. Применение систем автоматизированного
проектирования
В связи с развитием математических методов и средств вычис-
лительной техники появилась принципиально новая возможность
повысить темпы и качество проектирования путем его комплекс-
ной автоматизации. Необходимость автоматизации проектно-рас-
четных работ вызвана тем, что их объем постоянно возрастает. Это
требует увеличения числа проектировщиков, что не всегда гаран-
тирует высокое качество решения задач.
Еще одна причина автоматизации проектных работ — услож-
нение объектов проектирования и, следовательно, потребность
в обеспечении необходимой глубины проработок, рассмотрении
большого числа вариантов и оптимизации решений.
Вначале были автоматизированы отдельные задачи проектиро-
вания гидротехнических сооружений (в основном расчетного ха-
рактера): были созданы пакеты прикладных программ (ППП) по
расчету полей различной физической природы, а также по смет-
но-финансовым расчетам. Основными ситуациями, рассчитывае-
мыми с помощью 111111, были [20]:
• нестационарная фильтрация по нелинейным законам через
проницаемые сооружения;
• установившаяся фильтрация через грунтовые сооружения;
• напорная фильтрация под гидросооружениями, приток во-
ды к котлованам;
• тепловлагоперенос в теле плотины;
• напряженно-деформационное состояние гидротехнических
сооружений и упругие деформации конструкций;
• устойчивость откосов плотин из грунтовых материалов и др.
Автоматизация функционально законченных фрагментов про-
ектных работ привела к появлению автоматизированных тех-
нологических линий проектирования (АТЛП). Например, АТЛ11
открытой осушительной сети решают следующие задачи:
• выбор поперечных сечений каналов;
• определение оптимального положения проектной линии
продольного профиля канала;
• гидравлический расчет каналов;
• расчет объектов земляных работ;
• выбор состава сетевых гидросооружений;
• привязка водовыпусков, переездов, перегораживающих со-
оружений и ливнепропускных труб;
• подсчет объемов работ по сооружениям;
• составление ведомости потребности в материалах и заказ-
ных спецификаций.
Современный этап применения вычислительной техники, ма-
тематических методов и системного подхода к проектированию
характеризуется созданием систем автоматизированного проек
тирования (САПР), выполняющих кроме инженерных расчетов
выбор наиболее рациональных проектных решений, компоновку
сооружений и узлов из составляющих их элементов, технологиче-
ское проектирование, выдачу проектной документации, матема-
тическое моделирование работы сооружений и степени их влия-
ния на прилегающую территорию и др. Однако применение САПР
не угрожает монополии человека в принятии определяющих ре-
шений в процессе проектирования. Человек должен, во-первых,
решать все задачи, возникающие в процессе проектирования и не
предусмотренные данной программой ЭВМ, во-вторых, прини-
мать решения в ситуациях, когда это эффективнее делать в ре-
зультате творческой деятельности проектировщика, а не на основе
вычислительных способностей современных компьютеров.
Для удовлетворения информационных потребностей проекти-
ровщика и отдельных компонентов САПР необходимо иметь и
постоянно пополнять базу данных (БД). В ней хранятся норма-
тивно-справочная информация (сведения из ГОСТов, СТБ, СНБ,
СНиПов и др.), типовые проектные решения, сведения о проек-
тах-аналогах, исходные данные для проектирования, текущая
проектная документация (результаты выполненных этапов) и др.
В БД по каждому проектируемому гидросооружению может хра-
ниться несколько вариантов, по которым выполняется техни-
ко-экономическое сравнение. Система управления БД обеспечи-
вает поиск информации по заданным признакам, включение
в БД новых записей, удаление из БД лишних и ненужных запи-
сей, а также изменение значений элементов данных в записях.
В БД помимо числовой и текстовой хранится и графическая ин-
формация. Следовательно, САПР должна обеспечивать ввод и
выдачу информации в графическом виде (схемы, графики, чер-
тежи) в соответствии с требованиями Единой системы конструк-
торской документации [20].
Автоматизированное проектирование гидротехнических соору-
жений предполагает не только синтез, но и анализ путем создания
модели и оперирования ею для получения сведений о реальном объ-
екте. В САПР применяют математическое моделирование, которое
по сравнению с физическим имеет ряд преимуществ: меньше сроки
на подготовку анализа, значительно меньшая материалоемкость,
возможность выполнения экспериментов на критических режи-
мах, которые привели бы к разрушению физической модели и др.
Таким образом, создаваемые и находящие все более широкое
применение системы автоматизированного проектирования гид-
ротехнических сооружений представляют собой компьютерные
системы, оснащенные развитыми программными и техническими
средствами машинной графики, инженерных расчетов, матема-
тического моделирования, а также документирования проект-
ной информации.
Курсовое и дипломное проектирование
6.2.
6.2.1. Общие положения
Курсовое и дипломное проектирование отличаются от произ-
водственного определенной условностью отдельных позиций за-
дания, а также объемами и глубиной проработки разделов проек-
та. Из-за ограниченности времени одни разделы проектов могут
выполняться на уровне эскизных проработок, другие — рабочих
чертежей. В связи с этим методический подход и организация со-
ставления дипломных и курсовых проектов имеют специфиче-
ские особенности, о которых студент должен иметь представле-
ние до начала их выполнения.
Курсовое и дипломное проектирование — важнейшие элемен-
ты учебного процесса.
В процессе курсового проектирования студенты должны овла-
деть методикой и навыками самостоятельного решения конкрет-
ных инженерных задач при создании гидротехнических соору-
жений гидромелиоративных систем. Это подготовительный этап
к выполнению дипломного проекта по соответствующей темати-
ке. Курсовое проектирование позволяет закрепить знания сту-
дентов по наиболее важным и ответственным разделам учебной
программы дисциплины «Гидротехнические сооружения».
Дипломное проектирование — завершающий этап подготов-
ки студента в вузе. Его цель — углубление, систематизация, за-
крепление и расширение теоретических и практических знаний
по специальности, развитие навыков решения конкретных науч-
но-технических и инженерно-экономических задач. Дипломный
проект — это квалификационная работа, позволяющая оценить
готовность выпускника к самостоятельной работе в современных
условиях. В результате дипломного проектирования студент дол-
жен продемонстрировать:
• глубокие знания в общетеоретической и специальной под-
готовке;
владение основами современных методов проектирования
речных и внутрисистемных гидротехнических сооружений и гид-
роузлов с учетом топографических, геологических, гидрологиче-
ских, водохозяйственных, строительных, экономических и дру-
гих условий;
• умение применять накопленные в процессе учебы знания
при решении конкретных задач водохозяйственного и гидроме-
лиоративного строительства.
6.2.2. Организация проектирования
Курсовое проектирование начинается с выдачи преподавате-
лем индивидуального задания каждому студенту. Преподаватель
излагает общую идею курсовых проектов, дает их характеристи-
ку, рекомендует последовательность выполнения разделов и ори-
ентировочные объемы записки и графических материалов, фор-
мулирует цель и задачи проектирования, требования к курсо-
вым проектам, предлагает систему консультаций и контроля за
ходом выполнения проекта, знакомит студентов с рекомендуе-
мой литературой, порядком представления и защиты проекта,
6.2. Курсовое и дипломное проектирование
обращает внимание на требования к оформлению пояснительной
записки и чертежей.
Для проектов, выполняемых по одной тематике, составляют
типовой календарный график выполнения, учитывающий тру-
доемкость их разделов. В процессе индивидуальных консульта-
ций график можно уточнить, как и отдельные позиции самого
проекта.
Законченный проект студент передает руководителю курсово-
го проектирования для проверки перед защитой, которая прохо-
дит в форме заслушивания доклада и ответов на вопросы или со-
беседования. Рекомендуется проводить защиту проекта в виде
деловой игры. Для этого предварительно из группы студентов на-
значают технический совет в составе рецензента, начальника об-
ластного (краевого) управления водного хозяйства, начальника
бассейнового управления по охране и рациональному использо-
ванию водных ресурсов, начальника отдела изысканий, началь-
ника гидротехнического отдела и отдела мелиораций. Препода-
ватели выполняют роли председателя техсовета, представителя
заказчика или строительной организации. Возможны и другие
варианты распределения обязанностей. Защита в этом случае
проходит в следующем порядке: после 6...7- минутного доклада
защищающему проект задают вопросы члены совета и рецензент.
Оценку каждый член совета выставляет отдельно, а затем выво-
дят общую.
Дипломное проектирование начинается с выбора студентом
темы из перечня, предлагаемого кафедрой. Как правило, выбор
осуществляется с участием, а иногда и с помощью будущего ру-
ководителя дипломного проектирования. При выборе темы ди-
пломник учитывает свои склонности, опыт, материалы ранее вы-
полненных научных работ, информацию, собранную им в про-
цессе прохождения практики. Тема дипломного проекта может
быть выбрана студентом и закреплена за ним на третьем-четвер-
том курсе. При наличии соответствующих условий проект можно
выполнить по заказам хозяйств (один студент или группа).
Тема дипломного проекта должна быть закреплена за студен-
том до его отъезда на преддипломную практику. Кафедра опреде-
ляет состав руководителей дипломного проектирования по темам,
а также места преддипломной практики. До отъезда на практику
целесообразно провести встречу дипломников с руководителями
и заведующим кафедрой. На встрече решают организационные во-
просы, формулируют общие положения организации дипломного
проектирования и требования кафедры к дипломным проектам,
излагают задачи преддипломной практики. В процессе собеседо-
вания дипломника с руководителем уточняют позиции будущего
проекта, определяют его общие задачи. Перед выездом на практи-
ку дипломник обязан ознакомиться с разработанными кафедрой
методическими указаниями по сбору материалов к проекту. Зада-
ние на проект и практику студенту выдает руководитель диплом-
ного проектирования. Как правило, он оказывает дипломнику ме-
тодическую и организационную помощь.
По завершении практики и после изучения исходных мате-
риалов руководитель дипломного проекта при необходимости
уточняет ранее составленное задание и официально передает его
студенту.
При составлении задания на проектирование и графика выпол-
нения проекта необходимо четко увязать трудоемкость разделов и
проекта в целом с резервом времени студентов. Ориентиром мо-
жет служить оптимальная модель проекта, разработанная на ос-
нове многолетнего опыта кафедры. В частности, рекомендуется
использовать приведенную ниже модель дипломного проекта
с примерным распределением бюджета времени. Кроме этого, ру-
ководитель помогает студенту в разработке календарного или се-
тевого графика работы, он же рекомендует студенту необходимую
техническую и нормативную литературу, консультирует студента
по мере выполнения разделов проекта, проверяет ход и качество
выполнения запланированной работы.
Руководитель проектирования рекомендует дипломнику при
выполнении отдельных разделов воспользоваться помощью кон-
сультантов, выдает ему титульный лист проекта и объясняет по-
рядок его заполнения.
Студент должен знать, что за правильность выполненных рас-
четов несет ответственность автор проекта.
Учитывая особую ответственность данного этапа подготовки
специалиста, многоплановость проекта, его большую трудоем-
кость, каждый дипломник с помощью руководителя должен со-
ставить график его выполнения. Ход проектирования системати-
чески контролируют руководитель дипломного проекта, кафедра
и деканат.
В определенные графиком сроки студент сдает проект руково-
дителю, который визирует его и составляет на него отзыв. В отзы-
ве дается характеристика проделанной работы, указывается ак-
туальность темы, оцениваются качество и глубина проработки
различных разделов, определяется практическая значимость
проекта, дается оценка отношения дипломника к работе, отме-
чается соответствие проекта предъявляемым требованиям и за-
данию.
Законченный проект представляют заведующему кафедрой,
который проверяет соответствие проекта теме, заданию и в ре-
зультате собеседования с автором проекта принимает решение о
допуске студента к защите, делая об этом соответствующую за-
пись па титульном листе и чертежах. Допущенный к защите про-
ект декан факультета направляет на рецензирование.
Проекты рецензируют, как правило, специалисты проект-
ных, производственных и научно-исследовательских организа-
ций. В рецензии отражают актуальность темы и мнение о соот-
ветствии содержания проекта заданию, дают оценку принятым
техническим решениям и их соответствию современному уров-
ню развития научно-технического прогресса в отрасли, грамот-
ности и оригинальности решения, отмечают недостатки и ошиб-
ки. В заключение рецензии дают общую оценку проекта. Декан
или по его поручению секретарь деканата знакомит студента и
руководителя проекта, а в некоторых случаях и заведующего ка-
федрой с содержанием рецензии и определяет дату защиты [20].
Дипломный проект защищают на открытом заседании госу-
дарственной экзаменационной комиссии (ГЭК) с участием не ме-
нее половины ее состава. Защита начинается с информации об
авторе и теме проекта, которую дает председатель ГЭК. Затем
секретарь ГЭК зачитывает характеристику дипломника, после
чего дипломник в течение 15...20 мин делает доклад, в котором
четко и лаконично излагает цель, задачи проекта, раскрывает
существо, новизну и эффективность принятых решений. При из-
ложении основных положений проекта необходимо использовать
чертежи. После доклада дипломник отвечает на вопросы членов
ГЭК и всех присутствующих на защите. Далее секретарь ГЭК за-
читывает отзыв руководителя и рецензию, а дипломник отвечает
на замечания рецензента.
35 М. В Нестеров
При оценке проекта члены ГЭК учитывают народнохозяйст-
венную ценность проекта, качество и научно-технический уро-
вень его выполнения, содержание доклада, глубину ответов на
вопросы, отзывы руководителя и рецензента. Решение об оценке
проекта и присвоении студенту квалификации инженера-гидро-
техника и выдаче ему диплома принимает ГЭК большинством го-
лосов.
6.2.3. Тематика и содержание проектов
Курсовые проекты. Для закрепления знаний студентов по наи-
более важным разделам дисциплины рекомендуются следующие
основные темы курсовых проектов:
• проект комплекса гидротехнических сооружений на канале
системы;
• проект водохранилищного узла гидротехнических соору-
жений;
• проект речного водозаборного узла гидротехнических со-
оружений.
Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки
объемом 30...35 страниц рукописного текста (формат А4) и одно-
го-двух чертежей (формат А1).
Индивидуальные исходные данные к проекту в виде задания
на проектирование выдает кафедра.
Содержание записки зависит от темы проекта и задания на
проектирование. В качестве примера ниже приведено содержа-
ние курсового проекта по теме «Водохранилищный узел гидро-
технических сооружений» с указанием рекомендуемых объемов
разделов (в страницах):
1) технические показатели проекта (паспорт проекта) — 1;
2) введение — 1;
3) выбор створа гидроузла — 1;
4) конструирование и расчеты грунтовой плотины — 8... 10;
5) конструирование и расчеты водосбросного сооружения —
10...12;
6) конструирование и расчеты водовыпуска и водоспуска —
3...5;
7) заключение — 1;
8) литература — 1.
В паспорте проекта приводят основные данные по водохра-
нилищу, плотине, водосбросу, водоспуску и водовыпуску.
Во введении дают обоснование проекта, связь его тематики
с народнохозяйственными задачами, формируют основные зада-
чи проектирования.
При выборе створа плотины анализируют топографические
и геологические данные.
В разделе, посвященном конструированию грунтовой плоти-
ны, приводят обоснование и расчеты по определению размеров ее
поперечного сечения, фильтрационные и статические расчеты,
обоснование и расчеты крепления, дренажных устройств.
При проектировании водосбросного сооружения дают обосно-
вание его конструкции, осуществляют выбор его местоположе-
ния, выполняют необходимые гидравлические и гидротехниче-
ские (фильтрационные) расчеты по определению размеров его
основных элементов. В некоторых случаях приводят необходи-
мые статические расчеты.
В разделе, посвященном проектированию водовыпуска или
водоспуска, приводят обоснование конструкций, расчеты по оп-
ределению их размеров (т.е. только гидравлические расчеты), ре-
комендации по конструированию основных элементов.
В заключении подводят итоги проектирования.
На чертежах показывают:
• план;
• продольный и поперечные разрезы плотины;
• элементы сопряжения ее с основанием и берегами;
• крепления откосов;
• конструктивное решение гребня и берм;
• дренажные устройства;
• противофильтрационные элементы;
• обратные фильтры;
• план и разрезы по водосбросу;
• конструктивные решения его элементов;
• план и разрезы по водовыпуску и водоспуску.
Исходными данными для проектирования комплекса гидро-
технических сооружений на магистральных каналах или мелио-
ративном массиве служат топографический план с трассами ка-
35*
налов, дорог, балок, сведения о расходах каналов и геологии
участка. В результате расчетов каналов, увязки их уровней при-
нимают решения по устройству водопроводящих, сопрягающих
и регулирующих сооружений. По каждому из типов сооружений
проводят необходимые расчеты и проектные проработки.
В курсовом проекте речного водозаборного узла гидротехни-
ческих сооружений для конкретных природных условий задан-
ного створа реки разрабатывают конструкции отдельных гидро-
технических сооружений, устанавливают их основные размеры
и определяют компоновочное решение гидроузла в целом. При
выборе решения исходят из требований обеспечения забора рас-
четных расходов и защиты каналов системы от насосов, шуги,
льда и плавающего мусора.
При курсовом проектировании рекомендуется использовать
типовые проекты.
Дипломные проекты. Для дипломного проектирования могут
быть заданы следующие примерные темы:
• проект водохранилищного узла гидротехнических соору-
жений мелиоративного назначения на балке (реке);
• реконструкция пруда (водохранилища) комплексного на-
значения (в колхозе, фермерском хозяйстве);
• пруд (водохранилище) комплексного назначения (в колхо-
зе, фермерском хозяйстве);
• рыбохозяйственная система (в колхозе, фермерском хо-
зяйстве);
• проект узла или отдельного крупного гидротехнического
сооружения на водотоке;
• проект водозаборного узла гидротехнических сооружений;
• проект гидротехнических сооружений мелиоративного мас-
сива;
• проект комплекса или отдельных сооружений речного гид-
роузла многоцелевого назначения;
• проекты узлов гидротехнических сооружений при пересе-
чении магистральных каналов с водотоками и другими прегра-
дами.
В качестве тем дипломных проектов можно рекомендовать
различные варианты устройства одного проектируемого соору-
жения или узла. Защиту таких проектов целесообразно прово-
дить одновременно, что позволяет дипломникам и ГЭК опреде-
лить наиболее прогрессивное решение.
Актуальны темы проектов, посвященные реконструкции гид-
ротехнических сооружений и гидроузлов.
В каждом конкретном случае тема дипломного проекта форми-
руется руководителем с учетом материалов преддипломной прак-
тики, производственных рабочих проектов, материалов изыска-
ний, заявки производства на проектирование и исходных данных
кафедры.
Дипломный проект может выполняться как на первичных
материалах изысканий, так и с частичным использованием го-
товых решений, имеющихся в производственных рабочих про-
ектах. В первом случае дипломник должен обосновывать и ре-
шать все поставленные заданием вопросы и поэтому включать
в тему дипломного проекта детальную разработку необязатель-
но. Во втором случае целесообразно включить в тему дипломно-
го проекта детальную разработку какого-либо вопроса (решение
оригинальных задач, авторские свидетельства на изобретения,
расчет параметров сооружений и систем и т.д.), предполагаю-
щего самостоятельное решение его дипломником.
Для детальной разработки может быть предложен один из сле-
дующих вопросов:
• проектирование и расчет грунтовой плотины;
• расчет и проектирование рыбозащитного устройства;
• расчет и проектирование противофильтрационных завес
в основании водоподпорных сооружений;
• расчет и проектирование нижнего бьефа водопропускного
сооружения;
• проектирование рыбоуловителя;
• расчет и проектирование покрытия верхового откоса грун-
товой плотины;
• расчет и проектирование водозаборного сооружения;
• расчет и проектирование водосбросного сооружения и др.
Желательно, чтобы тема дипломного проекта определялась
студенту после прохождения им производственной практики на
4-м курсе на основе первичных материалов изысканий, суще-
ствующих в строительных и эксплуатационных организациях
технологий и др. Для углубленного изучения этих материалов
допускается выполнение по ним курсовых проектов по соответст-
вующим направлениям.
Содержание дипломного проекта в значительной степени оп-
ределяется его темой.
В соответствии со временем, предусмотренным действующим
учебным планом, оптимальный по объему проект может состоять
из записки, содержащей 100...120 страниц текста, и 6...9 черте-
жей, в зависимости от темы проекта.
В состав записки входят:
1) титульный лист;
2) лист задания;
3) оглавление;
4) перечень графической части проекта;
5) паспорт проектируемого сооружения или объекта;
6)введение;
7) основной и сопутствующие разделы проекта;
8) заключение;
9) список использованной литературы;
10) приложения.
На титульном листе указывают тему проекта, наименова-
ние кафедры, по которой ведется проектирование, проставляют
подписи и фамилии дипломника, консультантов, руководителя и
заведующего кафедрой.
В бланке задания, заполняемом руководителем, указывают
тему проекта, основные исходные данные, основные разделы за-
писки и наименование чертежей. В задании необходимо указать
номер и дату выхода приказа об утверждении темы, дату его вы-
дачи и срок завершения проекта. Задание в обязательном поряд-
ке визируют руководитель и студент.
Задание на проектирование выдается руководителем в недель-
ный срок после преддипломной практики на основании состав-
ленного плана-проспекта дипломного проекта. В задании и пла-
не-проспекте должны быть четко указаны те вопросы, чертежи и
часть дипломного проекта, которые будут разрабатываться уг-
лубленно с принятием дипломником самостоятельных решений.
В нем также отражаются вопросы, которые освещаются на осно-
вании рабочих проектов, и второстепенные, но обязательные для
данной темы вопросы дипломного проекта. Часть дипломного
проекта, разрабатываемая дипломником углубленно (детальный
вопрос, на основании первичных материалов изысканий и т.д.),
должна составлять примерно 15...20 % всего объема проекта.
Для оказания помощи при работе над дипломным проектом ди-
пломнику могут быть назначены консультанты со смежных ка-
федр, а в отдельных случаях — с производства. Время на работу
консультанта руководитель выделяет за счет часов, отводимых
на дипломный проект.
По разделам задания дипломник составляет календарный
план, который уточняет с руководителем. В календарном плане
также перечисляются все главы и основные элементы будущего
проекта и чертежи с указанием сроков их выполнения. Элемен-
ты, выполняемые под контролем руководителя, подписываются
им; консультанты подписывают те элементы, по которым они бу-
дут оказывать помощь дипломнику.
В задании необходимо указать применение ЭВМ, использова-
ние результатов УИРС, работу по заданию производства, а также
другие нестандартные источники информации (изобретения, рац-
предложения и т.п.). Тема, состав руководителей и консультантов
должны быть рассмотрены и рекомендованы. Задание на диплом-
ное проектирование и план-проспект проекта утверждает заве-
дующий кафедрой.
Объем пояснительной записки и количество чертежей, выно-
симых на защиту, каждый руководитель устанавливает сам в за-
висимости от сложности и глубины проработки вопросов, в том
числе решения проектных организаций, при использовании пер-
вичных материалов изысканий и самостоятельном проектирова-
нии сооружений количество чертежей может быть сокращено
до 5...6.
Предлагается следующая примерная структура пояснитель-
ной записки.
Оглавление дипломного проекта составляют в соответствии
с требованиями ГОСТ.
Графическая часть состоит из чертежей, выполненных на
ватмане, синьках, миллиметровке или на другом материале, и
иллюстрационного материала. Главной задачей чертежей явля-
ется демонстрация дипломником своих способностей в проек-
тировании сооружений, использовании типовых конструкций и
устройств с привязкой их к конкретным условиям. Другая, не
менее важная задача заключается во внесении дипломником
усовершенствований в типовые сооружения, используя дости-
жения науки и техники. Допускается собственная разработка
конструкций, устройств, сооружений и систем, которые также
выносятся на защиту дипломного проекта. На защите в ГЭК ди-
пломник должен четко разграничить те чертежи, которые явля-
ются типовыми (стандартными), и те, в которые он внес новше-
ства и разработал самостоятельно. Поэтому готовые проектные
решения (из производственного рабочего проекта) на защите ди-
пломного проекта можно представлять на синьках, а чертежи
с элементами новинок — на ватмане. В таком случае может
быть вывешено до 10 и более чертежей, включая 5...6 с предло-
женными дипломником усовершенствованиями.
В иллюстративный материал входят информационные сведе-
ния, дополнительно раскрывающие сущность дипломного проек-
та (графики, схемы, слайды, фотографии, плакаты и др.).
В паспорте проекта указывают основные технико-экономи-
ческие показатели, приводят данные по основным сооружениям,
объемам работ, сведения о стоимости и сроках строительства.
Во введении (2...4 с.) необходимо указать роль мелиорации
(или другой отрасли водного хозяйства) в народном хозяйстве,
мелиоративный (земельный, водный и т.д.) фонд, его состояние и
перспективы его использования (в республике, области, районе,
хозяйстве и др.). Здесь же необходимо показать роль проектируе-
мого объекта в решении общих хозяйственных задач. Необходи-
мо четко сформулировать общие задачи, которые решаются в ди-
пломном проекте.
Допускается проведение литературного обзора по разрабаты-
ваемым вопросам и их обобщение в соответствии с инструкцией
по подготовке, оформлению и представлению к защите диплом-
ных проектов (работ) в высших учебных заведениях.
В составе проекта выделяют основной (специальный) раздел,
формирующий направленность дипломного проекта, и сопутст-
вующие разделы, органически дополняющие и углубляющие
основной раздел. На разработку основного раздела планируется
60... 70 % объема проекта. Этот раздел включает 75...95 стра-
ниц текста и 6...7 чертежей, а также обосновывающую и специ-
альную части.
В состав обосновывающей части в виде отдельных глав вклю-
чают природохозяйственные условия реконструируемого объекта
или естественно-исторические условия района строительства но-
вого объекта, гидромелиоративное или народнохозяйственное
обоснование проекта. Объем каждой из глав ограничивается
6...7 % объема записки одним, а иногда двумя чертежами.
В первой главе при изложении сведений о реконструируемом
объекте дают описание его назначения, характеристику входящих
в него сооружений, приводят сведения по обследованию объекта,
обосновывают потребность в реконструкции и с учетом этого из-
лагают необходимые данные инженерных изысканий и сведения
о климатических условиях строительства. При разработке проек-
та нового объекта или сооружения приводят сведения о естествен-
но-исторических условиях района строительства (его географиче-
ском положении, климате, рельефе, гидрографии и гидрологии,
геологии и гидрогеологии), хозяйственную характеристику, дан-
ные о наличии местных строительных материалов и другие сведе-
ния, необходимые для принятия решений по проекту.
Во второй главе записки приводят:
• обосновывающие расчеты водопотребления;
• расчеты по обоснованию целесообразности устройства со-
оружений специального назначения (рыбозащитных, рекреаци-
онных, природоохранных и др.);
• водохозяйственные расчеты по определению объема стока,
гидрологических показателей источника, потерь из водохрани-
лищ;
• расчеты по обоснованию параметров и характеристик водо-
хранилищ и др.
В специальной части проекта осуществляют глубокую прора-
ботку вопросов проектирования гидротехнических сооружений,
при решении которых студент должен использовать последние
достижения науки, практики и собственные научные исследова-
ния по теме проекта. Как правило, в этом разделе отражают на-
правление научных исследований кафедры.
На разработку специальной части планируется до 50 % бюд-
жета времени студента, а следовательно, и объема всего проекта,
что составляет 40...50 с. текста и 4...5 листов графических мате-
риалов. При решении конкретных задач первоначально необхо-
димо дать краткий обзор состояния научных разработок. Здесь
же могут найти отражение принципиально новые предложения
автора. Принимаемые автором проекта решения должны быть
обоснованы путем технико-экономического сравнения различ-
ных вариантов.
В сопутствующие разделы включают инженерные расчеты,
вопросы организации и технологии производства работ, вопросы
охраны труда, экономические расчеты, предложения по граж-
данской обороне объекта и охране природы.
Инженерные расчеты одной из наиболее ответственных конст-
рукций сооружений оформляют в виде записки объемом до 10 с.
текста и одного чертежа. В ней дают обоснование выбора конст-
рукции, выполняют расчеты по определению внешних сил, внут-
ренних напряжений, устанавливают размеры элементов конст-
рукции.
Организация и технология производства работ по одному из
объектов проекта или его части включает краткое описание усло-
вий строительства, схему доставки материала, обоснование выбо-
ра способа производства работ, подбор необходимых для осуществ-
ления работ машин и механизмов, разработку технологической
схемы, определение стоимости строительства. Этот раздел обычно
занимает 7...10 с.
Вопросы охраны труда излагают в пояснительной записке на
3...5 с. Здесь вносят предложения по охране труда на проекти-
руемом объекте или по технике безопасности во время его строи-
тельства. Этот раздел выполняется под руководством соответст-
вующей кафедры.
В разделе охраны природы (до 2 % записки) формулируют на-
правления проектных проработок по одному или нескольким наи-
более важным природоохранным мероприятиям.
Экономическая часть проекта объемом до 7 % записки может
быть оформлена в виде самостоятельной главы или отдельного па-
раграфа специальной части. В последнем случае речь идет о тех-
нико-экономическом обосновании одного из элементов объекта
или всего проекта при рассмотрении нескольких вариантов его ре-
шения. В специальной главе приводят сведения по экономической
эффективности проекта, которые желательно оформлять в виде
таблицы.
В проект в виде отдельной главы объемом до 5 с. текста вклю-
чают рекомендации по эксплуатации гидротехнического соору-
жения или нескольких сооружений.
В заключительной части записки формулируют выводы и пред-
ложения (заключение по проекту). В ней на 3...4 с. подводят итог
всей проделанной по проекту работы. Заключение должно быть со-
ставлено таким образом, чтобы суть проекта была полностью рас-
крыта. Здесь же формулируют рекомендации по производству.
Кроме указанных разделов, расчетно-графических и описа-
тельных частей в проекте приводят список использованной лите-
ратуры и необходимые приложения.
При оформлении пояснительной записки и чертежей следует
руководствоваться действующими ГОСТ, ОСТ и ЕСКД. За это не-
сет ответственность прежде всего дипломник как автор проекта,
а потом его руководитель, контролирующий и направляющий
работу над дипломным проектом.
Ниже приводится примерная структура и содержание диплом-
ного проекта пруда комплексного назначения.
Введение.
1. Характеристика природных и хозяйственных условий объ-
екта строительства.
1.1. Местоположение объекта.
1.2. Природные условия объекта.
1.3. Инженерно-геологические и гидрогеологические ус-
ловия.
1.4. Строительные материалы.
1.5. Проектируемые технические мероприятия.
2. Гидрологические и водохозяйственные расчеты.
2.1. Определение объема стока.
2.2. Расчет водопотребления.
2.3. Водохранилищные характеристики.
2.4. Определение потерь из пруда.
2.5. Обоснование ФПУ, НПУ, УМО.
2.6. Определение максимальных расходов.
2.7. Определение расчетных сбросных расходов.
3. Грунтовая плотина.
3.1. Обоснование створа и выбор типа плотины.
3.2. Расчет отметки гребня плотины.
3.3. Сопряжение плотины с основанием.
3.4. Очертание, расчет границ и крепления откосов плоти-
ны.
3.5. Дренаж плотины.
3.6. Фильтрационный расчет.
3.7. Статический расчет.
4. Водопропускные сооружения.
4.1. Выбор типа и обоснование трассы водосброса.
4.2. Гидравличе кий расчет.
4.3. Статическ .й расчет водосбросного сооружения.
4.4. Гидравлический расчет водоспуска (водозабора).
5. Детальная разработка.
6. Организация строительства.
7. Соображения по технической эксплуатации объекта.
8. Мероприятия по охране природы и труда.
9. Сметно-финансовый расчет и технико-экономические по-
казатели.
Заключение.
Литература.
Общее количество чертежей составляет: при выполнении ди-
пломного проекта на первичных материалах 5...6 листов (фор-
мат А1), при использовании рабочих проектов — 7...8 листов
(формат А1). В это количество входят (в листах):
• генплан пруда (гидроузла) — 1;
• продольный профиль по створу сооружения — 1;
• грунтовая плотина — 1;
• водопропускные сооружения — 2...3;
• детальная разработка — 1...2.
6.2.4. Технология проектирования
Проектирование начинается с выбора темы, определения наи-
более общих задач проекта и сбора материалов.
Качество курсовых и особенно дипломных проектов в значи-
тельной степени зависит от объема и качества исходных материа-
лов, положенных в их основу.
Исходные материалы для курсового проектирования, как пра-
вило, приводят в задании. Исходные материалы для дипломного
проекта студент собирает в период производственной или предди-
пломной практики, в процессе проведения научных исследований
или их предоставляет производственная организация одновремен-
но с заказом на проектирование. Сбор материалов следует вести
направленно, а их объем должен быть достаточным для обоснова-
ния и проектирования всех сооружений и составления всех пред-
полагаемых разделов проекта.
В каждом конкретном случае необходима различная по виду
и объему исходная информация. В частности для составления
проектов водохранилищных узлов исходными данными могут
служить:
• физико-географическая характеристика района, включаю-
щая сведения о его географическом и административном положе-
нии, климате (температурный режим, осадки, ветер, испаряе-
мость), гидрографической сети (данные о водотоках, их бассейнах,
питании, уклонах);
• инженерно-геологические и гидрогеологические данные,
включая сведения о геолого-литологическом строении, физи-
ко-механических характеристиках грунтов, глубине залегания
грунтовых вод, их режиме, агрессивности по отношению к строи-
тельным материалам;
• гидрологическая характеристика водотока, включая много-
летние данные о стоке, расходах, наносном и ледовом режимах;
• сведения о состоянии и направлениях развития народного
хозяйства, наличии предприятий стройиндустрии, рабочей силы,
путей сообщения, энергообеспеченности, степени использования
водных ресурсов.
В тех случаях, когда проект включает элементы орошения,
необходимо иметь сведения об орошаемом участке, составе куль-
тур, нормах, сроках и способах полива.
При проектировании сооружений специального назначения
собирают необходимую дополнительную информацию. Так, при
проектировании рыбохозяйственных сооружений необходимы
данные о количестве и видах рыб, подлежащих пропуску или за-
щите, интенсивности нерестового хода, сведения о размерах,
особенностях рыб, их поведении в различных условиях.
На основе глубокого анализа исходной информации, изучения
литературы и в процессе бесед с руководителем формируются ос-
новные направления проектных проработок. На начальной ста-
дии проектирования необходимо установить класс проектируе-
мого объекта. В последующем дают оценку исходных данных,
в случае необходимости их дополняют на основе литературных
источников или применяя аналоговые методы.
При проектировании решают две основные задачи: конструи-
рование и расчет гидротехнических сооружений.
Опыт показывает, что наиболее трудный этап проектирова-
ния — это конструирование сооружения от выбора его типа, со-
ставления схемы (эскиза) до разработки отдельных деталей.
Для его осуществления рекомендуется использовать выполнен-
ные ранее проработки аналогов, составленные проектными ор-
ганизациями; изучить имеющиеся данные в типовых проектах,
литературе, патентных материалах, учебниках, учебных посо-
биях и др. В процессе изучения предшествующих проработок
дипломник оценивает условия работы конструкций, их преиму-
щества и недостатки. С учетом анализа рекомендуется принять
наиболее подходящее в данном случае конструктивное реше-
ние, а затем скорректировать его и устранить выявленные не-
достатки. В большинстве случаев именно так и осуществляют
реальное проектирование. Отдельные решения могут и не иметь
аналогов, а определяться только идеями автора проекта [20].
При проектировании гидротехнических сооружений на этом
этапе рекомендуется рассматривать несколько конструктивных
вариантов. Часто недостаток времени не позволяет проработать
несколько вариантов и определить наиболее приемлемое решение.
Усложняет поиск оптимального решения большая трудоемкость
составления проектов гидротехнических сооружений. Эффектив-
ным средством ускорения разработки проектов гидротехнических
сооружений мелиоративных систем является применение типо-
вого проектирования, широкое внедрение в проектную практику
расчетов на ЭВМ и систем автоматизированного проектирования
(САПР).
При проектировании сетевых сооружений рекомендуется ис-
пользовать типовые решения. Отказ от них должен быть соответ-
ствующим образом обоснован.
Выбирая конструктивное или компоновочное решение, следу-
ет рассматривать вопросы технологии возведения сооружения,
пропуска строительных расходов.
По выбранному конструктивному решению сооружения вы-
полняют необходимые гидравлические и статические расчеты,
в результате которых определяются его размеры. Если в проек-
те разрабатывают несколько сооружений, то после определения
размеров каждого из них уточняют компоновку всего проекти-
руемого объекта.
После окончания работы над дипломным проектом руководи-
тель пишет письменный отзыв о работе дипломника. Кроме того,
в отзыве отражается перечень альтернативных решений, отли-
чающий дипломный проект от производственного (если он явля-
ется основой проекта). Руководитель выделяет возможность вне-
дрения проекта в производство, элементы научной работы и дает
заключение о возможности присвоения дипломнику соответст-
вующей квалификации. Оценка проекта в отзыве не предостав-
ляется.
Рецензия характеризует и оценивает дипломный проект. В ней
указывается актуальность темы, соответствие содержания зада-
нию, использованная литература, методы расчета, глубина прора-
ботки, качество оформления проекта, соответствие ГОСТ и т.д.
Если решения в проекте имеют производственное или техниче-
ское значение, экономический, социальный, экологический или
другие эффекты, рецензент должен их выделить и рекомендовать
для внедрения или оформления в виде рацпредложения либо изо-
бретения. Рецензент дает заключение о соответствии дипломного
проекта предъявляемым требованиям, возможности использова-
ния на производстве, а также присвоения квалификации диплом-
нику. В рецензии должны быть также указаны недостатки, устра-
нение которых в дальнейшем способствовало бы повышению ка-
чества дипломного проектирования. Рецензент ставит оценку за
дипломный проект.
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Ориентировочные пределы изменений коэффициента фильтрации не-
скальных грунтов
2. Коэффициенты шероховатости каналов и естественных водотоков
3. Коэффициенты заложения т откосов каналов и дамб (рекомендуе-
мые СНиП 2.06.03-85)
4. Значения коэффициента С по формуле Н.Н. Павловского (С^Х/Л^Я')
5. Допускаемые неразмывающие средние скорости
6. Значения функции чЧи) при различных величинах гидравлического
показателя х
7. Основные гидравлические формулы
8. Определение критической глубины hn в круглых трубах
9. Коэффициенты живого сечения К_ и гидравлического радиуса К,
частично наполненных круглых труб (при 4=1)
10. Основные понятия о грунтах
11. Ориентировочный период времени самоуплотнения насыпных грунтов
12. Средние значения физико-механических характеристик нескальных
грунтов
13. Значения предельной плотности грунтов и их оптимальная влажность
14. Расчетные скорости ветра на территории Республики Беларусь
15. К фильтрационному расчету грунтовых плотин
1. Ориентировочные пределы изменений
коэффициента фильтрации нескальных грунтов
_________Грунт
Глава
Суглинок
Супесь
Иловатые грунты
Торфы
Песок:
мелкий
средний
крупный
Гравий и галька
Коэффициент фильтрации Кф, см/с
С110'7
110'7_.110*
110 ’...1103
моЛл-ю-2
11оЛ..1-юа
1 Ю4...11о’
110"’_110 2
1102„.1 ю* 1
11О*'_.11О
2. Коэффициенты шероховатости каналов
и естественных водотоков
Таблица 1
Значения коэффициента шероховатости оросительных каналов
в земляном русле (СНИП 2.06.03-85)
Расход поды в канале, м8/с Коэффициент шероховатости л
в связных и песчаных грунтах
в гра вел исто- галечниковых
грунтах
Более 25 0,0200 0.0225
1-25 0,0225 0,0250
Менее 1 0,0250 -
Каналы постоянной сети пе- 0,0275 —
риодического действия
Оросители 0,030 —
Примечания: 1. Для каналов водосборно-сбросной сети значение коэффици-
ента шероховатости повышается на 10 % по сравнению со значением того же ко-
эффициента для оросительных каналов и округляется до ближайшего принятого
в таблице значения. 2. Для каналов, выполняемых взрывным способом, значение
коэффициента шероховатости повышается на 10—20 % в зависимости от разме-
ров принимаемой доработки сечений канала.
Таблица 2
Значения коэффициента шероховатости каналов в скале
(СНИП 2.06.03-85)
Характеристика поверхности ложа канала Коэффициент шероховатости л
Хорошо обработанная поверхность 0,02-0,025
Посредственно обработанная поверхность без выступов 0,03-0,035
То же с выступами 0,04-0,045
Таблица 3
Значения коэффициента шероховатости каналов с облицовкой
(СНИП 2.06.03-85)
Облицовка
Бетонная хорошо отделанная
Бетонная грубая
Сборные железобетонные лотки
Покрытия из асфальтобитумных материалов
Одернованное русло
Коэффициент шероховатости л
0,012-0,014
0,015-0,017
0,012-0,015
0,013-0,016
0,03-0,035
36 М. В. Нестеров
Таблица 4
Значения коэффициента шероховатости естественных водотоков
(СНИП 2.06.03-85)
Характеристика русла Коэффициент шероховатости л
Естественное русло в благоприятных условиях (чистое, пря- мое, незасоренное, земляное, со свободным течением) 0,025-0,033
То же с камнями 0,03-0.04
Русла периодических потоков (больших и малых) при хоро- шем состоянии поверхности и формы ложа 0,033
Земляные русла сухих логов в относительно благоприятных условиях 0,04
Русла периодических водотоков, несущих во время паводка за- метное количество наносов с крупногалечниковым или покры- тым растительностью ложем, сильно засоренных и извилистых 0,05
Чистое извилистое ложе с небольшим числом промоин и от- мелей 0,033-0,045
То же, но слегка заросшее и с камнями 0,035-0,05
Заросшие участки рек с очень медленным течением и глубо- кими промоинами 0,05-0,08
Заросшие участки рек болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.) 0,075-0,15
Поймы больших и средних рек, сравнительно разработанные, покрытые растительностью (трава, кустарники) 0,05
Значительно заросшие поймы со слабым течением и большими глубокими промоинами 0,08
То же с неправильным косоструйным течением и большими заводями и др. 0,1
Поймы лесистые со значительными мертвыми пространства- ми, местными углублениями, озерами и др. 0,133
Глухие поймы, сплошные заросли (лесные, таежного типа) 0,2
Таблица 5
Значения коэффициентов гидравлической шероховатости л к
формулам Н.Н. Павловского
Характер поверхности русла Состояние поверхности
очень хорошее хорошее обычное плохое
Лотки и трубы
Деревянные лотки 0,010 0,011 0,012 0,014
Цементная штукатурка 0,011 0,012 0,013 —
Продолжение табл.5
Характер поверхности русла очень хорошее хорошее оверхности обычное плохое
Шпальные лотки - 0,013 0.016 0,018
Гладкая бетонная поверхность, тесо- вая кладка 0,012 0,014 0.015 0,016
Шероховатая бетонная поверхность - 0,014 0,016 0,018
Бетонировка цемент-пушкой 0,016 0,019 0,021 —
Бутовая кладка, грубая бетонировка 0,017 0,020 0,025 0,030
Грубая бутовая кладка 0,020 0,025 0,027 0,030
Сухая кладка Канавы и иск. 0,025 /сственны 0,030 е русла 0,035 0,038
Земляные канавы правильной фор- мы в плотном лёссе или мелком гра- вии с илистым слоем яг 0,017 0,018 яв
То же в лёссе или гравии с илистой пленкой 0,017 0,020 0,020 0,025
То же с замощенным контуром, мо- щение обычным булыжным камнем одиночное или двойное — 0,020 0,022 0,027
То же с мощением из крупного камня 0,017 0,022 0,023 0,030
То же с искусственной габионной кладкой — 0,025 0,027 0,029
Канавы в галечнике 0,026 0,027 0,030 0,033
Земляные канавы неправильной формы (с обвалами) заросшие, ка- менная наброска или мощение из рваного камня 0,027 0,030 0,035
Канавы с земляным дном и одерно- ванными или сложенными сухой кладкой откосами 0,028 0,030 0,033 0,035
Канавы с одернованными откосами и мощеным дном или грубо высечен- ным в скале (неправильной формы) 0,025 0,030 0,035 0,040
Мощениес «изюмомг - — 0,04 0,045
Чешуйчатые покрытия Естест зенныс рус ла 0,06
Естественные русла в весьма благо- приятных условиях (чистое, пря- мое, незасоренное, земляное со сво- бодным течением русло) 0,025
36-
Характер поверхности русла Состояние поверхности
очень хорошее хорошее обычное плохое
Русла постоянных водотоков равнин- ного типа (преимущественно боль- ших и средних рек) при благоприят- ном состоянии их ложа и течения воды. Русла периодических потоков (больших и малых) при очень хоро- шем состоянии поверхности и формы ложа 0,033
Сравнительно чистые русла постоян- ных равнинных водотоков в обыч- ных условиях, извилистые с некото- рыми неправильностями в направлении струй или же прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Земляные русла периодиче- ских водотоков (сухих логов) в отно- сительно благоприятных условиях 0,040
Русла больших и средних рек, зна- чительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые с неспокойным течением. Русла пе- риодических (ливневых и весенних) водотоков, несущие во время павод- ка заметное количество наносов с крупногалечным или покрытым растительностью (травой и пр.) ло- жем. Поймы больших и средних рек, сравнительно разработанные, покрытые нормальным количест- вом растительности (травы, кустар- ника) 0,050
Русла периодических водотоков сильно засоренные и извилистые. Сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек (промоины, кустарники, деревья с наличием заводей). Галечно-валун- ные русла горного типа с неправиль- ной поверхностью водного зеркала. Порожистые участки равнинных рек 0,067
Характер поверхности русла Состояние поверхности
очень хорошее хорошее обычное плохое
Реки и поймы, весьма значительно заросшие (со слабым течением) с большими глубокими промоина- ми. Валунные, горного типа русла с бурливым пенистым течением, с изрытой поверхностью водного зеркала (с летящими вверх брызга- ми воды) 0,080
То же, во с сильно неправильным те- чением, заводями и пр. Горноводо- ладного типа русла с крупновалун- ным извилистым строением ложа. Перекаты ярко выражены, пени- стость настолько сильна, что вода, потеряв прозрачность, имеет белый цвет, шум потока доминирует над всеми остальными звуками, делает разговор затруднительным 0,100
То же, а также реки болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.). Поймы с очень большими мертвыми пространствами, местными углубле- ниями, озерами и пр. 0,133
Потоки типа селевых, состоящие из грязи, камней и пр. Глухие поймы (сплошь лесные, таежного типа) — — е* 0,200
Примечание. К характеристике состояния поверхности относятся как качест-
во обработки материала поверхности, так и ее состояние. Так, например, для де-
ревянного лотка очень хорошее состояние характеризуют строганые доски, обыч-
ное — нестроганые доски, плохое — нестроганые доски со щелями, выступами,
загрязненные при частично занесенном наносами лотке. Прочерки в таблице оз-
начают отсутствие данных или неуместность данной характеристики. Коэффици-
енты шероховатости для естественных русл приняты по классификации профес-
сора Срибного.
3. Коэффициенты заложения т откосов каналов
и дамб (рекомендуемые СНиП 2.06.03-85)
Таблица 1
Значения коэффициента заложения откосов каналов в зависимости от
грунта, слагающего русло
Грунт Коэффициент заложения тоткосов
подводных надводных
Скальный 0,00-0,50 0,00-0,25
Полускальный 0,50-1,00 0,50
Галечник и гравий с песком 1,25-1,50 1,00
Глина, суглинок тяжелый и средний, торф мощно- стью пласта до 0,7м, подстилаемый этими грунтами 1,00-1,50 0,50-1,00
Суглинок легкий, супесь или торф мощностью пласта до 0,7 м, подстилаемый этими грунтами 1,25-2,00 1,00...1,50
Песок мелкий или торф мощностью пласта до 0,7 м, подстилаемый этими грунтами 1,50-2,50 1.00...2.00
Песок пылеватый 3,00-3,50 2,50
Торф со степенью разложения до 50 % 1,25...1,75 1,25
Торф со степенью разложения более 50 % 1.50...2.00 1,50
Таблица 2
Значения коэффициента заложения наружных откосов дамб каналов,
устраиваемых в насыпи или полунасыпи
Грунт Коэффициент заложения т
Глина, суглинок тяжелый и средний 0,75-1,0
Суглинок легкий 1,0-1,25
Супесь 1,0—1,5
Песок 1,25-2,0
Примечания к табл. 1 и 2. Первое значение коэффициента заложения для ка-
налов с расходом воды менее 0,6 м’/с, второе — с расходом воды более 10 м’/с.
Заложение внутренних и наружных откосов каналов может быть увеличено
по сравнению с указанными в таблицах, если это необходимо по условиям приме-
нения прогрессивных методов производства строительных работ.
4. Значения коэффициента С по формуле
Н.Н. Павловского (С=(1/Л/)/?у)
Ли п
0,011 0,013 0,017 0,020 0,025 0,030 0.035 0,040
0,05 61,3 48,7 33,2 26,1 18,6 13,9 10,9 8,7
0,06 62,8 50,1 34,4 27,2 19,5 14,7 11,5 9,3
0,07 64,1 51,3 35,5 28,2 20,4 15,5 12,2 9,9
0,08 65,2 52,4 36,4 29,0 21,1 16,1 12,8 10,3
0,10 67,2 54,3 38,1 30,6 22,4 17,3 13.8 11,2
0,12 68,8 55,8 39,5 32,6 23,5 18,3 14,7 12,1
0,14 70,3 57,2 40,7 33,0 24,5 19,1 15,4 12,8
0,16 71.5 58,4 41,8 34,0 25,4 19,9 16,1 13,4
0,18 72,6 59,5 42,7 34,8 26.2 20,6 16,8 14,0
0,20 73,7 60,4 43,6 35,7 26,9 21,3 17,4 14,5
0,22 74,6 61,3 44,4 36.4 27,6 21,9 17,9 15,0
0,24 75,5 62,1 45,2 37,1 28,3 22,5 18,5 15,5
0,26 76,3 62,9 45,9 37,8 28,8 23,0 18,9 16,0
0,28 77,0 63,6 46,5 38,4 29,4 23,5 19,4 16,4
0,30 77,7 64,3 47,2 39,0 29,9 24,0 19,9 16,8
0,35 79,3 65,8 48,6 40,3 31,1 25,1 20,9 17,8
0,40 80,7 67,1 49,8 41,5 32,2 26,0 21,8 18,6
0,45 82,0 68,4 50,9 42,5 33,1 26,9 22,6 19,4
0,50 83,1 69,5 51,9 43,5 34,0 27,8 23,4 20,1
0,55 84,1 70,4 52,8 44,4 34,8 28,5 24,0 20,7
0,60 85,3 71,4 53,7 45,2 35,5 29,2 24,7 21,3
0,65 86,0 72,2 54,5 45,9 36,2 29,8 25,3 21,9
0,70 86,8 73,0 55,2 46,6 36,9 30,4 25,8 22,4
0,80 88,3 74,5 56,5 47,9 38,0 31,5 26,8 23,4
0,90 89,4 75.5 57,5 48,8 38,9 32,3 27,6 24,1
1,00 90,9 76,9 58,8 50,0 40,0 33,3 28,6 25,0
1,10 92,0 78,0 59,8 50,9 40,9 34,1 29,3 25,7
1,20 93,1 79,0 60,7 51,8 41,6 34,8 30,0 26,3
1,30 94,0 79,9 61,5 52,5 42,3 35,5 30,6 26,9
1,50 95,7 81,5 62,9 53,9 43,6 36,7 31,7 28,0
Окончание таблицы
Я. м Л
0,011 0,013 0,017 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040
1,70 97,3 82,9 64,3 55,1 44,7 37,7 32,7 28,9
2,00 99,3 84,8 65,9 56,6 46,0 38,9 33,8 30,0
2,60 102,1 87.3 68.1 58,7 47,9 40,6 35,4 31,5
3,00 104,4 89,4 69,8 60,3 49,3 41,9 36,6 32,5
3.50 106,4 91,1 71,3 61,5 50,3 42,8 37,4 33.3
4,00 108,1 92,6 72,5 62,5 51,2 43,6 38,1 33,9
6,00 111,0 95,1 74,2 64,1 52,4 44,6 38,9 34,6
5. Допускаемые неразмываюшие средние скорости
Таблица 1
Допускаемые неразмывающие средние скорости (м/с) для связных
грунтов при R = 1-3 м
Грунты ₽, м/с
Илистые грунты Супесь: 0,50-0,60
слабая 0,70-0,80
утл огненная Суглинок: 1,0
легкий 0,70—0,80
средний плотный Глина: 1,0 1,10-1.20
мягкая 0,7
нормальная 1,20-1,40
плотная Торф: 1,50-1,80
сфагновый малоразложившийся сфагново-пушицевый малоразложившийся сфагновый разложившийся осоково-гипновый малоразложившийся осоково-гипновый разложившийся древесный хвощовый 1,2 1,5 0,50-0,80 0,80-1,00 0,40-0,70 0,30-0,50 0,70-0,90
Примечание. Пересчет величины на другие гидравлические радиусы про-
водится по зависимости v~ = v(R/2)*'1 .
Таблица 2
Допускаемые неразмывающие средние скорости (м/с) потока
для однородных несвязных грунтов (по СНиП 2.06.03-85)
Средний размер частиц грунта, мм Глубина потока, м
0.5 1.0 3.0 5,0
0,25 0,37 0,39 0,41 0,45
0,37 0,38 0,41 0,46 0,48
Окончание таблЗ
Средний размер частиц грунта, им Глубина потока, и
0,5 1.0 3,0 5,0
0,50 0,41 0,44 0,50 0,52
0,75 0,47 0,51 0,57 0,59
1,00 0,51 0,55 0,62 0,65
2,00 0,64 0,70 0,79 0,83
2.50 0,69 0,75 0,86 0.90
3,00 0,73 0,80 0.91 0,96
5,00 0,87 0,96 1,10 1.17
10,00 1,10 1,23 1,42 1,51
15,00 1,26 1,42 1,65 1,75
20,00 1,37 1,55 1,85 1,96
25,00 1,48 1,65 1,98 2,12
30,00 1,56 1,76 2,10 2,26
40,00 1,68 1,99 2,32 2,50
75,00 2,01 2,35 2.89 3,14
100,00 2,15 2,54 3,14 3.46
150,00 2,35 2,84 3,62 3.96
200,00 2,47 3,09 3,92 4.31
300,00 2,90 3,32 4,40 4,94
Таблица 3
Допускаемые неразмывающие средние скорости для каналов
с искусственным креплением
Вид крепления Глубина потока, и
0,4 1.0 2,0 3,0
Бетонная облицовка с цементной или торкретной штукатуркой. Бе- тон класса (марки): Вь5(Мь75) 4,2 5,0 5,7 6.2
Вь7,Б(Мъ100) 5,0 6,0 6,9 7.5
Вь10(Мь150) 5,8 7,0 8,1 8,7
Вь 12,5 (М,, 150) 6,6 8,0 9,2 10.0
Вь15(Мь200) 7,5 9.0 10,0 11.0
Бетонные и железобетонные лот- ки. Бетон класса (марки):
Вид крепления Глубина потока.
0,4 1.0 2.0 3.0
Вь 7,5 (Мь 100) 10,0 12.0 13,0 15,0
Bbl0(Mbl50) 12,0 14,0 16,0 18,0
Вь 12,5 (Мь 150) Мощение на щебне из рваного камня (слой щебня не менее 10 см) размером, см: 13,0 16,0 19,0 20,0
15 2,5 3,0 3,5 4.0
20 3,0 3,5 4,0 4.5
25 3,5 4,0 4,5 5.0
Бутовая кладка из средних пород 5,5 6,6 7,7 8,3
Бутовая кладка из крепких пород 6,5 8,0 10,0 12,0
Грунты, стабилизированные биту- мом 2,25 2,7 3,0 3,3
Одервовка плашмя на малосвяз- ном основании 1.7 2,0 2,3 2,5
Одервовка плашмя на связном ос- новании 0,9—1,9 1,2-2,2 1.3-2,5 1,4—2,7
Одериовка в стенку 1,5_.2.2 1,8—2,7 2,0-3,0 2,2-3,3
6. Значения функции <р(т|) при различных величинах
гидравлического показателя х
Таблица 1
Значение функции <р(т]) при i > О
п X
2,0 3,0 3,5 4,0 5.0
0,97 2,092 1,644 1,521 1,431 1,308
0,98 2,297 1,783 1,640 1,537 1.394
0,99 2,646 2,018 1,844 1,714 1,538
1,00 - - - - —
1,01 2,652 1,418 1,138 0,936 0.689
1,02 2,307 1,193 0,940 0,766 0,546
1,03 2,107 1,061 0.827 0,668 0,468
1,04 1,966 0,961 0,747 0,600 0,415
1,05 1,857 0,896 0,687 0,547 0,375
1,06 1,768 0,838 0,640 0,500 0,343
1,08 1,629 0,749 0,565 0,441 0,292
1,10 1,522 0,686 0,506 0.392 0,253
1,12 1,436 0,626 0,461 0,354 0,223
1,14 1,363 0,581 0,424 0,322 0,200
1,16 1,301 0,542 0,391 0,295 0,181
1,18 1,247 0,510 0,364 0,272 0,165
1,20 1,199 0,480 0,341 0,252 0,151
1,22 1,156 0,454 0,320 0,235 0,138
1,24 1,117 0,431 0,301 0,219 0,126
1,26 1,081 0.410 0,284 0,205 0.116
1,28 1,049 0,391 0,268 0,193 0,107
1,30 1,018 0,313 0,254 0,181 0,099
1,34 0,964 0,341 0,229 0,161 0,086
1,38 0,917 0,316 0,209 0,145 0,074
1,40 0.896 0,304 0,199 0,137 0,070
1,45 0,847 0.278 0,179 0,122 0,060
1,50 0,805 0,255 0,167 0,108 0,052
1,60 0,733 0,218 0,134 0,087 0,039
п X
2.0 3,0 3,5 4.0 5,0
1,70 0,679 0,189 0,113 0,072 0,030
1,80 0,626 0,166 0,096 0,060 0,023
1,90 0,585 0,147 0,083 0,050 0,018
2,00 0,550 0,132 0,073 0,043 0,015
2,20 0,490 0,108 0,057 0,037 0,010
2.40 0,444 0,090 0,046 0,024 0,077
2,60 0,405 0,076 0,037 0,019 0,005
2.80 0,374 0,065 0,030 0,015 0,004
3,00 0,348 0,056 0,025 0,0125 0,003
4,00 0,255 0,031 0,012 0,0050 0,001
5,00 0,208 0,020 0,007 0,0025 0,000
6,00 0,168 0,014 0,004 0,0015 0,000
8,00 0,126 0,009 0,002 0,0010 0,000
10,00 0.100 0,005 0,001 0,0005 0,000
Таблица 2
Значения функции ф(П) при i < О
ч X
2,0 3,0 3,5 4,0
0,10 0,099 0,100 0,100 0,100
0,25 0,244 0,248 0,250 0,250
0,40 0,380 0,393 0,396 0,397
0,55 0,502 0,528 0,535 0,539
0,62 0,554 0,587 0,596 0,603
0,65 0,576 0,610 0,621 0,629
0,68 0,597 0,634 0,644 0,654
0,71 0,617 0,657 0,668 0,678
0,74 0,637 0,679 0,691 0.702
0,77 0,656 0,700 0,712 0,724
0,80 0.674 0,720 0,734 0,746
0,83 0.692 0,740 0,755 0,766
0,85 0,704 0,752 0,767 0,780
0,87 0,715 0,764 0,787 0,793
Окончание табл.2
ч X
2.0 3,0 3.5 4,0
0,89 0,727 0,776 0,792 0,805
0,91 0,738 0,787 0,811 0,817
0,93 0,749 0,799 0,815 0.829
0,95 0,759 0,809 0,826 0.840
0,97 0,770 0,820 0,837 0,851
0,99 0,780 0,830 0,847 0,861
1,01 0,790 0,840 0,855 0,872
1,03 0,800 0,850 0,866 0,881
1,06 0,815 0,864 0,881 0,895
1,08 0,824 0,873 0,890 0,904
1,10 0,833 0,881 0,899 0,912
1,12 0,842 0,891 0,907 0,920
1.14 0,851 0,899 0,915 0,927
1.17 0,864 0,911 0,927 0,938
1,20 0,876 0,921 0,937 0,949
1,23 0,888 0,932 0,948 0,958
1,26 0,900 0,942 0,957 0,967
1,29 0,911 0,957 0,966 0,975
1,32 0,922 0,961 0,974 0,984
1,35 0,933 0,970 0,982 0,991
1,39 0,947 0,981 0,993 0,998
1,43 0,960 0,992 1,003 1,006
1,48 0,977 1,005 1,012 1,015
1,60 1,012 1,030 1,034 1.034
1.80 1,064 1,065 1,061 1,056
2,00 1,107 1,090 1,080 1,070
7. Основные гидравлические формулы
Параметр Формула
Удельный расход Средняя скорость потока Гидравлический уклон Гидравлический (пьезометрический) уклон для равномерного движения Гидравлический радиус Коэффициент С по Н.Н. Павловскому <? = Q/& и — Q/to i = hjl >г = ^/(СгВ) я=о>/г С = 1йт, где у = 2js4n - ОДЗ - п -0,75-/К(Тп - ОД)
Скорость течения при равномерном движе- нии Расходная характеристика Гидравлический показатель русла и = с41й k„=q/41 2^(К^/К0) * IgC^pMo)
Коэффициент сопротивления по длине а
Коэффициент сопротивления на входе Коэффициент сжатия Коэффициент сопротивления на расшире- ние =а-ф.‘)/ч>.’ £ = Шсж/<0 $ =[£-iY =f—V ^(0 J \ е )
Удельная энергия сечения Уравнение критического состояния потока Критический уклон Критическая глубина (в прямоугольном русле) Коэффициент расхода водослива с широ- ким порогом 3 = h + avz/(2g) ' ь>р =aQ‘/g =««, /(аС^рЬмр) ^=0,482^0’/^ m = фК-Л-К, где К=2ф’/(1+2ф’)
Уравнение Бернулли Л> + Zj +cw? /(2g) = = ht + a, + aoj /(2g)+ Л. = = const
Подпор перед сооружением Q* H = Лт + —~T
Число Фруда fr=u2/(yh)
8- Определение критической глубины Лкр
в круглых трубах
Каждому значению критический функции f = Q2/(gd5) соот-
ветствует в данной трубе свой расход Q и своя глубина йкр.
Таблица 1
Расходы воды Q (м’/е), соответствующие критический функции
в трубах разных диаметров
Критическая функции Дншетр трубы, м
1.0 1,25 1.5 2,0
0,006 0.24 1,34 2,11 4,33
0,090 0.95 1,60 2,58 5,30
0.121 1.00 1.90 3,00 6,15
0,139 1.17 2,04 3.20 6,50
0.166 1,28 2.34 3.50 7.20
0.220 1,47 2,60 4,00 8.30
0,295 1,70 3,00 4,70 9.60
0,332 1,80 3,16 4,95 1О,оО
0,336 1,82 3,18 5,00 10,25
0,382 1.94 3,40 5,30 11.00
0,407 2,10 3,50 5,40 11,20
0,460 2,12 3,70 5.85 12.00
0,485 2,18 3.80 6.00 12,36
0.500 2.20 3.90 6J0 12,50
0.535 2,30 4.00 6.30 13,00
0.625 2,48 4.30 6,80 14,00
0,660 2.55 4,40 7,00 14,40
0.685 2,60 4,54 7.08 14.70
0,815 2.80 4.90 7,80 16.00
0.835 2.86 5,00 7,87 16.15
0.860 2.90 5.05 8,00 16,40
0.920 3,00 5,20 8.30 17,00
0,970 3,08 5,40 8,50 17.40
1,035 3,20 5,60 8.80 18,00
Таблица 2
Степень наполнения круглых труб ц, соответствующая значениям
критической функции (табл. 1)
Критическая функция Критическая функция П = *кр/<*
0.006 0,500 0,485 0,844
0,090 0,550 0,500 0,850
0,121 0,600 0,535 0,860
0,139 0,620 0,625 0,884
0,166 0,650 0,660 0,893
0,220 0,700 0,685 0,900
0,295 0,750 0,815 0,920
0,332 0,770 0,835 0,922
0,336 0,790 0.860 0,925
0,382 0,800 0,920 0,934
0,407 0,810 0,970 0,940
0,460 0,833 1.035 0,950
Определив критическую функцию по табл. 1 и 2, находят степень на-
полнения трубы Т), откуда Л^, = qd.
37 М. В, Пеетеро!
9. Коэффициенты живого сечения Кщ
и гидравлического радиуса Кя частично
наполненных круглых труб (при d = 1)
h/D Коэф- фици- енты 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09
0,0 К» 0,000 0,001 0.004 0.007 0,010 0,015 0,019 0.024 0,029 0,035
кя 0.000 0,007 0.013 0,020 0,026 0,033 0,039 0.045 0,051 0,057
0,1 К„ 0,041 0,047 0.053 0,060 0,067 0,073 0,081 0,088 0.096 0,104
Кя 0,063 0,070 0,075 0,081 0,087 0,093 0,099 0,104 0,110 0,115
0,2 К. 0,112 0,120 0.128 0,137 0,145 0,153 0,162 0,171 0.180 0,189
Кя 0,121 0,126 0,131 0,136 0,142 0,147 0,152 0,157 0.161 0,166
0,3 К. 0,198 0,207 0,217 0,226 0,235 0,245 0,255 0,264 0,274 0,284
Кя 0,171 0,176 0,180 0,185 0,189 0,193 0,198 0,202 0.206 0,210
0,4 Кш 0,293 0,303 0,313 0,323 0,333 0,343 0,352 0,362 0,373 0,383
Кя 0,214 0,218 0,222 0,226 0,229 0,233 0,236 0,240 0,243 0,247
0,5 к„ 0,393 0,403 0,413 0,423 0,433 0,443 0,453 0,462 0,472 0,482
Кя 0,250 0,253 0,256 0,259 0,262 0,265 0,268 0,270 0,273 0,275
0,6 К„ 0,492 0,502 0,512 0,521 0,531 0,540 0,550 0,559 0,569 0,578
Кя 0,278 0,280 0,282 0,284 0,286 0,288 0,290 0,292 0,293 0,295
0,7 Ки 0,587 0,596 0,605 0,614 0,623 0,632 0,640 0.649 0.657 0,666
Кя 0,296 0,298 0,299 0,300 0,301 0,302 0,302 0,303 0,304 0,304
0,8 К. 0,674 0,681 0,689 0,697 0,704 0,712 0,719 0,725 0,732 0,738
Кя 0,304 0,304 0,304 0,304 0,304 0,303 0,303 0,302 0,301 0,299
0,9 к. 0,745 0,750 0,756 0,761 0,766 0,771 0,775 0,779 0.782 0,784
Кя 0,298 0,296 0,294 0,292 0,289 0,286 0,283 0,279 0,274 0,267
Для определения площади живого сечения для заданного d
имеем со = Ked2.
Для определения гидравлического радиуса соответственно име-
ем R = Krfl.
Например, для d = 2 м и h - 1,5 м определим со и Я:
1) h/d = 1,5/2 = 0,75;
2) по таблице К„ = 0,632; Кя = 0,302;
3) со = 0,632-2’= 2,528 м’;
4) R = 0,302 • 2 = 0,604 м.
10. Основные понятия о грунтах
Гранулометрический состав — содержание по массе групп
частиц (фракций) грунта различного размера по отношению к об-
щей массе абсолютно сухого грунта.
Грунт — горная порода, почва или искусственное образование
(твердые отходы производств и бытовые), представляющие собой
многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, исполь-
зуемые как основание, среда или материал при строительстве.
Грунт заторфованный — песчаный, пылевато-глинистый или
насыпной грунт, содержащий по массе от 10 до 50 % органическо-
го вещества.
Грунт искусственный — грунт природного происхождения,
закрепленный или уплотненный различными методами, насып-
ной и намывной, а также твердые отходы производства и бытовые.
Грунт лёссовидный — пылевато-глинистый грунт, в грануломет-
рическом составе которого более 50 % пылеватых (0,05...0,005 мм)
частиц, бескарбонатный или известковистый; преимущественно
низкопористый (е < 0,8), слоистый и непросадочный; встречают-
ся прослойки песка, гравия, включения галек, раковин моллю-
сков, иногда погребенные почвенные горизонты; легко размока-
ет и размывается.
Грунт набухающий — грунт, который при замачивании во-
дой или другой жидкостью увеличивается в объеме с относитель-
ным набуханием в условиях свободного набухания (без нагрузки)
£.„>0,04.
Грунт полускальный — грунт, предел прочности которого при
одноосном сжатии в водонасыщенном состоянии менее 5 МПа.
Грунт просадочный — грунт, который под действием внеш-
ней нагрузки или собственного веса при замачивании водой или
другой жидкостью дает просадку с величиной относительной
просадочности £и > 0,01.
Ил — водонасыщенный современный осадок водоемов, обра-
зовавшийся при наличии микробиологических процессов, при-
родная влажность которого, как правило, превышает влажность
на границе текучести, коэффициент пористости е > 0,9.
Коэффициент размягчаемоети — отношение значений пре-
дела прочности скальных и полускальных грунтов при одноос-
37*
ном сжатии соответственно в водонасыщенном и воздушно-сухом
состояниях.
Органическое вещество — органические соединения, входя-
щие в состав грунта в виде неразложившихся остатков расти-
тельных и животных организмов, а также продуктов их разложе-
ния и преобразования.
Относительная просадочность — отношение уменьшения
высоты образца грунта в результате замачивания водой или дру-
гой жидкостью при определенном вертикальном давлении к вы-
соте образца природной влажности при давлении, равном при-
родному на глубине отбора образца.
Относительное набухание — отношение увеличения высоты
образца грунта в результате замачивания водой или другой жид-
костью к начальной высоте образца грунта природной влажности.
Относительное содержание органического вещества (сте
пень заторфованности) — отношение массы органического ве-
щества в образце абсолютно сухого грунта к массе грунта.
Показатель максимальной неоднородности — мера неодно-
родности гранулометрического состава песка, определяемая по
формуле
где dB5, dM, d6 — диаметры частиц, мм, меньше которых в данном
грунте содержится по массе соответственно 95, 50 и 5 % частиц.
Почва — природное образование, поверхностный слой земной
коры, обладающий плодородием. Состоит из нескольких гори-
зонтов, возникших в результате сложного взаимодействия мате-
ринских горных пород, климата, рельефа, растительности, жи-
вотных организмов и хозяйственной деятельности человека.
Предел прочности грунта при одноосном сжатии — отноше-
ние силы, при которой происходит разрушение образца грунта,
к площади его первоначального поперечного сечения.
Растворимость грунта — способность грунта при взаимодей-
ствии с водой или иной жидкостью переходить в раствор.
Сапропель — пресноводный ил, образовавшийся при саморазло-
жении органических (преимущественно растительных) остатков на
дне застойных водоемов (озер) и содержащий более 10 % органиче-
ского вещества; коэффициент пористости е > 3, показатель текуче-
сти более 1; содержание частиц размером более 0,25 мм не превы-
шает 5 %.
Степень засоленности — содержание легко- и среднераство-
римых солей в процентах от массы абсолютно сухого грунта.
К легкорастворимым солям относятся NaCl, КС1, CaCl, MgCl,,
NaHCO,, Са(НСО,)г, Mg(HCO3)2, Na2CO3, MgSO4, Na^O,. К сред-
нерастворимым солям относятся CaSO4 • 2НаО и CaSO4.
Степень зольности торфа — отношение массы минеральной
части торфа ко всей его массе в абсолютно сухом состоянии.
Степень пластичности ила — отношение природной влаж-
ности к границе текучести, отражающее уплотнение и дегидрата-
цию ила.
Степень разложения торфа — отношение массы бесструк-
турной (полностью разложившейся) части, включающей гуми-
новые кислоты и мелкие частицы негумифицированных остат-
ков растений, к общей массе торфа.
Структура грунта — пространственная организация всего
вещества грунта (твердого, жидкого, газообразного и биотиче-
ского компонентов), характеризуемая совокупностью геометри-
ческих, морфометрических и энергетических признаков и опре-
деляемая составом, количественным соотношением и взаимодей-
ствием компонентов грунта.
Текстура грунта — признак структуры, характеризующий
пространственную композицию слагающих грунт элементов.
Торф — органоминеральный грунт, образовавшийся в резуль-
тате естественного отмирания и неполного разложения болотных
растений в условиях повышенной влажности при недостатке ки-
слорода, содержащий по массе 50 % и более органического веще-
ства.
11. Ориентировочный период времени
самоуплотнения насыпных грунтов
Способ образования, тип грунта Период времени, лет
Планомерны возведенная насыпь:
песок 0,5-2
11ЫлеВаТо-Г.1инИС1Ы11 Груш 2...5
Отвал грунтов и отходов производства:
песок, итак, формовочная земля 2-5
зола, колошниковая пыль 5-10
дылевато -глинистый грунт 10-15
Свалка грантов и отходов производства:
песок, шлак 5-10
пылевато-глинистый грунт 10..30
12. Средние значения физико-механических
характеристик нескальных грунтов
Наимено- ванне грунтов Угол внутренне- го трения грунта, град. Удельное тепле • ние грунта Пористость Плотность, т/м"
естест- венной влаж- ности насы- щен- ного водой естест- венной влажно- сти насы- щен- ного водой частиц грунта грунта •гтвенао! ялажноетж
Глини- стые 20-26 12-16 30-60 20-35 .35-0,50 2,71-2,76 1,75-1.95
Суглини- стые 21-27 15-20 15-40 10-25 0,35-0,45 2.69-2,73 1.80-2,10
Супеси 25-30 20...23 10-20 3-5 0,30-0,45 2.68-2,72 1,95-2,10
Песчаные 38-26 37-24 0-8 0-5 0,85-0,44 2.66-2,70 1,90-2.05
Торф верховой — — — — 0,90-0,95 1,40-1,60 0,08-0.13
Торф низивкыи — — — — 0.80-0.90 1,40-1,60 0,20-0,30
13. Значения предельной плотности грунтов
и их оптимальная влажность
Наименование грунтов Максимальная плотность, Т/М2 Среднее значение оптимальной влажности, %
Песок:
мелкий 1,88 12
средний 1,84 10
крупный 1,80 8
Супесь:
легкая 1,85 9
средняя 1,87 14
тяжелая 2,08 15
Суглинок:
легкий 1,95 12
средний 1,83 15
тяжелый 1,75 18
Глина 1,8 20
14. Расчетные скорости ветра на территории
Республики Беларусь1
М стан- ции Название гтеядии Повторяемость, одян раз в
10 лет 25 лет 50 лет
Витебска^ область
4 Полоцк 19.0 20.0 21.5
5 Шарковы ила 17.5 18,5 19,5
6 Витебск 20.0 21.0 22.0
9 Лепель 17.0 18.0 19.0
10 Ссено 17,0 19.0 20.5
12 Славное 20,0 21,0 22,0
Минская область
13 Ви лейка 17,5 19,0 20,0
14 Б.рисоч 18,0 20,0 21,0
16 Воложнн 20,0 21,5 23,0
17 Мвнгк 19.0 21,0 22,0
18 Берези по 16,5 18,0 18,5
20 Марьина Горка 19,0 20,0 21,0
22 CHjilK 17,0 18,0 19,0
Гродненская область
23 Лида 17,5 19,0 19,5
25 Новогрудок 16,0 17.0 17,5
26 Волкоиыск 18,0 19,0 20,0
Могилевская область
27 Горки 17,5 19,0 19,5
28 Могилев 18,0 20.0 21,0
30 Славгород 19.0 20,0 21,0
31 Костюковнчн 17,5 18,6 19,5
Брестская область
33 Барановичи 20,50 22,0 23,0
35 Ивацевичи 17,05 19,0 19.5
36 Пружаны 20.50 22.0 23,0
1 Справочник по климату СССР. Вып. 7. Белорусская ССР. Ч.З. Ветер. Л. ,1966.
№ стан- Ц« Назааиве станции Повторяемость, один раз в
10 лет 25 лет 50 лет
40 Брест 18,00 19,0 20,0
Гомельская область
43 Гомель 22,0 23,0 24,0
44 Василевич 19,0 21,0 24.0
45 Житковичи 14,0 15,0 15,5
15. К фильтрационному расчету грунтовых плотин1
Для выполнения фильтрационных расчетов запроектирован-
ный поперечный профиль плотины вычерчивается в масштабе на
миллиметровой бумаге, устанавливаются коэффициенты фильт-
рации грунта основания (К^), тела плотины (Кт) и противофильт-
рационных устройств (ядра Кя , экрана К, и понура К„), а также
положение водоупора. В качестве расчетных уровней воды при-
нимаются: в верхнем бьефе — НПУ, в нижнем бьефе — мини-
мальный и максимальный уровни.
В соответствии с принятым типом плотины, конструкций про-
тивофильтрационных и дренажных устройств выбирается расчет-
ная схема и соответствующий ей метод фильтрационного расчета.
Ниже приведены расчетные схемы и формулы для наиболее часто
встречающихся в курсовых и дипломных проектах типов плотин.
Однородная плотина на водонепроницаемом основании с дре-
нажным банкетом (рис. 1)
Рис. I. Схема к расчету фильтрации однородной грунтовой плотины
с дренажным банкетом ни водонепроницаемом основании
д _н?-нг2
Кт ' 2Lp ’
(1)
где q — удельный расход фильтрации, м2/с; Кт — коэффициент
фильтрации грунта тела плотины, м/с; Н2, Н2 — соответственно
глубина воды в верхнем и нижнем бьефе, м;
' Боюславчик П.К. Проектирование и расчет гидротехнических сооружений:
учеб, пособие / П.К. Богославчик, Г.Г. Круглов. Мн., 2003. 363 с.
Lf = L + &L,+ AL„; (2)
AL. = p. Я,; (3)
; (4)
P, =———, притх>2 P.= 0,4; (5)
2m j +1
где ордината кривой депрессии hc в сечении I-I:
при Нг > О
hc = Jh*-2(L+AL,)-£-; (7)
I **т
приНг- О
л. (8)
Кт
где /(m'j) принимается в зависимости от т\ по таблице:
m'j 0 0.5 1 2 >2
f(.m\ ) 0,74 0,86 0,94 0,98 1
Кривая депрессии исправляется визуально в зоне, где
hx>H
-§• 3's
Пример. Выполнить расчет фильтрации через однородную трутне-
вую плотину (см. рис. 1).
Исходные данные. Высота плотины 19,5 м, глубина воды в верхнем бье-
Н, = 16,5 м, в нижнем бьефе — Нг = 5,6 м, заложение верхового отко-
плотины /п, = 3, заложение внутреннего откоса дренажной призмы
= 1, коэффициент фильтрации грунта тела плотины К, = 0,00001 м/с,
расстояние от начала координат до сечения I-I L = 68 м.
о il
AL. =—"------16,5 =7,1 м; AL =- 5,6 = 1,9м;
‘ 23+1 3
Координаты кривой депрессии, вычисленные по (6), приведены в таб-
лице:
X, м 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80
Лх, м 8,9 8,6 8,3 8,0 7,6 7.4 7.1 6,7 6,3 5,9
Плотина с ядром на маловодопроницаемом основании (рис. 3)
Рис. 3. Схема к расчету фильтрации грунтовой плотины с ядром
Также используется метод виртуальных длин, по которому
плотина с ядром приводится к однородной. Ядро заменяется уча-
стком плотины толщиной
К' е₽”
(12)
гдеК, =КЯ +
1пК ЕЛ]
ЖН.+Н.Цб. у зя J
(13)
(14)
где Кт и К, — коэффициенты фильтрации грунта тела плотины и
экрана.
После приведения плотины к однородной расчеты выполня-
ются по формулам для однородных плотин, например по (1)..>(8)
для плотины с дренажным банкетом. Поскольку величины Н, и
Н, являются неизвестными, то в первом приближении принима-
ются Ht = Нх и Н„ = Н2, затем их уточняют расчетом.
Пример. Выполнить расчет фильтрации через грунтовую плотину
с (рис. 3) и дренажной призмой.
Исходные данные. Высота плотины 27 м, глубина воды в верхнем
бьефе = 24 м, в нижнем бьефе — Нг = 3,8 м, заложение верхового
откоса плотины т1 = 3,5, заложение внутреннего откоса дренажной
призмы =1, коэффициент фильтрации грунта тела плотины Кт =
= 10"т м/с, грунта ядра и грунта основания = К, = 10 9 м/с, толщина
ядра по верху 5Ж = 3 м, по низу — 5, = 4 м, расстояние от начала коорди-
нат до сечения I-IL = 103 м, расстояние от бровки низовой грани ядра
до бровки низового откоса дренажной призмы (2 = 94 м.
ОК 1
—------24 =10,5 м; ДЬ=- 3,8 = 1,3м;
2 3,5+1 "3
5_ =------=3,5 м;
41 2
к; =юч> +
2 1О’В 3,5 , 12 94
----------—In ------+
3,14(24 + 3,8) I 4
=136-10-* м/с;
107
ДЬ. = - - -3,5=257,4 м;
136-W*
Lv= 10,5+ 103 + 1,3+ 257,4 = 372,2 м;
24z-33 1q-t _О 751О 7м2/с;
2 3723
йс =^24*-2 0,75(103+10,5 + 257,4) =4,4 м.
Координаты кривой депрессии, вычисленные по (6), приведе-
ны в таблице:
X, м 20 30 40 60 60 70 80 90 100
Лх,м 12,0 11.4 10,7 9,9 9,2 8,3 7,3 6,2 4,9
Плотина с экраном и понуром с дренажным банкетом на водо-
проницаемом основании конечной мощности (Кх = К,) (рис. 4):
^КоеА + Ка(1+т1г)д(2Я1-Д)
7 Ф + 25
где
th(aA) I К„
а(Т-8в) 11кт8а(Т-8а)
(16)
Рис. 4. Схема к расчету фильтрации грунтовой плотины с экраном
и понуром на водопроницаемом основании конченой мощности (К, = Kw)
В формуле (17)
1 , K,(l+m»).
Z^+AL, К.Л ’
я1+т ( i t К.ЯД1+7П;).
^4-AL, Ф К^б,
LtAL,
AL, =0,4Л2 ч-0,4( Л2-
\ ^oc^h)
(18)
(19)
(20)
Задача в данном случае решается методом последовательных
приближений, полагая в первом приближении AL, = 0,4Л2.
Гиперболический тангенс в формуле для определения Ф мож-
но определить по формуле
th(x)=V-
Ординаты кривой депрессии определяются по следующим
формулам:
а) между сечением I-1 и дренажем
х-Ь+Т/2
Т/2+ДЬа
б) между сечением I-I и осью ординат
!2-^-(Ь-х)+|Л
К, I с Кт
где
Л = f(H,2 +^T)2+2-?-f?-Az,-->|-1E^-T, (23)
с V 1 Кт КД ’ 2) Кт
где AL, определяется по (3).
Пример Выполнить расчет фильтрации через грунтовую плотину
с экраном и понуром (рис. 4).
Исходные данные. Высота плотины 21,7 м, глубина воды в верхнем
бьефе Н, = 17,5 м, в нижнем бьефе — Н2 = 6,3 м, заложение верхового
откоса плотины т1 = 3, заложение внутреннего откоса дренажной приз-
мы mJ =1, мощность водопроницаемого основания Т= 17 м, коэффици-
ент фильтрации грунта экрана Кэ = 10* м/с, грунтов основания и тела
плотины К, = = 10'® м/с, средняя толщина экрана 3, = 1,95 м, длина
понура L„ = 25 м, средняя толщина понура Зп = 1,8 м, расстояние от на-
чала координат до точки пересечения уровня воды в нижнем бьефе с внут-
ренним откосом дренажной призмы L = 70 м, расстояние от внутренней
бровки экрана до точки пересечения уровня воды в нижнем бьефе с внут-
ренним откосом дренажной призмы L,= 130 м.
В первом приближении
ДА, = 0,4 Л, = 23,3 0,4 = 9,32 м;
130+9,32 "*
10Л1 + 3*)
10’® 1,95
=0,012;
38 М. В. Нестеров
10
10 813 (17-13)
а =
л th(0,00605 25)
=0.00605; Ф = —-------------- -1,66;
0,00605(17-13)
В. 173.17
130 + 932 1,66 105 135
(174417)--ИЗ- д =
130 т 9,32
0,94 -^034‘ -0,0012 4.64
0,012
=231;
2 135
10’6 2,51 10^(1+ 3’) 2,51(2 17,5-2,51)
q~ 1,66
=0,172 10'' м’/с.
Вторит (ТрибТНЖГН1К-
I (1172-10~* I
ДЛ =0,4 233 + 0,U 233----—тг* = 18м;
ж 1 10 s 1 I
А=--------+ 10 8(1 *3 ). =0,012; а =0,00605; Ф = 1,66;
130т18 10 s 135
B=1WZ+ J_+ l£l_^L^l)=033:
130+18- 1,66 10 s 135
(17,5 +17)’- 233’ 4„7 д 033-v0,93^0,012 437 ,
130+16 3 ’ “ 0,012
F-+ 10"(1 + 3’)-2Д2-17,5-24) ]().
1,66 2 135
Координаты кривой депрессии, вычисленные по (22), приведены
в табл ице
X, м 5 10 20 30 40 Ю 60 70
м 28,6 28.3 27,8 27,2 26,6 26,0 25.4 24,8
Другие возможные расчетные схемы плотин и соответствую-
щие им методы фильтрационных расчетов рассмотрены далее.
В приведенных формулах приняты следующие обозначения:
д — удельный фильтрационный расход воды в плотине, м’/с;
hx — текущая координата кривой депрессии, м;
Я„ — высота высачивания фильтрационного потока, м;
К,, Кя, Кэ, К,. — коэффициент фильтрации грунта соответст-
венно тела плотины, ядра, экрана и основания, м/с.
Расчетные схемы и методы фильтрационных расчетов
грунтовых плотин
Плотина однородная на водонепроницаемом основании
а) с трубчатым дренажем (рис. 5)
Рис. 5. Плотина однородная на водонепроницаемом основании
с трубчатым дренажем
Kr 2Lp’
где! =Ь + Д£,; Д£, = РВЯ1; Р, =———прит}> 2; Р, =0,4;
2т1 +1
Лх = j2^-(L-x+£w), (25)
у кт
где L = 0,5
др ir
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
ЛХ>Н,-
9 .
К/
б) с насланным дренажем (вода в нижнем бьефе отсутствует)
(рис. 6): JL = -Н*~ г (26) Кт
(27)
где£р=£+Л£,; ДГ, = Яо =/(/п2)
К_
т
38*
596
Приложения
Прит2>1 /(mJ = 0,5+ т2\ при т2 < 1 Дт2) = 0,7+0,8тп2,
Лж
\2^-(Ь-х-тгН0) + Н^
rv_
(28)
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
Рис. 6. Плотина однородная на водонепроницаемом основании с наслонным
дренажем (вода в нижнем бьефе отсутствует)
в) с наслонным дренажем (при наличии воды в нижнем бьефе)
(рис. 7)
Рис. 7. Плотина однородная на водонепроницаемом основании с наслонным
дренажем (при наличии воды в нижнем бьефе)
= Л‘ где Lp=L+ALB;
IV.
грра =(W(m,)X-0 J1+
Но =« +
т2 н
2/(та) 1
(29)
hx = 2^-(L-x-m2H0)+(H2+H0)2.
v к.
(30)
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
Лж>Н1-д/Кт.
Плотина на водопроницаемом основании конечной мощности
(Ко = Кт)
а) с трубчатым дренажем (рис. 8)
Рис. 8. Плотина на водопроницаемом основании конечной мощности
с трубчатым дренажем
q _^~h2
К, 2Lp ’
где L=L + AL, + L^,; AL,=0,4ftj; L№ =-------—-----;
oLi
(31)
hx= h^-tL-L^-x+OAh^+h2.
I К-
(32)
Кривую депрессии исправляют визуально. Она сдвигается вле-
во по дренажу на 0,4Лг в зоне, где kx < Лг + g/К,, и подводится
к урезу воды в верхнем бьефе в зоне, где Лх> hx - g/K,; опреде-
ляют по (38).
б) с дренажным банкетом (рис. 9):
q
Кт 2Lp ’
(33)
где Lp = L+AL.+L,; AL, = 0,4Л,; L, = 0,4Л2;
Лх = 2-^-(£-х+0,4Л2)+й22.
1 К,
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
йх < й2 + д/Кт; Лх > Aj - д/Кт.
(34)
о
Рис. 9. Плотина на водопроницаемом основании конечной мощности
с дренажным банкетом
в) без дренажа (рис. 10)
о
Рис. 10. Плотина на водопроницаемом основании конечной мощности
без дренажа
Q
Кт 2Lp ’
(35)
где Lp=L+ALB; t^Lt = Q,4h^,
где
Но =-а + 'а2+0,4571-^----\-Н2
N 1КТ т2
(36)
а = 0,5
Лх = 2—(L-m2H0-x)+(h2 + H0)2.
• К_
(37)
Кривую депрессии исправляют визуально в зове, где
Л > Л, ;
' ' Кт
I = , 1 • • -g-.
(38)
где 0,01 < < +».
Плотина на проницаемом основании конечной мощности
(КТ<КО)
а) с трубчатым дренажем (рис. 11)
Рис .11. Плотина на проницаемом основании конечной мощности
с трубчатым дренажем
И2
<7=кт-1-+кост’
2L„
Lp +0.4Т
(39)
где Lp = L+AL,; AL,:
<ях8 +ata2
о+а.
о Я1 132
а, = 2т. —-+----
Т т.
2тП) +1’
а3 =miHl +0,4Т.
Между сечением 1-1 и дренажем
Между сечением 1-1 и осью ординат
I ' z гг
h =1,2^-(Ь-х) + |Л. + ^-Т| Т;
\ кт К, ) кт
г =_____1___
кт/
(41)
(42)
где0,01< - <+».
Т
В (40), (41) и (42) Л, вычисляют следующим образом:
I Кт 2 J Кт К, 2'
(43)
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где h, > IIх -
-g/к,;
Рис. 12. Плотина на проницаемом основании конечной мощности
с дренажным банкетом
q = К, Я‘2 Я»+К„ТЯ| Яг, (44)
2Lp “ Lp+0,4T
г г . * г ' ^2 .г +<Х.(Х4
где L = L+ ДЬ. Нга. —AL. =—’-!—
₽ 3 (j+ctj
К7 _ Я,-Я2 1,32 ,
°=J^’ ai=2/n^ ~ у +—'I’
У лт J ГПу
«2=»п1:?£—а3=т1(Я1-Яг)+0,4Т.
2mt 4-1
Между сечением I-I и дренажем
(45)
, Т mH,
з = — 4---
2
Между сечением I-I и осью ординат
Л = 2-^-(Ь-х) + (\+^-т|
1 у Кт ' Р кт ) кт
(46)
В (45) и (46) Л, вычисляют по зависимости
Т-?- + Яг2+[—-1 (47)
Кт 2 (Кт 2J 2КТ
Выходные градиенты вычисляют по (42), определяя Л, по (47).
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где hx>Ht-
-?/Кт;
39 М. В. Нестеров
в) с наслонным дренажем (рис. 13)
Рис. 13. Плотина на проницаемом основании конечной мощности
с наслонным дренажем
Удельный расход q и высоту высачивания Но определяют под-
бором из (48) и (49):
Н?-(НО+Н2\2 Я,-(Я0+Я2)
g = KT r v °—+к т-------------------11—; (48)
2[Lp-m2(H0 + Я2)] Lp-(О,5+т2)(Яо+Я2)
rr Ho L H2 I
q =KT--2— 1 +----±--- +
0,5+тД атЯ2+Я0)
+K T--------, (49)
(ОД+т2ХЯо+Я2)+О,4Т
где Lp= L + AL,; am
2(0^+m2)2'
AL, определяют так же, как и в предыдущем случае.
1
К« )’
1Ь_=__________h.T________
К». (0,5+ж2)Л,+Я2т2+0,44Г
(52)
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
й, +^£-Т> Я, + ^-Т—
К, 1 Кт Кт
г) с дренажной канавой за плотиной (уровень грунтовых вод
ниже подошвы плотины) (рис. 14)
Рис. 14. Плотина с дренажной канавой за плотиной (уровень грунтовых вод
ниже подошвы плотины)
7=КТ
Н/ , к Т н,
2(^LB+lc) ж ЬЬЛ+1С’
(53)
^PH/TL-iT2 -Н2)ЬЬв] + Н?Ь
где 1С = -К~-~----------------•
^(гн/г+т2 -Н2)+Н2
С левой стороны от точки С
h = j2-^-(Ic-x) + [—И -~-Т.
1 \ К, К, кт
(54)
39*
Кривую депрессии исправляют визуально в зоне, где
А + К^Т>Н + ^T_JL.
Кт Кг Кт
С правой стороны от точки С
hx = lT2-(T2-Hl)^-^--T. (55)
V -Ь—
Плотины с экраном и понуром на водопроницаемом основании
конечной мощности (К. = К,) с трубчатым дренажем (рис. 15)
Рис. 15. Плотины с экраном и понуром на водопроницаемом основании
конечной мощности с трубчатым дренажем
КЖД K.U + mf^Hj-A)
Ф 25э
(56)
гдеФ =
ЩаЬв) .
а(Т-5о)’
[ К-
КТ5П(Г-8О)’
В->/вг-АС
А
1 i K.d+m»), в= Ну+Т t 1 t К.Я|(1+**Ч*).
Lj+AL. К^З, ’ Lj+AL, Ф Кте5,
(Я1+Т)2-Л22.
L, + Д1„
ЛЬИ = 0,4Л2.
В этом случае задачу следует решать способом последователь-
ных приближений, полагая в первом приближении Д£в = 0,4Л2.
Депрессионные кривые строят по формулам для плотины на про-
ницаемом основании конечной мощности с трубчатым дренажем.
Выходные градиенты находят по (42), Л( определяют по (43) и (47).
Литература
1. Ачкасов ГЛ. Технология и организация ремонта мелиоратив-
ных гидротехнических сооружений / Г.П. Ачкасов, Е.С. Иванов.
М., 1984. 174 с.
2. Богданович АЛ. Рекомендации по применению полиэтилено-
вых пленочных противофильтрационных элементов на подпорных
сооружениях мелиоративных систем / А.И. Богданович, Г.Л. Га-
рус, М.В. Нестеров. Горки, 1982. 24 с.
3. Буренкова ВЛ. К обоснованию надежности, суффозионной
прочности грунтов в гидротехнических сооружениях / В.В. Бу-
ренкова, Б.А. Мокран // Энергетическое строительство. 1983.
№ 12. С. 70-73.
4. Водные ресурсы Белоруссии и их охрана: сб. статей / под
ред. В.М. Широкова. Мн., 1982. 144 с.
5. Водные ресурсы Республики Беларусь, их использование и
охрана. Республиканский экологический форум. Орша, 2003.24 с.
6. Волков И.М. Гидротехнические сооружения /И.М. Волков,
П.Ф. Кононенко, И.К. Федичкин. М., 1968. 464 с.
7. Гидравлический расчет каналов при равномерном движе-
нии жидкости с применением ПП ЭВМ: методические указания /
сост. Н.Ф. Гульков. Горки, 1993. 60 с.
8. Гидротехнические сооружения: справочник проектиров-
щика / Г.В. Железняков и [др.]; под общ. ред. В.П. Недриги.
М., 1983. 543 с.
9. Гидротехнические сооружения: учеб, пособие для вузов /
И.А. Васильева и [др.]; под ред. Н.П. Розанова. М., 1978. 647 с.
10. Гольдин АЛ. Проектирование грунтовых плотин: учеб, по-
собие для вузов / А.Л.Гольдин, Л.Н Рассказов. М., 1987. 304 с.
11. Громов ВЛ. Организация и производство гидротехниче-
ских работ/ В.И. Громов, Е.С. Иванов. М., 1974. 432 с.
12. Гульков Н.Ф. Расчеты сопрягающих сооружений /
Н.Ф. Гульков, М.В. Нестеров. Горки, 1999. 176 с.
13. Дрозд ПА. Методические указания по проектированию под-
земного контура шлюзов на осушительно-увлажнительных систе-
мах / П.А. Дрозд, Ю.Ф. Буртыс, А.С. Титов. Мн., 1971. 110 с.
14. Журавлев ГЛ. Гидротехнические сооружения / Г.И. Жу-
равлев. М., 1979. 423 с.
15. Журавлев ГЛ. Земляные плотины / Г.И. Журавлев. М.,
1966. 280 с.
16. Замаран ЕЛ. Гидротехнические сооружения / Е.А. Зама-
рип, В.В. Фандеев. М., 1965.
17. Иванов ПЛ. Грунты и основания гидротехнических со-
оружений / П.Л. Иванов. М., 1991. 447 с.
18. Кавешников Н.Т. Эксплуатация и ремонт гидротехниче-
ских сооружений / Н.Т. Кавешников. М., 1989. 272 с.
19. Кириенко ИЛ. Гидротехнические сооружения. Проекти-
рование и расчет / И.И. Кириенко, Ю.А. Химерик. Киев, 1987.
253 с.
20. Курсовое и дипломное проектирование по гидротехниче-
ским сооружениям / под ред. В.С. Лапшенкова. М., 1989. 448 с.
21. Ларьков В.М. Водопропускные сооружения низконапор-
ных гидроузлов / В.М. Ларьков. Мн., 1989. 365 с.
22. Лосев К.С. Вода /К.С. Лосев. Л., 1989. 272 с.
23. Мелиорация и водное хозяйство: Справочник. В 5 т. Т. 4.
Сооружения / под ред. П.А. Поладзаде. М., 1987. 464 с.
24. Методические указания по использованию торфа в обвало-
ваниях. Мн., 1975. 40 с.
25. Недрига ВЛ. Инженерная защита подземных вод от загряз-
нения промышленными стоками / В.П. Недрига. М., 1976. 95 с.
26. Нестеров МЛ. Противофильтрационные завесы водопод-
порных сооружений мелиоративных систем: автореф. дис. канд.
техн, наук / М.В. Нестеров. Горки, 1986. 23 с.
27. Нестеров МЛ. Грунтовые плотины / М.В. Нестеров. Гор-
ки, 2000. 208 с.
28. Нестеров МЛ. Проектирование и расчет водопроводящих
сооружений / М.В. Нестеров. Горки, 1998. 96 с.
29. Нестеров МЛ. Фильтрационный расчет гидротехнических
сооружений: методические указания / М.В. Нестеров. Горки,
1991. 48 с.
30. Нестеров МЛ. Проектирование грунтовых насыпных пло-
тин: методические указания / М.В. Нестеров, В.И. Белясов. Гор-
ки, 1991. 96 с.
31 Нестеров МЛ. Применение противофильтрационных за-
вес, возводимых методом «стена в грунте» с использованием са-
пропел ей. Рекомендации по проектированию и строительству
мелиоративных и водохозяйственных объектов / М.В. Несте-
ров, А.А. Боровиков, Д.М. Лейко. Горки, 2002. 80 с.
32. Нестеров МЛ. Гидравлические расчеты регулирующих со-
оружений / М.В. Нестеров, Л.В. Понасенко. Горки, 1998. 72 с.
33. Нестеров МЛ. Гидротехнические сооружения: учеб.-мет.
пособие/М.В. Нестеров, Л.В. Понасенко. Горки, 2004. 120 с.
34. Нестеров МЛ. Проект водохраиилищного узла гидротех-
нических сооружений: методические указания / М.В. Нестеров,
Л.В. Понасенко, А.А. Боровиков. Горки, 2002. 20 с.
35. Новиков ЮЛ. Вода и жизнь на земле / Ю.В. Новиков,
М.М. Сафутдинов. М., 1981. 184 с.
36. Основания, фундаменты и подземные сооружения: Спра-
вочник проектировщика / М.И. Горбунов-Посадов и [др.]; под
общ. ред. Е.А. Сорочана, Ю.Г. Трофименкова. М., 1985. 480 с.
37. Отсыпка плотин наклонным способом в зимних условиях /
Ин-ты «Союзоргтехводстрой» и «Горьковорггехводстрой». Горь-
кий, 1982. 4 с.
38. Попов КЛ. Сооружения на мелиоративных каналах /
К.В. Попов, С.Н. Корюкин. М., 1972. 152 с.
39. Пособие П1-98 к СНиП 2.06.03-85. Проектирование и
возведение мелиоративных систем и сооружений. М., 1999.85 с.
40. Проектирование гидротехнических сооружений / И.М. Вол-
ков и [др.]. М., 1977. 384 с.
41. Равовой П.У. Введение в специальность: история разви-
тия мелиорации в Беларуси / П.У. Равовой, К.П. Сучков.
Мн., 1996, 144 с.
42. Розанов НН. Плотины из грунтовых материалов /Н.Н. Ро-
занов. М., 1983. 296 с.
43. Розанов НЛ. Гидротехнические сооружения / Н.П.Роза-
нов, Я.В. Бочкарев, В.С. Лапшенков / под ред. Н.П. Розанова.
М., 1985. 432 с.
44. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусст-
венных сооружений и русл. М., 1961. 168 с.
45. Руководство по гидравлическим расчетам малых искусствен-
ных сооружений / под общ. ред. Г.Я. Волченкова. М., 1974. 296 с.
46. Руководство по проектированию и гидротехническому
расчету регулирующих мелиоративных сооружений / Ю.Ф. Бур-
тыс и [др.]. Мн., 1984. 96 с
47. Румянцев И.С. Гидротехнические сооружения / И.С. Ру-
мянцев, В.Ф. Мацея. М., 1988. 430 с.
48. Сироткин М.П. Справочник по геодезии для строителей /
М.П. Сироткин. М., 1975. 376 с.
49. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений.
М., 1985.40 с.
50. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооруже-
ний. М., 1986. 48 с.
51. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых. М., 1985.31 с.
52. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. М., 1986.56 с.
53. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основ-
ные положения проектирования. М., 1987. 32 с.
54. СНиП 2.06.03-85. Мелиоративные системы и сооружения.
М., 1986. 59 с.
55. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехни-
ческиесооружения(волновые,ледовыеиотсудов).М., 1983.39 с.
56. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные.
М.» 1986.40 с.
57. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструк-
ции гидротехнических сооружений. М., 1987. 32 с.
58. СНиП 2.05.11-83. Внутрихозяйственные автомобильные
дороги в колхозах, совхозах и других сельскохозяйственных пред-
приятиях и организациях. М., 1984. 36 с.
59. Справочник по гидравлическим расчетам/П.Г. Киселев и
[др.]; под ред. П.Г. Киселева. М., 1974. 312 с.
60. СТБ 943-93. Грунты. Классификация. Мн., 1995. 18 с.
61. Чугаев PJP. Гидротехнические сооружения / Р.Р. Чугаев.
Ч. 1. Глухие плотины. М., 1985. 318 с.
62. Чугаев Р.Р. Гидротехнические сооружения: Водосливные
плотины / Р.Р. Чугаев. М., 1978. 352 с.
63. Чугаев PJ3. Подземный контур гидротехнических соору-
жений / Р.Р. Чугаев. Л., 1974. 237 с.
64. Широков ВМ. Пруды Белоруссии /В.М. Широков, И.И. Кир-
вель. Мн., 1987.120 с.
65. Штеренлихт Д.В. Гидравлика / Д.В. Штеренлихт. М.,
1984.639 с.
Оглавление
Предисловие...............................................3
Введение................................................ 4
1. Значение воды в жизни человека.........................4
2. Водные ресурсы России и Беларуси, водное хозяйство
и его отрасли.............................................5
3. Методы проектирования гидротехнических сооружений.....11
4. Краткие сведения о развитии гидротехнического строительства
и его перспективы........................................12
1. Фильтрация в основании водоподпорных сооружений
и в обход их.............................................22
1.1. Общие сведения о фильтрации.........................22
1.1.1. Фильтрационный поток в основании сооружений ...22
1.1.2. Расчетные условия при фильтрации...............26
1.1.3. Составные части флютбета и силы, действующие на него.28
1.2. Методы фильтрационных расчетов......................34
1.2.1. Понятие о фильтрационных расчетах..............34
1.2.2. Определение минимальной допустимой длины подземного
контура............................................. 37
1.2.3. Расчеты по гидродинамической сетке ............38
1.2.4. Расчет фильтрации методом коэффициентов
сопротивления Р.Р. Чугаева............................42
1.2.5. Расчет фильтрации методом удлиненной контурной
линии..................................................54
1.2.6. Расчет фильтрации с учетом анизотропии
и неоднородности грунта основания......................56
1.3. Дренажи, шпунтовые стенки и фильтрационные деформации ....60
1.3.1. Роль дренажей и шпунтовых стенок в подземном контуре....60
1.3.2. Фильтрационные деформации......................71
1.4. Гидротехнический расчет в условиях пространственной
фильтрации ...............................................84
1.4.1. Общие сведения................................ 84
1.4.2. Определение коэффициентов сопротивления для элементов
подземного контура в условиях пространственного
растекания фильтрационного потока......................86
1.4.3. Порядок фильтрационного расчета подземного контура
водоподпорного сооружения с учетом пространственного
растекания фильтрационного потока......................95
1.5. Оценка фильтрационной прочности и устойчивости грунтов
в области фильтрации.....................................96
1.6. Фильтрация воды в береговых примыканиях.............101
1.6.1. Общие сведения................................ 101
1.6.2. Фильтрационные расчеты.........................102
2. Каналы и гидротехнические сооружения на них...........105
2.1. Каналы..............................................105
2.1.1. Общие сведения.................................105
2.1.2. Гидравлический расчет каналов..................108
2.1.3. Расчет фильтрации из каналов...................128
2.1.4. Расчет устойчивости каналов....................134
2.2. Водопроводящие сооружения...........................140
2.2.1. Общие сведения.................................140
2.2.2. Акведуки.......................................141
2.2.3. Дюкеры.........................................147
2.3. Водорегулирующие сооружения.........................158
2.3.1. Общие сведения.................................158
2.3.2. Открытые регуляторы (шлюзы-регуляторы).........160
2.3.3. Диафрагмовые шлюзы-регуляторы..................176
2.4. Трубчатые сооружения................................178
2.4.1. Общие сведения.................................178
2.4.2. Режимы работы трубчатых сооружений.............178
2.4.3. Гидравлический расчет труб-регуляторов.........186
2.5. Сопрягающие сооружения..............................191
2.5.1. Выбор типа сопрягающих сооружений..............191
2.5.2. Перепады.......................................194
2.5.3. Быстротоки.....................................200
2.5.4. Консольные перепады............................217
3. Грунтовые плотины ......................................226
3.1. Общие сведения о грунтах................................226
3.1.1. Происхождение и состав грунтов.................226
3,1.2. Физические свойства грунтов....................228
3.1.3. Классификация грунтов........................ 230
3.1.4. Деформируемость грунтов при сжатии.............236
3.1.5. Прочность грунтов............................ 241
3.1.6. Водопроницаемость грунтов......................242
3.1.7. Пучинистость грунтов...........................245
3.2. Размещение и конструирование грунтовой плотины......247
3.2.1. Плотины из грунтовых материалов и их классификация ...247
3.2.2. Выбор створа г тотины..........................251
3.2.3. Выбор типа п отины.............................255
3.2.4. Выбор основных размеров профиля плотин.........265
3.2.5. Крепление откосов..............................280
3.2.6. Дренажи грунтовых насыпных плотин..............303
3.3. Фильтрационные расчеты плотин.......................317
3.3.1. Общие сведения.................................317
3.3.2. Допущения при расчетах и расчетные схемы.......319
3.3.3. Расчет положения депрессионной кривой
и фильтрационного расхода.............................321
3.3.4. Расчет фильтрационной прочности плотин
и их оснований........................................334
ЗЛ. Расчет устойчивости откосов грунтовых плотин.........337
3.4.1. Общие сведения.................................337
3.4.2. Расчет устойчивости откосов по круглоцилиндрической
поверхности скольжения................................340
3.4.3. Расчет устойчивости экрана.....................348
3.5. Расчеты осадок тела и основания плотины.............349
3.5.1. Напряженное состояние грунта...................349
3.5.2. Учетосадок в грунтовых плотинах................349
3.5.3. Расчетосадок...................................350
3.5.4. Приближенная оценка вертикальных деформаций
гребня плотины........................................359
3.6. Работы по возведению насыпных грунтовых плотин......360
3.6.1. Разбивка контура основания плотин на местности...360
3.6.2. Пропуск строительных расходов....................364
3.6.3. Осушение котлованов плотин.......................371
3.6.4. Подготовка основания плотин и ложа водохранилища.376
3.6.5. Разработка грунта в карьере, транспортирование
и укладка в тело плотины...............................379
3.6.6. Устройство понурое, экранов и ядер.............388
3.6 7. Строительство насыпных грунтовых плотин в зимних
условиях...............................................391
3.7. Основы эксплуатаций грунтовых плотин ...............393
3.7.1. Общие вопросы эксплуатации сооружений гидроузла..393
3.7.2. Эксплуатационные наблюдения за состоянием плотин.397
3.7.3. Эксплуатационный ремонт плотин.................408
4. Водопропускные сооружения при плотинах из местных
материалов ...............................................416
4.1. Назначение и классификация водопропускных сооружении..416
4.2. Водосбросные сооружения (водосбросы)................417
4.2.1. Общие сведения.................................417
4.2.2. Открытые регулируемые береговые поверхностные
водосбросы.............................................421
4.2.3. Открытые нерегулируемые (автоматические) береговые
водосбросы........................................... .434
4.2.4. Закрытые автоматические водосбросы.............444
4.2.5. Общие положения проектирования водосбросных
сооружений.............................................468
4.3. Водозаборнь.. сооружения ... . .. ... ..............474
4 3 1. Общие сведения................................474
4.3.2. Типы водозаборов...............................476
4.3.3. Гидравлические расчеты водозаборов.............482
4.4. Водоспускные сооружения.............................487
4.4.1.Общие сведения................................ 487
4.1.2. Типы водоспусков............................ ..488
5- Речные гидроузлы, пруды и водохранилища ..............505
5.1. Гидроузлы......................................... 505
5.1.1. Общие сведения о речных гидроузлах.............505
5.1.2. Основные требования к компоновке гидроузлов....506
5.2. Пруды...............................................509
5.2.1. Общая классификация водоемов ..................509
5.2.2. Характеристика водоемов........................51”
5.2.3. Пруды Республики Беларусь......................512
5.3. Водохранилища.........................................515
5.3.1. Общие сведения о водохранилищах
Республики Беларусь.....................................515
5.3.2. Изменение гидрологического режима и его воздействие
на природные условия зоны водохранилища.................516
5.3.3. Изменение природных условий вокруг водохранилища ....520
5.3.4. Изменение природных условий в нижнем бьефе
гидроузлов............................................ 525
5.3.5. Организация чаши водохранилищ и противомалярийные
мероприятия.............................................526
6. Основные требования к курсовому и .дипломному
проектированию гидротехнических сооружений .................529
6.1. Основные положения и нормы............................529
6.1.1. Общие сведения о проектировании..... ...... ....529
6.1.2. Требования к проектированию......................531
6.1.3. Классы сооружений.......................... 532
6.1.4. Основные расчетные критерии......................536
6.1.5. Применение систем автоматизированного
проектирования..........................................539
6.2. Курсовое и дипломное проектирование...................541
6.2.1. Общие положения..................................541
6.2.2. Организация проектирования.......................542
6 2.3. Тематика и содержание проектов...............— 546
6.2.4. Технология проектирования........................556
Приложения.................................................560
1. Ориентировочные пределы изменений коэффициента
фильтрации нескальных грунтов..............................560
2. Коэффициенты шероховатости каналов и естественных
водотоков............................................... 561
3. Коэффициенты заложения т откосов каналов и дамб
(рекомендуемые СНиП 2.06.03-85)...........................566
4. Значения коэффициента С по формуле Н.Н. Павловского
(CKl/MK’).................................................567
5. Допускаемые неразмывающие средние скорости............569
6 Значения функции <р(т]) при различных величинах
гидравлического показателя х...............................................572
7. Основные гидравлические формулы.......................575
8. Определение критической глубины Л в круглых трубах.....576
9. Коэффициенты живого сечения Kw и гидравлического
• радиуса Кл частично наполненных круглых труб (при d = 1).578
10. Основные понятия о грунтах...............................579
11. Ориентировочный период времени самоуплотнения насыпных
грунтов................................................ 582
12. Средние значения физико-механических характеристик
нескальных грунтов..................................... 582
13. Значения предельной плотности грунтов и их оптимальная
влажность................................................583
14. Расчетные скорости ветра на территории
Республики Беларусь......................................584
15. К фильтрационному расчету грунтовых плотин...............586
Литература...................................................606
Учебное издание
Техническое образование
Нестеров Михаил Васильевич
Гидротехнические сооружения
Учебное пособие
Ведущий редактор Л А Крупич
Редактор С.В. Исаенко
Художник обложки С.В,Ковалевский
Компьютерная верстка В А. Киселёв
Корректор Л К. Мисуно
Подписано в печать с готовых диапозитивов 24.04.2006
Формат 60'84 1/1в- Бумага офсетная. Гарнитура Школьная.
Печать офсетная. Уел. печ. л. 35,81- Уч.-изд. л. 32,0.
Тираж 2010 экз. Заказ № 1055
Общество с ограниченной ответственностью «Новое знание».
ЛИ № 02330/0133439 от 30 04,2004,
Минск, ир. Нушкиаа, д. 16, ком. 16.
Почтовый адрес; 220050, Минск, а/я 79.
Телефон/факс: (10-375-17) 211-50-38. E-mail: nk‘®wnk.biz
В Москве:
Москва, Колодезный пер., д. 2a.
Телефон (495) 234-58-53. E-mail: ru<&wnk.biz
http://wnk.biz
Отпечатано с готовых диапозитивов в ГУП РМЭ
«Марийский полиграфическо издательский комбинат»
424000, г. Йошкар-Ола, ул Комсомольская- 112