Гидротехнические сооружения Волков,Кононенко,Федичкин - Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К.

Author: Волков И.М. Кононенко П.Ф. Федичкин И.К.

Tags: гидротехническое строительство строительство каналов мелиоративное строительство гидрогеология гидромеханика гидротехнические сооружения издательство колос

Year: 1968

Similar

Гидрология и гидротехнические сооружения

Гидротехнические сооружения. Учебное пособие для вузов

Проектирование рыбоводных предприятий

Гидротехнические сооружения

Text

УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ДЛЯ ВЫСШИХ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
И.М. ВОЛКОВ
П.Ф. КОНОНЕНКО
И.К.ФЕДИЧКИН
: ГИДРО-
: ТЕХНИЧЕСКИЕ
: СООРУЖЕНИЯ
• _
в Допущено Главным управлением высшего
4*’*--~и<реднего сельскохозяйственного образования
• Министерства сельского хозяйства СССР
• в качестве учебного пособил
* для гидромелиоративных факультетов
_ сельскохозяйственных вузов

ИЗДАТЕЛЬСТВО «колос»
МОСКВА —1968
УДК 626/02?^*/
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
Книга написана по программе курса «Гидротехнические сооружения», утвер^кЧИ^
ной Управлением высшего и среднего сельскохозяйственного образования Министерства
сельского хозяйства СССР, и предназначается в качестве учебного пособия для студен-
тов гидромелиоративных вузов и факультетов. Она может быть полезна и для специа-
листов, работающих в области гидротехники.
Учитывая характер научно-производственной деятельности инженеров-гидротех-
ников гидромелиоративной специальности и многолетний опыт преподавания это?'йСкур-
са, в содержание пособия внесены значительные изменения. В отличие от аналоНИййИГ.
изданий по данному курсу, в нем более подробно излагаются такие разделы, какяр&у-1
лирование русел водозаборные сооружения, отстойники, рыбопропускные и суд
сооружения, по всем разделам значительно обновлены иллюстрации. nrrstei
При освещении всех разделов курса широко использованы действующие .СтрЙ7--•
тельные Нормы и Правила и Технические Условия проектирования, а также учтййр0
наиболее важные достижения в области мелиоративной гидротехнической науки
последние годы.
Учебное пособие составлено коллективом научных работников кафедры видротех- '
нических сооружений Новочеркасского инженерно-мелиоративного института под общей
редакцией проф. доктора техн, наук И. М. Волкова. . - 'А
Проф. И. М. Волковым написаны введение, главы XVIII—XXVI и совместно-jEjjsMU.
П. Ф. Кононенко — главы I и II; доц. П. Ф. Кононенко написаны главы III—УПтмцмА^
И. К. Федичкиным — главы VIII—XII и XVI—XVII, доц. В. В. Казанковым—гла- -
вы XIII—XV. ,
Отзывы о книге и пожелания просим направлять по адресу: Москва, К-31, ул-Лзер-
жинского 1/19, издательство «Колос». ' '
Волков И. М., Кононенко П. Ф. и Федичкин И. К-
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ. М., «Колос», 1968.
464 с. (Учебники и учеб, пособия для высш. с.-х. учеб, заведений).
УДК 626/«ЯфЛ£
Редактор Г. В. Елизаветская. Художественный редактор А. С. Золотцева.
Технический редактор Л. М. Белова. Корректор Н. Ф. Крылова.
Сдано в набор 23/XI 1967 г. Подписано к печати 12/V 1968 г. Т-05892. Формат 7ОХ1О8‘/1В.
Бумага тип. Ns 3. Печ. л. 29 (40,60). Уч.-изд. л. 38,01. Изд. № 242. Т. п. 1968 г. № 336.
Тираж 14 000 экз. Заказ № 1650. . Цена. 1 р- 52 к.' ..... . - ’
Издательство «Колос», Москва, К-31, ул; Дзержинского, д. 1/19.
Владимирская типография Главполнграфпрома Комитета по печати прн Совете Министров СС6Р
Гор. Владимир, ул. Победы, д. 18-6.
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. РЕСУРСЫ ВОДЫ И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО
: Запас воды. Вода необходима для всех жизненных процессов на
г земле. Снабжение водой — одна из важнейших проблем в хозяйст-
венной деятельности человека, проблем дальнейшего развития челове-
чества.
Запасы воды на земном шаре огромны. Основные мировые запасы
ее находятся в морях и океанах и, по имеющимся данным, составляют
1,37 млрд. км3. Кроме того, 4 млн. км3 воды находится в реках и озе-
рах, более 30 млн. км3 в виде высокогорных ледников и полярных льдов,
примерно 100 млн. км3 приходится на подземные воды и небольшой объ-
ем, 7—12 тыс. км3, составляют водяные пары в атмосфере.
Ежегодно на сушу выпадает в виде осадков примерно 100 тыс. км3
•оды, из них среднегодовой сток речных вод, имеющий наиболее важное
эвэзяйственно-экономическое значение, составляет 37 тыс. км3.
г* По запасам воды СССР занимает первое место в мире. На терри-
тории Советского Союза имеется около 300 тыс. озер и свыше 150 тыс.
рек, из них более 50 крупных рек длиной свыше 1000 км. Протяженность
речной сети СССР, которая может быть использована для судоходства
Н лесосплава, превышает 440 тыс. км. Протяженность морских границ
^цостигает 47 тыс. км.
Средний годовой сток всех рек страны равен 4,37 тыс. км3, причем
' более 80% этого объема стока приходится на реки Сибири и северных
районов.
Потенциальный запас водной энергии рек СССР составляет
437 млн. кет с возможной выработкой 3800 млрд, квт.-ч, что равно 11,4%
мировых гидроэнергетических ресурсов [16].
Водное хозяйство и его отрасли. Огромные запасы воды распреде-
ляются как по площади, так и по времени весьма неравномерно. Поэто-
му, для того чтобы обеспечить необходимое количество и качество воды
В заданном пункте и в заданное время, приходится затрачивать много
труда и материальных средств.
Отрасль народного хозяйства, которая занимается вопросами изу-
чения, учета, распределения и комплексного использования водных ре-
сурсов для нужд общества и государства, называется водным хо-
зяйством.
, В современных условиях довольно четко определились следующие
основные направления, или отрасли, водного хозяйства:
гидромелиорация — использование воды для орошения земель
(ирригация), отвод избыточных поверхностных и подземных вод с тер-
ритории (осушение), мероприятия по борьбе с подтоплением земель,
с эрозией почв и т. п.;
обводнение пастбищ и водоснабжение сельскохозяй-
ственного производства;
гидроэнергетика — использование механической энергии воды
путем преобразования ее на гидростанциях в электрическую;
водный транспорт — использование рек, озер и морей для
судоходства и лесосплава;
1*
3
рыбное хозяйство — пропуск рыб через гидроузлы при помо-
щи рыбопропускных сооружений, освоение водохранилищ и строитель-
ство новых прудов н водоемов специального назначения;
регулирование русел рек — борьба с наводнениями, раз-
мывами берегов н русел, отложениями наносов и т. п.;
водоснабжение и канализация — обеспечение потребно-
сти населенных мест, промышленных и транспортных предприятий водой
надлежащего качества и в необходимом количестве, а также отвод сточ-
ных и отработанных вод в водоемы с соответствующей очисткой.
Кроме того, с водным хозяйством также тесно связано проведение
специальных санитарных и оздоровительных мероприятий, как, напри-
мер, осушение заболоченных местностей, прилегающих к населенным*
пунктам, строительство водных бассейнов, пунктов спортивного рыбо-
ловства и пляжей для массового отдыха трудящихся и др.
§ 2. КОМПЛЕКСНОСТЬ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Отдельные отрасли водного хозяйства нельзя рассматривать обо*
собленно, они тесно связаны между собой и переплетаются при реше-
нии вопросов использования водных ресурсов.
Наиболее эффективно комплексное использование водных ресурсов,
при котором одновременно удовлетворяются интересы ряда отраслей
водного хозяйства. При этом Необходимо, чтобы водохозяйственные ме-
роприятия, если они проводятся в данный момент в основном для какой-
либо одной отрасли, не мешали в будущем развитию других отраслей
водного хозяйства и не ухудшали существующие виды использования
рассматриваемого водного объекта.
Идея комплексного использования водных ресурсов впервые была
отражена в Государственном плане электрификации России — в плане
ГОЭЛРО, составленном под идейным руководством В. И. Ленина И
утвержденном в 1920 г. на VIII съезде Советов. С тех пор этот принцип:
является основным при социалистической системе хозяйства.
Осуществление принципа комплексного использования водных ре-
сурсов — сложная технико-экономическая задача, так как различные от*
расли водного хозяйства по-разному используют воду, например один
отрасли потребляют ее (орошение, водоснабжение), а другие — только
пользуются ею, не уменьшая стока (гидроэнергетика, водный транспорт;
рыбное хозяйство). Кроме того, одни отрасли потребляют воду или поль-
зуются ею непрерывно, а другие — периодически. Иногда различныё-
отрасли водного хозяйства предъявляют такой спрос на воду данного
источника, что последний оказывается не в состоянии удовлетворить
его. В этом случае задача может быть решена переброской стока из со-^
седнего речного бассейна или же, если такой возможности нет, ограми***'
чением запросов некоторых, менее важных в данное случае отраслей-;
водного хозяйства. Возникающие при этом затруднения и разногласия
регулируются в СССР государством с учетом интересов всего народного
хозяйства.
При комплексном решении водохозяйственных проблем затрагива-
ются не только природные и технические факторы, но и социально-эко-
номические.
В Советском Союзе и странах народной демократии, где нет част-
ной собственности на средства производства и где основным экономи-
ческим законом является максимальное удовлетворение постоянно рас-
тущих материальных и культурных потребностей всего общества, для
выполнения принципа комплексности имеются самы$ благоприятные ус-
ловия. Социалистическая система хозяйства позволяет планировать У
осуществлять грандиозные комплексные водохозяйственные мероприя-
тия, которые охватывают своим влиянием огромные территории и влекут
ц .
за ' собой даже преобразование самой природы крупных районов
страны.
В капиталистических странах, где земля и средства производства
являются частной собственностью и основной экономический закон со-
стоит в обеспечении максимальных прибылей, осуществление плановых
мероприятий в области водного хозяйства наталкивается на противо-
речия между отдельными капиталистическими группами, между ними
и землевладельцами. Поэтому в капиталистических странах комплексное
использование водных ресурсов весьма затруднительно и во многих слу-
чаях просто невозможно, что наносит большой ущерб хозяйству этих
стран.
| 3. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗВИТИИ
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
Строительство водохозяйственных сооружений в странах древней
культуры. В истории .развития человечества вода играла огромную
роль. Водные потоки и естественные водоемы использовались для питье-
вого водоснабжения, орошения земель, служили путями сообщения и т. п.
Л ;> первобытные времена строительство водохозяйственных сооруже-
Мй скорее было искусством, чем инженерным делом, но. тем не менее
уже тогда в этой области были достигнуты значительные успехи. Об
этом свидетельствуют сохранившиеся вплоть до наших дней следы и
остатки построенных в те отдаленные времена гидротехнических соору-
жений, каналов, водопроводов, несамоходных судов и др.
Начало искусственного орошения земель относится к глубокой древ-
ности. Известно, например, что орошение было развито в Египте (в до-
лине р. Нила) за 4400 лет до н. э. и в Китае (на р. Янцзы) за 2280
лет до н. э.
В нашей.стране орошение применяли еще около 10 тыс. лет назад
в долинах рек Амударьи, Сырдарьи и Зеравшана, в районах Закавказья
кв Крыму. В Срёйней Азии особое внимание привлекают грандиозные
ирригационные каиады, следьгкоторых сохранились на территории Турк-
мекии, Южного Казахстана, Киргизии и др. Некоторые каналы, постро-
енные многие сотни лет тому назад, сохранились до наших дней и даже
продолжают работать, напримёр арык Зах, Сайрамская оросительная
система, ряд каналов бассейна р. Таласе и др.
Необходимость защиты земель от наводнений и берегов от разру-
шений вызвала к жизни регулирование русел рек, например Тнгра и
Евфрата за 500 лет до н. э. и обвалование территории современной
Голландии за 2000 лет до н. э. и др.
За 4000—3000 лет до н. э. существовали водопроводы и артезиан-
ские колодцы в городах Вавилона; за 6 веков до н. э. в Риме был по-
строен водопровод и канализация, развалины которых сохранились до
наших дней; на месте г. Еревана, где в IX—VIII веках до н. э. сущест-
вовал город Иребури, быди_ найдены, следы водопровода из туфовых
камней.
Начало строительства плотин также относится к очень древним
временам. Еще за 4000 лет до н. э. была построена каменная плотина
(у Кошейш в Египте), а земляные плотины строили значительно рань-
ше, в частности в Индии, Китае, Месопотамии и других странах.
Строительство первых судоходных сооружений относится примерно
к тому же периоду: известно, что порты древних римлян достигали боль-
шого совершенства; канал от р. Нил к Красному морю существовал за
610 лет до н. э. и др.
Водохозяйственное строительство в России до Великой Октябрь-
ской революции. Развитие водохозяйственного строительства в нашей
стране началось более тысячи лет назад. 1
5
Гидромелиоративное строительство в дореволюцион-
ной России находилось в запущенном состоянии. Площадь мелиориро-
ванных земель, по данным 1913 г., достигала 6,772 млн. га, из них оро-
шаемых 3,962 млн. га и осушенных 2,810 млн. га.
Однако следует отметить, что из 6,7 млн. га, охваченных основными
видами мелиораций, более чем за 300-летний период до Октябрьской
революции было освоено лишь 1,5 млн. га, а остальные 5,2 млн. га бы-
ли освоены в результате многовековой деятельности самого народа. Оро-
сительные системы с земельным фондом около 3,5 млн. га находились
в полуразрушенном состоянии, и более половины этой площади было
заболочено, засолено и фактически выпало из сельскохозяйственного
оборота [69].
Наиболее крупными были следующие оросительные системы: Го-
лодностепские (с общей площадью орошения около 50 тыс. га), Госу-
дарево имение в Туркмении (40 тыс. га), Аламединская в Кирги-
зии (6115 га), Караспанская на р. Арысь (5500 га) и Чуйская
(5000 га).
Орошение новых земель за счет государственных вложений прово-
дилось царским правительством в основном в хлопководческих районах
Средней Азии и Закавказья. Монопольное право пользования водой
принадлежало господствующим классам (ханам, баям), и вода в оро-
шаемых районах служила средством жестокой эксплуатации местного
населения. Хивинский хан говорил: «пропускай воду туркмену не много
и не мало, ибо сытый туркмен тебя завоюет, голодный ограбит и только
полуголодный он не будет опасен».
Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение в царской Рос-
сии в основном базировалось на шахтных колодцах с ручным подъемом
воды.
Использование водной энергии в древние време-
н а производилось посредством водяных колес. В Киевской Руси водя-
ные мельницы были известны в IX—XIII веках. В XVII веке круг при-
менения водяных колес значительно расширился. Оборудование ряда
заводов и фабрик приводилось в действие энергией воды, поступавшей
на водяные колеса из специально построенных прудов, появились «бу-
мажные», «суконные», «пильные» и другие мельницы. В XVIII веке, в
эпоху Петра I, в связи с мощным подъемом русской промышленности
водяные колеса широко применялись в качестве двигателя в горноруд-
ной промышленности для приведения в движение кузнечных мехов, раз-
личных станков и других машин. Было построено более 200 больших за-
водских плотин на Урале, Алтае, в Карелии, Забайкалье и в централь-
ных районах России.
Особую известность в то время получил выдающийся гидротехник
К- Д. Фролов, по проектам которого были построены сложные гидроси-
ловые установки и ряд больших плотин, в том числе Змеиногорская вы-
сотой 18 м [66].
В дореволюционные годы проекты крупных гидростанций составля-
лись по рекам: Днепру, Нарове, Волхове, Свири, Северному Донцу и др.
Однако выполнить их было невозможно вследствие существования част-
ной собственности на землю и влияния иностранного капитала, стре-
мившегося всемерно ограничить развитие производительных сил нашей
страны.
До Октябрьской, революции в России существовало всего лишь не-
сколько гидростанций, общая мощность которых не превышала: 8—
9 тыс. кет. Наиболее крупными из них были: Саткинская на р. Сатке
(Урал) мощностью 1140 кет и Гиндукушская на р. Мургаб (Туркмения)
мощностью 1550 кет.
Водные пути в истории развития России имели очень большое
значение.
6
Древнейшие русские города — Киев (на Днепре) и Новгород (на
Волхове) — располагались на судоходных реках. Еще в период Киев-
ской Руси (IX—XII вв.) был известен водный путь «Из варяг в греки».
Этот путь тянулся через всю Россию — с севера на юг, соединяя Бал-
тийское море с Черным.
Строительство водных путей получило значительное развитие в
XVIII веке при Петре I. В этот период наряду с гидросиловыми уста-
новками велось крупное по тому времени строительство водных путей.
Были выполнены первые работы по улучшению судоходных условий рек
(Оки и Упы), соединена р. Волга с Балтийским морем Вышневолоцкой
системой через реки Тверцу, Цну, Мету, оз. Ильмень и р. Волхов (1703—
1722 гг.). Были начаты работы по устройству канала в обход Ладож-
ского озера и даже по соединению Волги с Доном. Однако лишь неко-
торые из этих работ были закончены. С этими работами связано имя
известного русского гидротехника — первого строителя судоходных ка-
налов в России—М. И. Сердюкова, который впервые применил на
Вышневолоцкой системе регулирование стока с помощью водохрани-
лищ [230].
В конце XVIII и начале XIX века был построен еще ряд судоход-
ных систем и соединений [62]: Огинская (Неман — Днепр) в 1804 г., Ма-
риинская (1807 г.), Тихвинская (1811 г.), Северо-Екатерининский канал
(1822 г.), Северо-Двинская (1828 г.), Августовский канал (1829 г.) и др.
Однако следует отметить, что указанные искусственные водные пути
строили в расчете на суда небольших размеров, шлюзы были деревянной
конструкции и техническое оборудование водных путей было очень при-
митивным. Даже до конца XIX века суда тянули люди (бурлаки) и
лошади.
Большинство указанных систем к началу становления Советской вла-
сти в России значительно устарело, и для их использования требовалась
коренная реконструкция.
§ 4. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО В СССР
И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
Великая Октябрьская социалистическая революция открыла но-
вую эру в жизни народов нашей страны и всего человечества, создала
все условия для быстрого и планомерного развития всех отраслей на-
родного хозяйства. Коренное изменение произошло и в водохозяйствен-
ном строительстве, богатейшие водные ресурсы страны были поставлены
на службу народу.
Плановая организация деятельности человеческого общества в ус-
ловиях социализма, основанная на неограниченном использовании науч-
ных открытий, технических знаний и опыта, открыла исключительный
простор для всестороннего и наиболее целесообразного использования
водных ресурсов. Преимущества социалистического строя, руководящая
и организующая роль Коммунистической партии и энтузиазм советских
народов позволили успешно преодолеть встречающиеся трудности, кото-
рых было немало, и за короткий исторический срок достигнуть колос-
сальных успехов в области гидротехнического строительства во всех от-
раслях водного хозяйства.
До 1941 г. были выполнены большие работы в области мелиорации
и построены крупные ирригационные сооружения, к которым относятся:
Большой Ферганский, Северный и Южный Ферганские каналы (в Уз-
бекской ССР), Невинномысский канал (на Северном Кавказе), Таш-
Кепринское водохранилище (в Туркмении), Кампыр-Раватская и Пер-
вомайская плотины на рр. Карадарье и Зеравшане (в Узбекистане),
Чумышская на р. Чу (в Киргизии), Кутулукскоё водохранилище (в Куй-
бышевской области), Тщинское водохранилище (на Кубани) и др.
7
Особенность работ этого периода — массовое участие народа в ме-
лиоративном строительстве. Пример народного строительства Большого
Ферганского канала получил широкое распространение и в других райо-
нах орошения. Методом народной стройки были сооружены такие'оро-
сительные каналы, как Ляганский, Таш-Сакинский в Узбекской ССР,
Большой Гиссарский в Таджикистане, Самур-Дивичинский в Азербайд-
жане, Урало-Кушумский в Западном Казахстане, канал им. Дзержинско-
го в Дагестане и многие другие.
Осушительные работы в Белоруссии, Сибири, Грузии и в других
республиках проведены на площади более 2,5 млн. га.
За этот же период были построены десятки крупных гидроузлов и
гидроэлектрических станций средней и малой мощности. Все это позво-
лило выработать электроэнергии в 38,6 раза больше, чем вырабатыва-
лось в 1913 г.
Для нужд водного транспорта были построены такие крупные судо-
ходные каналы, как Беломорско-Балтийский (227 км) и имени Москвы
(128 км). Заново перестроен Днепро-Бугский канал и др.
Таким образом, к началу Великой Отечественной войны в эксплуа-
тации находилось 6,15 млн. га орошаемых, 5,7 млн. га осушаемых зе-
мель и 37 крупных ГЭС.
В период Великой Отечественной войны гидротехническое строитель-
ство резко сократилось, но, несмотря на тяжелые условия военного вре-
мени, работа по проектированию и строительству гидромелиоративных
систем продолжалась. Строились Большой Чуйский канал, Северо-Таш-
кентский канал, была завершена первая очередь Катта-Курганского во-
дохранилища, была закончена крупная народная стройка — Фархадская
ГЭС, строились также гидростанции средней и малой мощности на Ура-
ле и др. В послевоенный период гидротехническое строительство в СССР
начало развиваться небывалыми в истории человечества темпами.
Большая работа выполнена по строительству оросительных систем
и сооружений. Закончено строительство Невинномысского канала, Даль-
верзинской оросительной системы, питающейся из верхнего бьефа Фар-
хадской ГЭС, Южного Голодностепского канала, Самгорской ороси-
тельной системы (Грузия), Донского магистрального оросительного ка-
нала, построена большая часть Каракумского канала из р. Амударьи
до Ашхабада длиной свыше 800 км, который в дальнейшем, будет про-
должен до Каспия. _ _
Общая площадь орошаемых земель в 1965 г. достигла 10 млн. га,
что в 1,62 раза больше, чем в 1940 г., а площадь осушаемых земель за
это же время возросла в 1,5 раза.
В короткое время были восстановлены разрушенные во время вой-
ны Днепровская, Волховская и Нижне-Свирская гидроэлектростанции,
Беломорско-Балтийский канал, ряд водохранилищ в Донбассе и др.
В последние годы закончено строительство и сданы fr эксплуатацию
такие крупные гидростанции, как Цимлянская; 'Усть-Каменогорская
(р. Иртыш), Мингечаурская (р. Кура), Ннв'ская и Княжегубская (на
Кандалакше), Камская, Каховская, Горьковская, Бухтармияская (р. Ир-
тыш), Дубоссарская (р. Днестр), Волжская им. В. И. Ленина, Волж-
ская им. XXII съезда КПСС, Кременчугская, Иркутская, Новосибир-
ская, Братская, Каунасская (р. Неман) и многие дпугйе..
Успешно осуществляется строительство новых ГЭС, в том числе та-
ких крупных, как Саратовская, Киевская, Нуреке^ая, Красноярская, Ток-
тогульская и др. -
В 1965 г. в стране было выработано электроэнергии,
то есть в 10,5 раза больше, чем в 1940 й-101 раз больше, чем в
1928 г. '
В 1952 г. вступил в строй Волго-Донской судоходный канал
им. В. И. Ленина, в 1965 г. введен в действие Волго-Балтийский водный
8
путь, и теперь вместо 2200 км мелководных и неустроенных водных пу-
тей в нашей стране имеется более 4000 км благоустроенных глубоко-
водных. '
Грандиозны перспективы дальнейшего развития водохозяйственного
строительства в нашей стране.
Согласно постановлению майского (1966 г.) Пленума Центрального
Комитета КПСС, предусматривается увеличение в течение ближайшего
десятилетия площади орошаемых земель на 7—8 млн. га и осушенных
земель на 15—16 млн. га, при этом общая площадь мелиорированных
земель в стране возрастет до 37—39 млн. га в 1975 г.
За период 1960—1980 гг. выработка энергии всеми электростанция-
ми должна увеличиться в 9—10 раз.
При этом предстоит построить 180 мощных гидроэлектростанций.
Большое развитие получит строительство высокоэкономичных гидро-
электростанций в Сибири, будут завершены каскады на Волге, Каме,
Днепре, построены крупнейшие гидростанции на Ангаре, Енисее, Лене,
Амуре, Вахше, Нарыне, Ингури и др.
Для обводнения Каспия будет переброшена часть стока рек Печоры
и Вычегды в Каму и Волгу, будет завершено строительство Единой энер-
гетической системы СССР.
В предстоящие годы намечается выполнить большой объем работ
по реконструкции и расширению внутренних водных путей и завершению
Единой глубоководной системы Европейской части СССР. Выполнение
этого огромного объема работ по водохозяйственному строительству бу-
дет базироваться на применении высокой механизации строительно-мон-
тажных работ, наиболее совершенного и мощного оборудования и пере-
довых методов труда, на внедрении наиболее прогрессивных и в первую
очередь сборных железобетонных конструкций.
По размаху водохозяйственного строительства и по уровню развития
гидротехнической науки СССР в настоящее время занимает ведущее
место в мире.
2-1650
Раздел 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЯХ
Глава I
УСЛОВИЯ РАБОТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИЙ
Гидротехника и ее задачи. Отрасль науки и техники по использо-
ванию водных ресурсов и борьбе с'вредными действиями воды при по-
мощи специальных сооружений, устройств и оборудования называется
гидротехникой, а различные сооружения, которые необходимы для
проведения водохозяйственных мероприятий, называются гидротех-
ническими * *'/ ' I.
Цель гидротехники — выбор и обоснование водохозяйственных ме- ,
роприятий, а также изыскания, проектирование, .возведение, эксплуата-
ция и исследование^ гидротехнических сооружений. Вследствие этого она
тесно связана со многими другими отраслями науки и техники и в пер- *
вую очередь с гидрОлогией, так как для правильного использования
естественных водных ресурсов необходимо знать их режим, выполнять^
водохозяйственные расчеты, решать вопросы, связанные с регулировав^'
ем жидкого и твердого стока, определять размеры водохранилище и ’,
уровни воды в них и т. п. '
Не менее тесную связь гидротехника имеет с гидравликой/ Ко-
торая изучает законы движения русловых и подземных потоков и^тем
самым позволяет выяснить картину взаимодействия водного потока и
сооружения. * . . ' '
Кроме того, гидротехника связана с целым рядом строительных наг
ук — геодезией, геологией и гидрогеологией, механикой грунтов, сопро-
тивлением материалов, строительной механикой, организацией и техно-
логией строительного производства и др., которые дают сведения, необ-
ходимые для правильного выбора месторасположения сооружений,
выбора материала конструкций, метода расчета, прочности и устой-
чивости, обоснования приемов организации и производства работ, вы-
бора строительных машин и механизмов с учетом существующих про- ;
грессйвных и индустриальных методов возведения гидротехнических со-
оружений.. * .'
Особенности и условия работы гидротехнических сооружений. В от-
личие'от сооружений промышленного и гражданского строительства гид-
ротехнические сооружения постоянно связаны с водой, находящейся в
покое или в движении, соленой или пресной, которая оказывает на них
различные механические, физико-химические, и биологические воздей-
ствия. . . . -.. s
Механические дейст в к диръэрружёния делятся На
статические и гидродинамические,СтатичефЙм воздействиям относят- '
сяг гидростатическое давление водй; давлеЗЙе ледяного покрова, воз- .
никающее при повышении температуры льДИ; давление грунта, находя- <
щегося за береговыми.устоями и подпорными стенками; давление нано-
сов при их отложении перед гидротехническими сооружениями и .др. '
10
Основное из этих- воздействий-—горизонтальная-составляющая гидро-
статическоЕа^аавленма^ воды, стремящаяся сдвинуть сооружение по его
основаниях". ~ ' ....................... ~ -
Гидродинамическое давление воды проявляется в виде удара
струй, льднн и плавающих тел, движущихся с большой скоростью;
в виде ветровых волн; гидравлического удара; давления фильтра-
ционного потока, образующегося под гидротехническими сооружения-
ми. Кроме того, в районах, подверженных землетрясениям, гидродина-
мическое давление возникает и в результате' действия сейсмических
сил и др. .
Физико-химическое воздействие воды проявляется
также во многих видах: истирание поверхностей Вооружений потоком,
особенно при наличии в воде наносов; коррозия металлических элемен-
тов; .разрушение бетона под действием агрессивных вод или периодиче-
ского замерзания и оттаивания воды в трещинах; кавитация, образующая-
ся в зонах вакуума при обтекании сооружения потоком с большими
скоростями; механическая или химическая суффозия грунта под гидро-
техническими сооружениями, возникающая под воздействием фильтраци-
онного потока, и др.
Биологическое действие воды сказывается на материа-
ле сооружений вследствие деятельности живых организмов, обитающих
в водной:^р^де* И заключаемся Е^гниении деревянных частей, зарастании
истачивании Элементов со^рУЖ'ёний различными организ-
мамиморским шашнем, камнеточцем й др.
Такое многообразие воздействий воды на гидротехнические соору-
жения вынуждает часто принимать необходимые меры по защите нх ма-
.^териала, а также дснований и береговых примыканий от возможных раз-
З^Ушений, ,
£ Возведение гидротехнических сооружении тесно связано с местны-
-мйвриродными условиями (топографическими, гидрологическими, гео-
логическими и др.), которые весьма разнообразны и оказывают решаю-
щее влияние на выбор типа, конструкций, размеров и схемы компоновки
узла сооружений, обеспечивающих минимальные стоимости и сжатые
: сроки строительства при высоком качестве работ.
Гидрефыщи.ческое строительство оказывает большое влияние на эко-
номику И Яр!|юдные условий значительных территорий. Гидростроители
во многих е^прях являются, пионерами освоения малообжитых районов
страны, строителями яовых грродОв, Путей сообщения и различных пред-
приятий, которые^иПоследствиЮслужат базой для промышленного раз-
вития многих прилегающих районов-. Подпор водь! от крупного гидро-
технического сооружения распространяется на большие расстояния,
иногда на сотни километров вверх пофеке, при этом затопляются огром-
ные площади земель, ^ подготовку которых к затоплению затрачива-
ется большие средства:
Водоподпорные сооружения удерживают огромные запасы воды.
В случае аварии сооружения в нижнем бьефе образуется фолна напол-
нения большой разрушительной силы [37, 38, 39, 40], котора'я может вы-
звать гибель многихлюдей н нанести значительный ущерб ^расположен-
ным ниже населенным районам. Это обстоятельство накладывает осо-
бую ответственность на гидротехников при производстве изысканий,
проектировании, возведении и эксплуатации гидротехнических сооруже-
ний, поэтому указанные р^боГы надо выполнять так, чтобы была иск-
лючена возможность авария^.
Возведение гидротехнических сооружений связано с выполнением
больших объемов работ, особенно при строительстве крупных ороситель-
ных систем, гидроузлов и судоходных каналов большой протяженности.
В таблице 1 приведены объемы земляных н бетонных работ на неко-
торых гидротехнических стройках СССР.
' 2* ' Ц
Таблица 1
Наименование объекта. Объемы работ, тыс. м3
земляных бетонных
Донская оросительная система ...... Главный Туркменский канал . Цимлянский гидроузел . Волжская ГЭС им. В. И. Ленина .... Волго-Донской канал им. В. И. Ленина .... Канал имени Москвы . . 18 500 300000 81 350 190000 ' 152100 153658 42 1500 1908 7400 2960 2900
Успешное выполнение та'
ких объемов работ в,, короткие
сроки возможно только при
максимальной механизации
трудоемких процессов, рено-
ванной на широком использо-
вании современных высокопро-
изводительных строительных
машин и установок.
.Взаимодействие водопод-
порного сооружения и русло-
вого потока. К основным водо-
подпорным сооружениям отно-
сятся прежде всего плотины,
которые перегораживают реч-
ной поток и поддерживают. в верхнем бьефе более высокий уровень
(УВБ), чем в нижнем бьефе (УНБ)'. Разность этих уровней, называемая
напором, играет основную роль во взаимодействии потока и соору-
жения.
Рис. 1. Схемы взаимодействия водоподпорного сооружения и руслового потока:
а и б — схемы гидравлического режима водопропускной щитовой и Летоннойлдлотин; в — схема про-
тивофнльтрацнониых и ^гасящих энергию устройств щитовой плотины на нескальном основании;
/ — понур; 2 — шпунт; 3 — водобой; 4.— водобойный колодец; 5 — рисберма; 6 — береговйе устои;
7 —бык; 8 — плоский затвор; 9 — служебный мост; 10 — подъемник; I/— сегментный затвор.
Подъем уровня воды в верхнем бьефе, достигающий нескольких де-
сятков, а иногда и более ста метров, вызывает изменения естественного
режима руслового потока и грунтовых вод в районе строительства.
В связи с создаваемым напором сооружение воспринимает гидро-
статическое давление воды, Стремящееся сдвинуть и опрокинуть его в
сторону нижнего бьефа.
В верхнем бьефе подпорных сооружений вследствие увеличения глу-
бин скорости течения уменьшаются. При подходе к водосбросным от-
12
верстиям скорости О] значительно возрастают (рис. 1) и могут вызвать
размыв дна, во избежание чего приходится устраивать специальное
крепление дна — понур.
При прохождении потока через водосбросные и водосливные отвер--
•стия скорости достигают максимальной величины v2 и оказывают дина-
мические воздействия на сооружение, усиливающиеся в результате воз-
никающих пульсаций потока.
При выходе потока в нижний бьеф скорости течения v3 тдкже могут'
быть значительными (10—20 м/сек,, а иногда и более). Кинетическая
энергия потока, поступающего в нижиий бьеф, приводит к размывам
дна. В связи с этим необходимо принимать специальные меры по за-
щите сооружения от опасных размывов-. Для этого на дно нижнего
бьефа укладывают массивную плнту—-в од об ой, а за ним устраивают
более легкое проницаемое- для воды крепление — рисберму, в пре-
делах которой скорости потока снижаются до величин, безопасных для
отводящего русла.
Создание напора вызывает е основании сооружения фильтрацию во-
ды. При движении воды в грунте может происходить химическая и ме-
ханическая суффозии, контактный размыв поверхности грунта по стыку
подошвы сооружения с основанием и выпор грунта в зоне выхода филь-
трационного потока в нижннй ’бьеф. Эти явления могут привести к воз-
никновению и развитию опасных фильтрационных деформаций грунта
и к нарушению устойчивости сооружения. Для предотвращения воз-
можных Деформаций грунта основания необходимо принимать соответ-
ствующие мёры, которые в основном заключаются в снижении давле-
ний, уменьшении скорости движения путем удлинения путей фильтрации,
устройством водонепроницаемого понура, шпунтовых стенок, водобоя,
дренажных устройств и др.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
. Гидротехнические сооружения различных отраслей водного хозяй-
ства, которые возводят в самых разнообразных климатических, гидроло-
гических и геологических условиях, характеризуются большим разно-
образием типов и конструкций. Поэтому для облегчения изучения их
систематизируют и группируют по ряду характерных признаков: а) об-
служиваемой- .отрасли водного -хозяйства, б) условию использования,
в) назначению, г) капитальности, д) конструкциям и др.
По обслуживаемой отрасли водного хозяйства гидротехнические
сооружения бывают;- . »
м е л и о р а т и в н ы е, предназначенные для орошения, осушения
и обводнения земель (водозаборы, насосные станции, оросительные и
осушительные каналы и сооружения на них);
гидроэнергетические, служащие для использования водной
энергии (здания гидроэлектростанций, напорные бассейны, уравнитель-
ные камеры, безнапорные и Напорные деривационные сооружения и др.);
воднотр экспортные — для целей судоходства (судоходные
шлюзы и каналы, судоподъемники, морские порты, речные пристани
и причалы, ^волноломы, м$лы и др.) и лесосплава (запани, боны, лесо-
таски, лоТки, бревноспуски, плотоходы и др.);
водопроводные и канализационные — для целей водо-
снабжения (водозаборы, водоводы, насосные станции, водонапорные
башни, резервуары, каптажные сооружения, очистные устройства, лив-
неп ров оды, коллекторы и др;);
рыбохозяйственные — рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоход-
ные шлюзы, рыбоводные пруды и др.
По целевому назначению и характеру выполняемых функций гид-
ротехнические сооружения можно подразделить на следующие основ-
ные виды:
13
водоподпорные, создающие и воспринимающие подпор воды
(плотины, дамбы, запруды и другие сооружения, перегораживающие
водный поток);
р ет ул и р о в о ч н ы е (выправительные) — для регулирования
взаимодействия речных потоков с руслом, регулирования воздействий
волн й течений на берега морей, озер, водохранилищ (струенаправляю-
щйе дамбы, шпоры, запруды, полузапруды, донные и поверхностные
струенаправляющие. системы, дно- и берегоукрепительные сооружения,
ледозащитные и волнобойные сооружения);
в о д о з а б о р н ы е—для забора воды из источника питания (водо-
тока, водоема);
водопроводящие — для пропуска по ним воды из одних пунк-
тов в другие (каналы, трубопроводы, лотки, туннели и др.);.
водосбросные — для сброса или полезных попусков воды из
водохранилищ, прудов, каналов и др. -
По условиям использования все гидротехнические сооружения ме-
лиоративных систем, гидроэлектростанций и речного транспорта, соглас-
но СНиП, разделяются на постоянные и временные [165, 168].
К постоянным сооружениям относятся сооружения, используе-
мые при постоянной эксплуатации объекта, а к временным те, кото-
рые используются в период строительства объекта, времейной его экс-
плуатации или ремонта.
Постоянные гидротехнические сооружения в зависимости от их зна-
чения в объекте строительства разделяются на основные «второ-
степенные. . '
К основным относятся гидротехнические сооружения, прекра-
щение работы которых в случае ремонта или аварии влечет за собой пол- ’
ное прекращение работы системы или значительно сокращает эффект ее >
действия. '
К второстепенным относятся сооружения и отдельные их'Ш-
сти, прекращение работы которых не вызывает последствий, указанных
для основных сооружений (ремонтные затворы, служебные мостики, не-
сущие нагрузки от подъемных механизмов, ледозащитные устройства
и т. п.), ' "
По значимости для народного хозяйства постоянные гидротехниче-
ские сооружения мелиоративных систем, гидроэлектростанций"и речного
транспорта разделяются в соответствии с - главой СНяЙ II-A.3-62
и П-И.3-62 на четыре класса капитальности, которые устанавливаются
в зависимости от производственной эффективности (площади мелиори- .
руемых земель, мощности гидроэлектростанций и Д|й| и роли сооруже-
ний в гидроузле.
Классы капитальности сооружений мелиоративных систем/, приво-
дятся в таблице 2. '
Таблица 2
Площадь мелиорируемых земель, обслуживаемая сооружением, тыс. га — — - ' классы постоянных сооружений
орошение | Осушение второстепенных
400 и более .4. и III
От 50 до 400 50 и более ш IV '
.Менее 50 Менее 50 IV ,
ч. • -J . .«XSHj-WV'..", - ...

Примечание. .Коглажй^ротехническое сооружение
мелиоративной системы'учййгаует-всоадани^^дйора, его класс повыша-
ется на единицу. <
Временные сооружения относятся к V классу капитальности. Уста-
новление класса капитальности имеет важное значение, так как для
14
каждого класса сооружений имеются дифференцированные требования
к определению: состава и объема изысканий и проектирования; расчет-
ных расходов и уровней воды, пропускаемой через сооружение; коэффи-
циентов запаса в расчетах по прочности и устойчивости; вида и качества
строительных материалов в конструкциях и др.
По условиям работы и строительства гидротехнические сооружения
делятся на речные и внутрисистемные.
Рис. 2. СШйЗ расположения гидротехнических сооружений на оросительной системе:
1 судоходиЙ®йзЛюз: 2 — пЛотяятц -У— промывйой Пролет плотины; 4—раздельная стенка: 5—отстой-
кик-кармай; '6:-3^>ловнос (змжужеяве йроситчлыгойг-риетеиЫ; 7 —ГЭС; 3 — берегоукрепительное со-
оружение; 9^агястральИИЯ ИДВал; 10 — Л j-лодлораоесооружеиие на маги-
стральном Йй'наяе;,12 — регулятор межхозяйвягеяибгб р&ифеделнтеля; 13 — регулятор хозяйственного
и:участкового распределителей; 14 — подпорное сооружение • межхоЙяйственного распределителя;
IS — временный оргйяЙЕйь; 76 —выводные борозды р сифонами; П — 'сбросной' канал; 18 — хозяйст-
венный или участковыя-'распределительный канал; 1S — поливной участок;?# — акведук нлн дюкер;
21 — перепад или быстроток.
Речные сооружения, расположенные в реке или в непосредственной
близости от нее, -всегда связаны с естественным неустановйвшимся ре-
жимом используемого руслового потока, а внутрисистемные (или, кратко,
сетевые) сооружения, как правило, проектируются для условий пла-
нового режима, установленного в соответствии с требованиями проводи-
мого водохозяйственного мероприятия. От указанного различия в зна-
чительной степени зависят методы проектирования, условия строитель-
ства и особенности эксплуатации этих групп сооружений.
В группу речных сооружений в общем случае при комплексном ре-
шении водохозяйственных задач могут входить:
1) плотины глухиеWводопропускные;
2) водосбросы и вОаавыпуски;
3) водозаборные ^йВоужения и устройства;
4) здания гидроэлектростанций;
5) судоходные шлюзы, плотоходы, бревноспуски;
6) рыбоходы и рыбоподъемники;
15
7) сооружения и устройства по борьбе с наносами (отстойники, про*
мывники, струенаправляющие системы и др.);
8) сооружения по регулированию русел рек;
9) ледозащитные и шугосбросные сооружения.
Основные внутрисистемные ирригационные сооружения обычно де-
лят по их назначению на следующие-три группы: -регулирующие,
водопроводящие и сопрягающие (рис. 2).
В группу регулирующих сооружений входят: во до вы пуски (или
регуляторы) и вододелители, предназначенные в основном для ре-
гулирования расходов воды; подпорные сооружения, устраиваемые
главным образом для регулирования уровней воды; промывные
и сбросные устройства, имеющие специальное и смешанное назначе-
ние; водомеры (автоматы, полуавтоматы, счетчики), предназначен-
ные для измерения и учета подаваемой воды в систему, последние яаще
всего являются оборудованием при водовыпусках и подпорных соору-
жениях.
По возможности регулирующие сооружения при строительстве объ-
единяются для удобства эксплуатации и составляют узел регуля-
торов.
К водопроводящим сооружениям на каналах относятся: акведу-
ки, дюйеры, лотки, трубы, туннели и. ливнеспуски,
которые устраивают при переходах канала через различные препят-
ствия, встречающиеся на его трассе.
Сопрягающие сооружения устраивают на каналах при больших
уклонах местности. Они предназначены для гашения избытка энергии
воды, появляющейся в результате сброса ее с некоторой высоты на ко-
ротком участке.
Наиболее характерные типы сооружений этой группы: перепады,
быстротоки, трубы, коне о ли и др.
На ирригационных каналах могут быть построены и другие гидро- -
технические сооружения, как, например, внутрисистемные отстойники,
гидроэлектростанции, судоходные шлюзы, мосты и др.
По конструкциям и материалам гидротехнические сооружения мо-
гут быть земляными, бетонными,'каменными, железобетонными, дере-
вянными и комбинированными.
Деревянные сооружения в основном строят в районам богатых ле-
сом. На крупных гидротехнических стройках дерево широко использу-
ют для возведения временных и вспомогательных сооружении и как под-
собный материал в опалубочных работах.
Металл широко применяют при строительстве мостов, трубопрово-
дов, затворов гидротехнических сооружений и как арматуру в различ-
ных железобетонных конструкциях и сооружениях.
§ 3. ГИДРОУЗЛЫ И ГИДРОСИСТЕМЫ
Общий комплекс ,гидротехннческцх сооружений, объединенных по
расположению и условиям их совместной работы, называется гидро-
узлом.
В зависимости от основного назначения, определяемого по ведущей
отрасли водного хозяйства, различают: водозаборные, энерге-
тические, воднотранспортные и другие гидроузлы. Гидроуз-
лы чаще всего бывают комплексными и в зависимости от основных на-
значений называются в о д о з а б о р н о - э н е р е т и ч е с к и м и, транс-
портно-энергетическими и т. д. (рис. 3, 4, 5).
Речные гидроузлы, создающие подпор на реке, называются на-
порными (или плотинными), а при отсутствии подпора — безна-
порными (или бесплотинными).
16
Рис. 3. Схема Цимлянского гидроузла:
/ _ эксплуатационный поселок; 2 — водосливная плотина; 3 — рыбоподъемник; 4—гидроэлектро-
станция;*— земляная плотина; 6 — дамба; 7 — аванпорт; 8 — причалы порта; 9— населенный пункт;
10 — головное (водозаборное) сооружение; // — Донской магистральный канал; 12—судоходный шлюэ
№ 14; 13 — судоходный шлюз № 15; 14 — судоходный канал; 15 — маяк.
Рис. 4. Схема Федоровского гидроузла на р, Кубани (I вариант):
1 — канал спрямления; 2 — судоходный шлюз; 3 — плотина; 4 — рыбоходный шлюз; 5 — земляная
плотина; 6 — оросительный канал; 7—излучина реки, используемая в качестве отстойника.
17
В ряде случаев комплекс гидротехнических сооружений может
включать несколько гидроузлов, размещенных на значительной терри-
тории. Совокупность гидротехнических сооружений и гидроузлов, объ-
единенных территориально и служащих общим водохозяйственным це-
лям, называется гидротехнической системой или, кратко,
гид росистемой. ... J
В нашей стране построено много различных гидросистем. Имеются
крупные оросительно-обводнительные системы ‘ во -всех.' республиках
Рис. 5. Низконапорный гидроузел: - -. v
а —продольный разрез по осн гидроузла; план; f—-плотина; 2 —здание ГЭС;
3 — судоходный шлюз; 4 —причалы шлюза; а — раздельный устой; £ •^•береговой
устой; 7 — головное сооружение оросительной системы; 8 —-промывное отверстие:
• 9— магистральный канал.
Средней Азии, на Украине и Северном Кавказе (Северо-Крымская, Тер-
ско-Кумская, Петровско-Анастасиевская и др.). —
Одной из крупнейших на Северном Кавказе .является строящаяся
Кубань-Калаусская оросительно-обводнительная' система, которая с по-
мощью многих своих узлов- сооружений будет обеспечивать орошение
200 тыс. га земель, обводнение и водоснабжение 3 млн. га и охватывать
23 засушливых административных района Ставрополья.
Существуют гидроэнергетические системйг (например, комплекс
гидростанций на р. Чирчик в Узбекистане, на р. Большая Алма-Атин-
ка в Казахстане, на р. Зани в Армении и др.-).,- системы водоснабжения
(например, водоснабжение Донбасса),- судоходные системы (Беломор-
ско-Балтийская, Волго-Балтийская и др.). ^7-
ПострЬено много и комплексных гидросистем, как, например, упо-
минавшиеся каналй имени Москвы, Врлго-Донской им. В. И. Ленина;
комплексы гидроэлектростанций, воднотранспортных и ирригационных
сооружений на реках Днепре, Волге — Днепровский и Волжский каска-
ды и др. • - - >. - ‘
18 , -: - <
Гидроузел на р. Терек для забора воды в Терско-Кумскую оросительную систему
, (вид с нижнего бьефа). -
Каждое сооружение, входящее в состав гидроузла, должно иметь
паспорт установленной формы, отражающий его технико-эксплуатаци-
онное состояние.
Эксплуатация и ремонт сооружений ведутся в строгом соответствии
с правилами технической эксплуатации каждого из них. Всё сооружения,
входящие в состав гидроузла, имеют соответствующий штат, который
• устанавливается с учетом объема работы и ассигнования на их содер-
жание. Гидроузел возглавляет начальник, который'действует на основе
особой должностной инструкции и отвечает за исправность действия
всё*'-вверенных ему сооружений. _
При каждом гидроузле имеются необходимые жилые, гражданские,
культурйв^бытовые и прочие служебные здания и сооружения.
.'.ГМИНгй: ,
S ПРОЕКТИРОВАНИЕ ’ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
СООРУЖЕНИИ
§ 1. СИЛЫ И НАГРУЗКИ, действующие на гидротехнические
СООРУЖЕНИЯ ' %
Нагрузки, воздействия и их сочетания. На гидротехнические сорру-
. жения действуют весьма разнообразные нагрузки и силы, которые раз-
личаются по характеру воздействия, происхождению, продолжительно-
сти и повторяемости.
• По характеру действия силы бывают статические и динами-
ческие, а по продолжительности и повторяемости — основные^ по-
стоянно действующие ^условиях нормальной работы сооружения, слу-
чайные, действуюшиеддратковременно. и силы, действующие весьма
редко.
По происхождению и-физической природе силы и нагрузки разде-
ляются на следующие [168]: .
1) собственный вес сооружения с находящимися на нем устройства-
ми (мосты, затворы, различные подъемные механизмы и др.);
т - -
19
2) давление воды при нормальном подпорном уровне — статическое,
динамическое, волновое, фильтрационное, взвешивающее и пульсацион-
ное (рис. 6) ;
3) горное давление, давление грунта основания и берегов, а также
наносов, отлагающихся в верхнем бьефе у сооружения;
4) ледовые нагрузки и воздействия — статические (при расширении
ледяного покрова) и динамические (при ударе льднн в период ледо-
хода) ;
5) давление ветра;
6) давление снега;
7) тяговые усйлия, создаваемые подъемными, перегрузочными
и транспортными механизмами;
8) нагрузка от судов (в транспортных сооружениях);
9) силы, возникающие в результате объемных деформаций материа-
ла сооружения от изменения температуры, усадкй и разбухания бетона
и изменения влажности материала;
- 10) сейсмические воздействия, возникающие при землетрясении;
11) прочие силы в виде временных нагрузок от грузов, транспорта,
толпы людей и т. п.
При проектировании гидротехнических сооружений могут быть при-
няты различные сочетания действующих сил и нагрузок. Согласно
СНиП П-И.1-62, различают сочетания — основные (А) и осог
бые (Б).
Основные сочетания образуются из основных нагрузок и воздей-
ствий, указанных в пунктах 1—8.
Особые сочетания составляются из нагрузок и силовых воздействий,
указанных в пунктах 1—11. При этом взамен действующих сил, указан-
ных в пунктах 2, 4, 5, принимаются следующие: статическое давление
воды при форсированном подпорном уровне; давление фильтрационных
вод, возникающее в результате нарушения нормальной работы противо-
фильтрационных и дренажных устройств; давление льда, ветра и вол-
новые воздействия катастрофической (необычной) силы.
В соответствующих случаях к особым сочетаниям можно отнести
давление воды, возникающее в случае разрушения сооружений, или си-
лы, возникающие при разрушении части сооружения, а также нагрузки
и воздействия, действующие в период строительства, во время ремонта
и в процессе испытаний сооружений.
Сочетания нагрузок и воздействий устанавливают с учетом практи-,
ческой возможности одновременного их действия на сооружение.
20
При установленном сочетании для расчета гидротехнических соору-
жений принимаются самые невыгодные комбинации сил и нагрузок и
в зависимости от класса капитальности сооружений назначают различ-
ные коэффициенты запаса на прочность и устойчивость. Для конкретно-
го сооружения при учете только сил группы А (сочетания по основным
силам) коэффициенты запаса будут наибольшими, а при учете сил по
особым сочетаниям — наименьшими.
Указания по определению величина сил и нагрузок. Собствен-
ный вес сооружения G и находящихся на нем устройств опреде-
ляется по известны*! размерам и объемному весу строительных материа-
лов. В некоторых случаях собственный вес сооружения или отдельных
его элементов может быть определен по эмпирическим формулам (на-
пример, вес затворов).
Гидростатическое Wi, W2, W3, W4 игидродинамиче-
с к о е давления определяются по общеизвестным формулам гидравли-
ки. Гидродинамическое давление на ту или иную поверхность сооруже-
ния зависит от условия обтекания, скорости движения воды, площади
и угла, образуемого направлением струи с плоскостью, воспринимающей
удар струи. Величины динамических сил, вызываемых пульсацией ско-
ростей потока, определяются экспериментальным путем или же оцени-
ваются приближенно по эмпирическим зависимостям.
Волновое давление возникает в результате воздействия
на гидротехнические сооружения ветровых й судовых волн, образующих-
ся в водохранилищах, реках и каналах, При этом вода оказывает на
стенки сооружения дополнительное (сверх гидротехнического) давление.
Величина этого давления зависит от размеров волны и характера взаи-
модействия волны и сооружения. Параметры волны (длина, высота) за-
висят от скорости ветра, продолжительности его действия, глубины
водоема и длины разгона. На характер взаимодействия волны и соору-
жения влияют глубина воды перед сооружением и угол наклона лицевой
грани стенки к горизонту.
Волновые воздействия рассчитывают согласно СН 288—64 [192].
.Фильтрационное давление И7ф возникает под сооружени-
ем в результате создания напора Н, то есть разности уровней верхнего
и нижнего, бьефЬв. Способы определения величины этого Давления из-
ложены в главе III.
Ледяной покров и отдельные льдины оказывают на гидротех-
нические сооружения различные воздействия: статическое — давление,
вызванное расширением сплошного ледяного покрова при повышении
температуры илЖ навалом ледяного поля, при его подвижке; динамиче-
ское— удар плавающих льдин; выдергивающее—при подъеме уровня
воды подо льдом, примерзшим к элементам сооружения; истирающее —
при движении льда.вдоль стенок сооружений и т.п.
. Статическое давление, вызываемое температурным расширением,
можно исключить, окалывая лед или поддерживая полынью у соору-
жения.
Ледовые нагрузки и воздействия рассчитывают согласно
СН 76—59 [185].
Давление грунта, горное давление и давление наносов на гид-
ротехнические сооружения определяют методами, известными из курсов
«Механика грунтов», «Основания и фундаменты» и др. При расчетах
следует руководствоваться СНиП II-A.10-62, П-Б.1-62, П-Б.2-62,
П-Б.3-62.
Снеговая и ветровая нагрузки, на конструкции гидро-
технических сооружений определяются так же, как и для других строи-
тельных конструкций, согласно СНиП II-A.11-62.
Сейсмические с илы возникают при землетрясениях-. Под
влиянием сейсмических колебаний основания в сооружении возникают
! 21
инерционные силы Рс, пропорциональные массе сооружения и сейсмиче-
скому ускорению. Кроме того, инерционные силы Wc проявляются в
массе воды верхнего бьефа и вызывают увеличение обычного гидроста-
тического давления. Аналогичное явление происходит и в массе грунта,
оказывающей давление на сооружение. Эти силы могут иметь любое
направление. -
Величина инерционных сил зависит от силр! землетрясения, оцени-
ваемой сейсмичностью в баллах, которая принимается по картам сей-
смического районирования.
В расчетах гидротехнических сооружений считают, что инерционные
силы приложены в центре тяжести конструкции и имеют направление,
при котором получаются наиболее неблагоприятные условия для устой-
чивости и прочности сооружения. Расчёт вооружений, ведут Согласно
СНиП II-А. 12-62. > . .
Остальные силы и воздействия (нагрузка от судов, толпы людей,
объемных деформаций материала и т. д.) определяют по соответствую-
щим нормам и стандартам.
§ 2. МЕТОДЫ ГИДРОТЕХНИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Из основных видов деятельности инженера гидромелиоративной
специальности (изыскание, проектирование,. строительств^ я эксплуата-
ция) проектирование является наиболее трудным и сложным, так как
при этом необходимо, предвидеть И'Предусмотреть всё .особенности Йро^
изводства работ, эксплуатации гидротехнических сооружений и выбрать.
> такой вариант иЗ многочисленных возможных решений, который был бы
наиболее приемлемым в технико-экономическом отношении. Следова-
тельно, для Проектирования гидротехнических. сооружений необходимо
владеть не только методами конструирования и расчета, но и быть хо-
рошим изыскателем, опытным производителем работ, знать производ
ственный процесс и условия эксплуатации сооружений гидромелиоратив-
ных систем.
При проектировании пользуются соответствующими СНиП, индук-
циями и указаниями, регламентирующими основные положенияпри
расчетах и выборе вариантов возможного решения рассматриваемой за-
дачи. В каждой крупной проектной организации^ кроме СНи^ имеются
различные инструкции, указания и правила Ведомственной! Характера.
Эти правила и инструкции не находятся в противоречии Q общегосудар-
ственными Строительными Нормами и Правилами и учитывают лишь
особенности той или Иной отрасли водного хозяйства. Ж
Для решения основных задач, связанных с проектированием гид-
ротехнических сооружений, гидроузлов и ’гидросистем, используются
различные методы исследования, например:. теоретический, эксперимен-
тальный (лабораторный, натурный), метод аналог^ вариантного про-
ектирования и др. . '
Теоретический метод является основным, так как при проектирова-
нии гидротехнических сооружений большинство Допросов решается на
его основе. у
Данные теоретических исследований и полненные при этом зависи-
мости и закономерности позволяют рассчитыйаТ-ь гидротехнические со-
оружения, то есть устанавливать их размеры, формы, прочность, устой-
чивость и условия будущей работы.
Лабораторные исследования применяют^^^ех случаях, когда рас-
сматриваемый вопрос ввиду его сложности вДеоретическом отношении
недостаточно изучен и рекомендованные расчетные зависимости являют-
ся приближенными. Лабораторные исследования обычно проводятся в
двух направлениях: 1) специальные опыть!^ процессе которых проверя-
ют те или иные положения теории или н®|основе серии опытов строят
теорию, и 2) лабораторное моделирование сооружений и конструкций,
при котором замеряют искомые величины на модели (скорости течения,
деформации, давления и т.н.)- . ~
Лабораторные исследования дают очень ценные результаты и поз-
воляют не только надежно обосновать проект конкретного сооружения,
но и развить теорию, содействуя, таким образом, прогрессу гидротехни-
ческого строительства. ,
В современных условиях в лабораториях проводятся в основном
следующие исследования:
гидравлические — для выяснения гидравлических условий ра-
боты отдельных сооружений или их комплекса; при этом изучают такие
вопросы, как движение воды в напорных и открытых водоводах, пропуск
воды через сооружения, сопряжение бьефов, гашение энергии потока,
компоновка-гидроузла, волновые явления и их воздействия на сооруже-
ния и берега, обтекание затворов и их вибрация, аэрация потока, обра-
зование вакуума, система питания судоходных и рыбопропускных шлю-
зов и др.;
русловые — для изучения русловых процессов и наносного ре-:
жима в связи с изменением бытовых условий при возведении гидротех-
нических сооружений и гидроузлов; здесь рассматривают такие вопросы,
как расстановка и плановое расположение руслорегулирующих соору-
жений, движение., наносов, деформация русла, защита сооружений от
подмыва, борьба с накосами в водозаборных узлах и т. п.;
фильтрационные — для уточнения характера воздействия
фильтрационного потока на сооружения и береговые примыкания;
напряжений и деформаций сооружений и их отдельных
элементов — для оценки прочности и устойчивости сооружений под воз-
действием статических и динамических нагрузок;
свойств грунтов — для оценки их как оснований и материала
Для тела сооружений;
строительных материалов — для выяснения и оценки их
Строительных свойств, изменения этих свойств во времени и др.
Натурные исследования проводят на построенных и строящихся со-
оружениях. Так же как и лабораторные, они заключаются в основном в
изучении, гидравлических, русловых и фильтрационных условий работы
сооружениях'напряжений и деформаций.
Натурные исследования позволяют контролировать состояние гид-
ротехнических сооружений, -свбёвремёйно предупреждать об угрожаю-
щих явлениях, улучшать эксплуатацию сооружений и проверять правиль-
ность .основных расчетных предпосылок и выводов лабораторных иссле-
дований. ’ '
Учитывая важность натурных исследований, на большинстве сред-
них и крупных напорных'гидротехнических сооружений устанавливают
необходимую для этих целей измерительную аппаратуру, которую за-
щищают от возможных повреждений в период строительства и в даль-
нейшем систематически контролируют.
Метод аналогий и повторения решений долгое время считался од-
ним из надежных в гидротехнике. Он заключается в повторном исполь-
зовании решения или конструкции, уже примененной на практике в
сходных с данным случаем условиях. Однако с развитием теоретиче-
ских и научно-экспериментальных исследований он утратил свое пер-
венствующее значение иь в настоящее время считается наиболее прими-
тивным методой гидротехники, но в отдельных конкретных случаях при
умелом применении может дать хорошие и надежные результаты.
Разновидностью метода аналогий и повторения решений является
метод типовых проектов, который широко используется в гидромелио-
, ратиВной Практике при проектировании и строительстве многочислен-
Г. ных однотипных сетевых сооружений.
23
Прибегая к методу аналогии и типовых проектов, нельзя забывать
о том, что нужно тщательно проанализировать соответствие природных,
расчетных и эксплуатационных условий для образца и проектируемого
объекта.
Метод вариантного проектирования заключается в рассмотрении не-
скольких вариантов возможного решения конкретной задачи и их тех-
нико-экономическом сравнении. Этот метод широко применяется при
проектировании как отдельных сооружений, так и гидроузлов и гидро-
систем. Однако выполнение вариантного проектирования было сопря-
жено с большой затратой времени, связанной с разработкой и сравне-
нием различных вариантов.
В современных условиях, при наличии весьма совершенных техни-
ческих средств проектирования, таких, как аналоговых и быстродей-
ствующих электронных цифровых вычислительных машин, этот вопрос
решается уже значительно проще и в короткие сроки. В связи с этим
несомненно, что метод вариантного проектирования будет применять-
ся значительно шире и займет ведущее место в решении многих сложных
задач гидротехники и водохозяйственного строительства.
Опыт использования электронно-цифровых вычислительных машин
(ЭЦВМ) показал, что применение их при проектировании комплексных
водохозяйственных систем позволяет не только ускорить и облегчить
процесс проектирования, но и качественно улучшить принимаемые про-
ектные решения, то есть добиться значительного .увеличения эффектив-
ности капиталовложений, затрачиваемых на сооружение гидроузлов и
развитие водохозяйственных систем.
§ 3. СТАДИИ И ВИДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ,
НЕОБХОДИМЫЕ ДАННЫЕ
Стадии проектирования. В общём случае на подготовительном
этапе гидротехнического проектирования составляют так называемый
технико-экономический доклад (ТЭД), то есть предвари-
тельную схему комплексного использования реки и ее крупных притоков
в целом. При этом выясняют возможные места для устройства гидроуз-
лов, намечают примерные их показатели, дают рекомендации по выбору
первоочередного объекта строительства, высказывают сметно-финансо-,
вые соображения о необходимых затратах и т. д.
Технико-экономический доклад составляют по материалам рекогно-
сцировочных изысканий и обследований. Он относится к внестадийному
проектированию и применяется только при подготовке к проектирова-
нию особо сложных и ответственных объектов.
Первая стадия проектирования представляет собой проектное
з а д-ащ и е. На этой стадии проектирования выясняют техническую воз-
можность и экономическую целесообразности намечаемого строитель-
ства. При этом рассматривают несколько вариантов расположения ство-
ра и компоновки сооружений гидроузла с составлением предваритель-
ной сметы по укрупненным измерителям. В дальнейшем один из
лучших вариантов, рассмотренных в проектном задании, утверждают и
намечают программу необходимых исследований для выполнения сле-
дующей стадии проектирования.
Проектное задание составляют на основе материалов рекогносциро-
вочных и дополнительных облегченных изысканий, литературных ис-
точников и др.
Вторая стадия проектирования — составление технического
проекта для выбранного варианта строительства. На этой стадии-по
материалам подробных изысканий выполняют все необходимые инже-
нерно-технические расчеты, определяют окончательные размеры соору- ,
жений, составляют проект организации производства строительных ра-
бот, устанавливают количество и параметры необходимого оборудова-
ния, а также составляют генеральную смету строительства.
Третья стадия проектирования — разработка рабочих черте-
жей всех строительных конструкций и их деталей, с подробными рас-
четно-пояснительными записками. На этой стадии проектирование ве-
дется весьма тщательно и сопровождается проведением строительных
(предпостроечных) изысканий и исследований.
Проектирование особо важных и ответственных гидротехнических
сооружений и гидроузлов может включать все перечисленные стадии,
и такое проектирование называется трехстадийным. В большин-
стве случаев число стадий проектирования сокращают, объединяя их,
как, например, ТЭД и проектное задание, технический проект и рабочие
чертежи. В этом случае проектирование называется двухстадий-
ным.
Проекты гидромелиоративного строительства разрабатывают в двух
стадиях — проектное задание и рабочие чертежи, а для систем пло-
щадью до 1000 га проектирование ведут в одну стадию.
Состав изысканий и исследований. Для правильного проектирова-
ния и успешного строительства гидротехнических сооружений надо
иметь нужные исходные данные. Для этого проводят гидротехнические
изыскания, и исследования, которые тесно связаны со стадиями проек-
тирования. Каждой стадии проектирования соответствуют определен-
ные работы, которые отличаются по составу, объему и тщательности
исполнения.
При сокращении числа стадий проектирования соответственно сни-
жается и число стадий изысканий и исследований.
Для проектирования и строительства гидротехнических сооружений
выполняют следующие виды изысканий и исследований:’
топографические (геодезические), в состав которых входит
съемка земной поверхности и водных пространств, необходимая для со-
ставления карты местности с показанием планового и высотного поло-
жения точек, и установление на местности точного положения сооруже-
ний согласно проекту;
гидрологические — для получения' необходимых сведений о ре-
жиме водотока (изучение уровней, скоростей течения, расходов воды,
режима.водного и твердого стоков, зимнего режима и др.);
геодрглч еские и гидрогеол о гич еск ие — для составле-•
ния геологической и гидрогеологической характеристики района строи-
тельства; ойй включают изучение прочности грунтов основания будущих
сооружений; режима подземных вод, глубины залегания и расхода (де-
бита) водоносных пластов, фильтрационных и физико-механических
свойств грунтов и т. п.;
строитель н о-п роизводст венные — для получения необхо-
димых сведений об источниках снабжения строительства электроэнерги-
ей, водой, топливом и строительными материалами, о возможности ис-
пользования имеющихся предприятий местной промышленности, связи,
путей сообщения и т. д. у
При проектировании и строительстве гидромелиоративных систем
проводят также подробные почвенные, геоботанические и климатиче-
ские исследования.
ъ>Виды проектирования. В гидромелиоративном строительстве при-
меняют в основном два вида проектирования — т и п о в о е и ин ди в и-»
дуальное.
Небольшие сетевые гидротехнические сооружения мелиоративных
систем являются массовыми и имеют много общего по условиям работы
и техническим нормам проектирования. Поэтому есть возможность сгруп-
пировать их по общим признакам и составить для каждого вида соору-
> жений технические типовые проекты.
25
В настоящее время типовые проекты имеются почти для всех основ-
ных сетевых сооружений гидромелиоративных систем.
Применение типового проектирования в работах по массовому строи-
тельству сетевых сооружений гидромелиоративных систем имеет боль-
шое практическое значение, так как при этом широко используются
сборные конструкции сооружений и до минимума сокращаются сроки
проектирования.
Существующие типовые конструкции сооружений имеют ряд недо-
статков: недостаточное гашение энергии потока в* нижнем бьефе, не-
удачные конструкции швов, угловатость формы элементов сооруже-
ний и др.
Речные водозаборные сооружения и некоторые крупные сооружения
на магистральных каналах ирригационных систем проектируют индиви-
дуально с учетом возможности применения стандартных и сборных эле-
ментов заводского изготовления.
Основные расчетные положения. Мелиоративные системы следует
проектировать комплексно во взаимной увязке с организацией сельско-
хозяйственного производства и территории, с инженерными коммуника-
циями и хозяйственными центрами. Они должны обеспечивать своевре-
менную и в необходимых размерах подачу воды или отвод ее для под-
держания оптимального водно-воздушного, солевого и питательного
режимов почвы с целью непрерывного повышения плодородия мелиори-
руемых земель.
Несущие конструкции гидротехнических сооружений рассчитывают
в соответствии с СНиП П-И.1-62 и П-И.3-62 по предельным состоя-
ниям:
первое предельное состояние — по несущей способности (по проч-
ности или устойчивости);
второе предельное состояние — по деформациям и перемещениям;
третье предельное состояние — по трещиностойкости (недопущение
образования или ограничение раскрытия трещин).
Расчет по прочности или устойчивости является основным,
его выполняют по расчетным нагрузкам для всех несущих конст-
рукций.
Расчет по деформациям ведут по нормативным нагрузкам и в тех
случаях, когда есть опасения относительно чрезмерных деформаций и
колебаний, препятствующих эксплуатации сооружений.
Расчет на трещиностойкость выполняют по нормативным или рас-
четным нагрузкам, в зависимости от характера влияния трещин на ус-
ловия эксплуатации.
• При расчете водопропускных сооружений гидроузлов расчетную ве-
роятность (в процентах) превышения наибольших расходов воды для
постоянных и временных сооружений принимают по таблице 3.
Таблица 3
Условия эксплуатации Класс постоянных сооружений Класс временных сооружений
I II III IV III IV V
Нормальные .......... 0,1 1,0 2,0 5,0 2,0 5,0 10,0
Чрезвычайные 0,01 0,1 0,5 1,0 1,0 —
Превышение гребня глухой плотины над статическим уровнем воды
в водохранилище при пропуске паводка, а также над расчетной отметкой
волны должно быть достаточным для того, чтобы не было перелива во-
ды через гребень. Это превышение определяется по таблице 4.
26
Таблица 4
Тип плотины Условия эксплуатации Превышение гребня, м
над статическим уровнем над расчетной отметкой волны
класс 1ЛОТИНЫ
1 1 11 III !V I 11 Ш IV
Земляная, на- бросная и из су- Нормальные Чрезвычай- 2,0 1,5 1,0 0,7 ’ 1,0 0,7 0,5 0,4
хой кладки ные 1,5 1,0 0,7 0,5 0,7 0,5 0,4 0,3
Бетонная, желе- зобетонная, ка- Нормальные Чрезвычай- 1,5 1,0 0,7 0,4 0,7 0,5 0,4 0,2
менная и дере- вянная ные 1,0 0,7 0,5 0,3 0,5 0,4 0,3 0,2
Раздел 2
ФИЛЬТРАЦИЯ ВОДЫ
ПОД ГИДРОТЕХНИЧЕСКИМИ
СООРУЖЕНИЯМИ
(гидротехнический расчет)
Глава III
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА
НА ФИЛЬТРАЦИЮ
§ 1. ЭЛЕМЕНТЫ ФЛЮТБЕТОВ И ЗАДАЧИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ
РАСЧЕТОВ
.у: -
Гидротехническое сооружение, создающее разность уровней верх-
него и нижнего бьефов и расположенное на водопроницаемом грунте ос-
нования, всегда вызывает движение грунтового потока под сооружением'
и в обход его под влиянием этой разности. В зависимости от степени
водопроницаемости грунта основания и самого сооружения возникает
различного характера взаимодействие между потоком и сооружением.
Если сооружение мало водопроницаемо (бетон, железобетон ка-
мень), а грунт представляет собой легкопроницаемую для воды
то грунтовый поток не имеет свободной поверхности и является За-
порным (рис. 7). Такой поток оказывает иа подошву сооружения гид-
родинамическое (фильтрационное) давление, изменяющееся от макси-
мальной величины, равной разности уровней Н плюс глубина воды в-
нижнем бьефе Hz (если она есть), до минимума, равного глубине воды
в нижнем бьефе Hz или при отсутствии воды в нижнем бьефе равно-
го нулю.
Если же сооружение само является фильтрующим (рис. 8) (земля-
ная плотина, дамба), то движение воды происходит через тело соору-
жения, при этом образуется свободная поверхность й движение будет/
безнапорным. Линия поверхности воды в земляном теле называете»
депрессионной линией или кривой депрессии.. ' /
В этом разделе рассматривается напорное движение грунтовыйвод.
под гидротехническими сооружениями, а безнапорное движение (через-
тело и в основании земляных плотин) рассматривается в гЛавё IX.
Напорное движение грунтовых вод под гидротехническими соору-
жениями происходит в непосредственном контакте с флютбетоМ, кото--
рый является частью гидротехнического сооружения й образует ложе-
для проходящего через него потока. В свою очередь, флютбет по усло-
виям работы делится на три части: понур, водобой, слив, или*
рисберму (рис. 9).
ГКону р_ укрег1ляет>руедо^потока пер^сооружевием-отразмыиа-ло-
верхностным потоком и, служит^связующим звеном между естественным
лбжём рекп~тппгт<анала~и собстГённо сооружением. Его устраивают из
водонепроницаемого материала: глины, глинобетона,, бетона, железобе-
тона, дерева и др. Вследствие_Водонепроницаемости..додур_удлиняет пуь
фильтрационному потоку-дод сооружением,гардения
напора и снижает действие его на водобойную чМть фдютбета, атйкже
уменьшает ^расход и скорости фильтрации Толщину понура назначают
по конструктивным соображениям7так как~он находится под двусторон-
ним воздействием воды: подземному давлению, направленному снизу-
вверх, всегда будет противостоять большее по величине воздействие во-
ды, направо енное сверху вниз. Длина понура определяется двумя усло-^
28 ' '
виями: иеразмываемостью русла перед понуром при пропуске воды че-
рез сооружение (водослив, щит, труба) и гашением напора фильтра-
ционного потока. При предварительной компоновке флютбеца длину
понура назначают в зависимости .от глубины воды и типа сооружения
примерно в следующих пределах:
регуляторы-водовыпуски и подпорные сооружения . . .
сопрягающие сооружения . ........................
промывные сооружения.............................
водосливные плотины .............................
деревянные плотины...............................
(0-2) Ях;
(2-3) Нй
(1-4) Нъ
(0-2) Не,
(1,5—2,5)
t
Рнс. 7. Напорное движение фильт-
рационного потока:
/ — понур; 2 — водобой; 3 — слив (рис-
берма); 4— подошва; 5—затвор; 6—эпю-
ра гидродинамических напоров на подо-
шву флютбета; 7 — водоупор.
Рис. 8. Безнапорное движение
фильтрационного потока:
I — депрессионная~ кривая: 2 — низовой
> 9ткос; 3 — гребеиь плотины: 4 — верхо-
вой откос.
- .Минимальную толщину глиняного и глинобетонного понура прини-
.мают: при Н|<5 м — 0,4—0,5 м; Н = 5—10 м — 0,5—0,6. м; при Н\>
>10 м— 0,75 >. В крупных сооружениях толщину нижнего конца по-
-»J¥Pa увеличивают до 1-^2 jh. Наибольшую толщину понура иногда при-
лммают.по-формуле: =0.75+0,05 Hi. Толщину понура цз суглинка
принимают -на 20—30% больше глиняного.
. 1 Для лучшего сопряжения понура с подводящим руслом в начале
.•его рекомендуется устраивать шпунт или верховой зуб глубиной не ме-
Jpee толщины понура.-
;> Сверху понур прикрывают защитным слоем из местного грунта. При
. больших донных скоростях ближайшую к отверстию сооружения часть
понура укрепляют мостовой, бетонными и железобетонными плитами на
слое гравия и песка.
Ё о д о б о й представляет собою собственно сооружение. Он пред-
назначен воспринимать удары падающей воды при переливах через во-
досливы и создавать безопасные условия протекания ее при увеличен-
ной скорости в зоне прыжкового сопряжения или при его отгоне. Водо-
бой, как водонепроницаемая часть, также ‘ служит средством гашения
напора фильтрационного потока. Вследствие- того, что давление снизу
всегда больше давления сверху, толщину водобоя рассчитывают из ус-
ловия устойчивости его против выпирающего воздействия подземного
^потока. Длину водобоя назначают по гидравлическому расчету и по ус-
ловиям размещения затворов, подъемников, служебного и проезжего
мостов, а при необходимости ее увеличивает как противофйльтрацион-
ййре средство для подземного потока.
29
Ориентировочно длину водобоя можно назначать в таких пределах:
для водовыпусков и подпорных сооружений ......(2—4) Hi,
для водосливных плотин и промывных сооружений..(3—5) Нц
для деревянных плотин..................... (2—3) Hi-
Сливная часть (слив), или рисберма, предназначена для
выполнения следующих четырех задач: 1) укреплять русло потока за
водобоем от размыва; 2) создавать свободный выход подземному по-
току, то есть она должна быть водопроницаемой; 3) тормозить донные
скорости и тем самым приближать распределение скоростей по живому
сечению к бытовому в конце рисбермы; 4) защищать лежащий под ней
грунт от вымыва подземным потоком и повышать устойчивость его про-
тив выпирания»
Для лучшего выполнения этих задач рисберму при необходимости
усиливают в нижней части обратными фильтрами, а поверхность устра-
ивают по возможности более шероховатой.
Конструкцию сливной части принимают из условия устойчивости ее
против размыва и вымыва поверхностным и фильтрационным потоком.
Длина слива должна быть достаточной для гашения скорости до
безопасных величин на размыв в отводящем русле. В случае большой
разницы в ширине отверстия сооружений и отводного русла при опреде-
лении длины слива (рисбермы) следует руководствоваться гидравличе-
ским расчетом растекания потока. .
Для увеличения длины фильтрационного пути’с целью умсныйей»Я '
уклона подземного потока устраивают зубья и шпунтовые стенки в пре-
делах понурной и водобойной части (рис. 7, 9).
Шпунтовые стенки ставят в начале понура, в стыке понура с водо-
боем (королевая) Для снижения фильтрационных давлений на водобой-
ную часть, а в конце водобоя — для уменьшения выходных скоростей
фильтрации. На основании анализа работы и оценки положительного и
отрицательного эффектов шпунтовых стенок П. Ф. Фильчаков показал,
что устройство небольшого шпунта или зуба в конце водобоя весьма
желательно и не вызывает опасного повышения суммарного противодав-
ления на водобойную часть, когда его глубина находится в следующих
пределах [199]:
,SB = (0,02^0,05)5, 41)
где 5В — глубина водобойного шпунта или зуба, м;
В — горизонтальная проекция водонепроницаемых частей флют-
бета, м.
Толщину водобойного зуба назначают конструктивно и обычно при-
нимают равной толщине плиты в конце водобоя.
Расстояние между понурной и королевой шпунтовыми стенками при-
нимают не менее суммы их глубин. Чаще всего королевый шпунт устраи-
вают большей глубины. Это же правило применяется при назначении
размеров королевого и водобойного шпунтов, последний желательно
устраивать щелевым.
На рисунках 7 и 9 показаны бесшпунтовая и трехшпунтовая схемы
подземного контура гидротехнического сооружения, под которыми про-
исходит напорное движение фильтрационного потока. За нижнюю гра-
ницу фильтрующего основания, если водоупор расположен на значитель-
ной глубине, принимается одна из линий тока, находящаяся на глубине
активной зоны фильтрации, то есть там, где подземный поток движется
из верхнего бьефа в нижний >с весьма малыми скоростями (рис. 9).
На основании фильтрационных расчетов нужно так запроектировать
подземное очертание гидротехнического сооружения, чтобы оно способно
было уменьшить расход воды под сооружением, снизить величину вы-А
зо ' V
ходной скорости фильтрации и уменьшить расчетное давление на по-
дошву флютбета до требуемых значений.
Не всегда эти три задачи имеют одинаковую актуальность. Расход
воды на фильтрацию под сооружением при малопроницаемых грунтах
может не играть существенной роли, и определение его в таком случае
носит лишь проверочный характер.
То же можно сказать о необходимости снижения давлений на водо-
бойную часть. Если водобойная плита флютбета достаточно массивна и
устойчива на скольжение,
то можно не стремиться к
снижению этих давлений,
но определить их для вы-
яснения безопасности ус-
ловий будущей эксплуа-
тации сооружения необ-
ходимо.
Скорость фильтрации
при выходе потока в ниж-
ний бьеф нужно прове-
рять всегда; если она
окажется больше допу-
стимой, то следует запро-
ектировать крепление
грунта за сооружением
или принять другие меры
для снижения ее до необ-
ходимых пределов.
Однако независимо от
Рис. 9. 'Напорное движение фильтрационного по-
тока под гидротехническим сооружением при
Т— ос;
степени актуальности той
или иной задачи при про-
ектировании подземного
контура нужно решить
/, 3, 5 — понурная, королевая и водобойная шпунтовые
стенки; 2— понур; 4— водобой; 6 — рисберма.
О—Г—2'—3' ...—12’ — подземный контур флютбета;
/—/ — условный водоупор на глубине активной зоны
фильтрации (Гакт).
все вопросы, связанные с
движением фильтрационного потока под сооружением, т. е. определить:
1) распределение давлений по подземному контуру сооружения;.
2) выходную скорость фильтрации;
3) фильтрационный расход. &
Главной задачей при фильтрационных расчетах можно считать опре-
деление давлений, так как скорость фильтрации и фильтрационный рас-
ход сравнительно легко определить, если известно распределение давле-
ний в области фильтрации под сооружением.
К настоящему времени теория движения фильтрационных вод и ме-
тоды расчета получили широкое развитие.
Предложенные многочисленные приемы и методы расчета по степе-
ни полноты и достоверности получаемых при расчетах результатов мож-
но разделить на следующие группы:
эмпирические, в которых дается весьма приближенный ответ по опре-
делению давления грунтовых вод на части сооружений. Сюда относятся
так Называемый способ линейно-контурной фильтрации (ЛКФ) и все
его разновидности;
теоретические, основанные на составлении и решении уравнений
-движений фильтрационных вод;
основанные на построении гидродинамической сетки движения экс-
периментальным — на приборах электрогидродинамических аналогий
(ЭГДА) —и графическим способами;
приближенные гидромеханические, основанные на упрощении ана-
литических решений. Сюда относятся метод фрагментов, метод коэффи-
циентов сопротивлений и др.
31
Здесь рассматриваются только несколько наиболее распространен-
ных приемов и методов фильтрационного расчета гидротехнических со-
оружений.
Более подробно эти вопросы изложены в специальной литературе
[184, 191, 198, 199, 219, 220, 221].
$ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ФЛЮТБЕТ
СПОСОБОМ ЛИНЕЙНО-КОНТУРНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
(2)
До опубликования теории движения грунтовых вод под гидротехни-
ческими сооружениями акад. Н. Н. Павловского в мировой практике
и в России для определения расчетных давлений на флютбет в основном
применяли метод линейно-контурной фильтрации. За границей автор-
ство этого метода присваивалось английскому инженеру Бляю, а в Рос-
сии еще задолго, до его опубликования ведущие инженеры применяли
в гидротехнических расчетах метод линейно-контурной фильтрации.
Предложенная Бляем эмпирическая зависимость для определения
необходимой длины развернутого контура флютбета имеет вид:
L = CH,
где С — уклонный коэффициент, зависящий от рода грунта;
Н—напор воды на сооружении.
Зависимость эта часто не оправдывалась и практика проектирова-
ния требовала более совершенных рекомендаций. .
Однако в малоответственных случаях проектирования ею до сих пор
пользуются.
Коэффициент С по рекомендации Бляя имел значения от 4 до 18.
В настоящее время при пользовании линейно-контурным методом
рекомендуется следующая таблица для выбора значений С.
Таблица 5
Грунты с Грунты С
Илистые . Мелкопесчаные Среднепесчаные Крупнопесчаные ..... Гравелистые 8 6 5 4 3,5 Г алечниковые . . ... Торф разложившийся . . . Торф нёразложившийся . . Лессовые Суглинистые 3 8 , 5 • 4—3,5 3,5—3,0
Из формулы (2) видно, что коэффициент С равен обратной величине
среднего уклона, являющегося отношением напора к суммарной .длине
.развернутого контура флютбета. Тдким_образом;~н'еза5внсимо от того,
из каких элементов будет состоять подземный контур (вертикальных
или горизонтальных)*, средний уклон в каждом частном случае остает-
ся одним и тем же, то есть предполагается, что распределение давле-
ний происходит по линейному закону. /
Этот метод носит такое название потому, что передвижение правой
линии тока из верхнего бьефа в нижний представляется происходящим
по контакту сооружения с грунтом основания.
При движении воды по контуру предполагается, что потере напора
не зависят от расположения элемента контура и пропорциональны Лишь
длине (рис. 9). ---
* Путь фильтрации для частицы, соприкасающейся с подземным контуром сооруже-
ния, считается вертикальным при обтекании шпунтов и наклонных линий (зубьев, .усту-
пов) с угдом наклона более 45°. Остальные линии подземного контура считаются гоои-
зонтальрыми путями фильтрации.
•32 . V • .
Путь частицы воды 0—Г—2'—3'—4'—5'—6'—7'—8'—9'—10'—11'—
12' вытягивается в одну линию, называемую развернутым контуром
флютбета, и считается, что на всем протяжении пути действующий на-
пор погашается равномерно, то есть падение напора происходит по пря-
молинейному закону. Поэтому эпюра давлений на развернутый контур
флютбета будет представлять собой прямую линию (рис. 10).
Давление в любой точке подошвы флютбета будет равно сумме
двух составляющих: взвешивающего давления уН2 и фильтрационного
давления yhx.
Если глубина воды в нижнем бьефе Н2 =0, то давление равно yh*.
Следовательно, по методу линейно-контурной фильтрации расчетное
фильтрационное давление равно величине напора, уменьшенной пропор-
ционально расстоянию от начала пути фильтрации до рассматриваемой
точки (при у = 1),тресть:
hx = = Н — Н (3)
Рис. 10. .Эпюра напоров на развернутый
контур флютбета, построенная по методу
линейно-контурной фильтрации (ЛКФ)
Несоответствие подсчитан-
ных по этому способу величин
давления в отдельных точках
контура измеренным на. дейст-
вующих сооружениях было за-
мечено давно. и были предло-
жены способы учета большей
эффективности вертикальных
путей против горизонтальных.
.. г - Американский инженер Лен
предложил вместо развернутой
длины L брать приведенную величину Lo, равную сумме длин вертикаль-
ных путей фильтрации и одной трети суммы длин горизонтальных путей
фильтрации, то есть:
- Ьо -.:/всрт+ЬЛ, (4)
- ’ о
„ Соответственно нужно брать и другой коэффициент Со, тогда равен-
ство (2) примет вид:-
я = ' (5)
где Ао—приведенная длина развёрнутого контура;
Со — укйонный коэффициент грунта по шкале Лена;'
Н напор на сооружении.
Эпюра давлений (в частном случае при H2==Q) будет представлена
также треугольники, но с основанием Lo вместо L, а расчетное фильт-
рационное давление будет:
hx = И 1х° = Н-Н^, (6)
- До
где'ЧХо — в зависимости от положения рассматриваемой точки также
будет- равно полной сумме длин вертикальных участков и одной трети
длин участков горизонтальных до расчетной' точки х, то есть:
' \ I I 4- — I .
х - . верт 1 £ гор
. Это предложение Лена в свое время расценивалось как шаг вперед
по сравнению с методом Вляя, но по существу оно также не позволяет
раскрыть внутренний механизм движения -фильтрационного потока. Су-
ществённое --..Изменение в распределений дайлёнйй вызывает различие
||йцльтрационнЬй способности тела плотины и грунта основания, если оно
недостаточно велико. Так, например, если в бетонной плотине наблю-
дается фильтрация, то чем меньше коэффициенты фильтрации бетона и
грунта основания различаются между собой, тем большее отклонение
от нормы имеют давления [126].
§ 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДАВЛЕНИЙ
НА ФЛЮТБЕТ
Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооруже-
ниями была разработана акад. Н. Н. Павловским с исчерпывающей пол-
Рис. II. Плоский флютбет (к рас-
чету по Н. Н. Павловскому):
а — незагаубленный; б — заглубленный.
нотой, но решение конкретных задач
было получено лишь для сравни-
тельно простых схем подземного кон-
тура:, для плоского флютбета, для
одношпунтового и двухшпунтового с
одинаково заглубленными шпунта-
ми (так называемого симметрично-
го). Но и для них формулы оказа-
лись сложными и для практического
Рис. 12. Схема движения грунтового пото-
ка по капиллярной трубке.
применения неудобными. Так, например, для простейшего плоского не-
заглубленного флютбета (рис. 11, а) формула для определения давле-
ний уже содержит обратные тригонометрические функции: 7-
hx = — arccos х, (7)
л
где hx—приведенный напор при Н\ = \ и Н2 = 0; *
х—координата точки на подошве флютбета.
Если такой же простейший флютбет будет заглублен (рис. 11,6), то
формула примет вид:
л-т[к5"(т
Thx, kx
<8>
где К. — полный эллиптический интеграл первого рода;
k — модуль эллиптического интеграла, равный Thb;
kx — дополнительный модуль.
Для более сложных очертаний подземного контура (.одношпунто-
вый и двухшпунтовый симметричный) результаты теоретических реше-
ний использовать весьма трудно из-за их математической сложности.
Н. Н. Павловским приняты" следующие положения и ограничения;
1) водопроницаемое основание однородно и фильтрация в нем под-
чиняется закону Дарси;
2) явление фильтрации установившееся и рассматривается плоская
(двухразмерная) задача.
В практике йекоторые действительные условия значительно отли-
чаются от сформулированных, но трудности теоретических решений не
позволяют снять эти ограничения.
Для того чтобы лучше уяснить теоретические основы и понять смысл
принятых допущений, явившихся вынужденной необходимостью при ре-
шении Н. Н. Павловским задачи о фильтрации, рассмотрим некоторые
положения этой теории, не прибегая к подробным математическим
выкладкам.
Представим себе движение грунтового потока происходящим по не-
которым капиллярным трубкам, одну из которых рассмотрим в произ-
вольном положении, то есть наклоненной под любым углом к горизонту
с постоянной по длине площадью поперечного сечения и с расположе-
нием координатных осей, как указано на рисунке 12.
Тогда da —dxdy, и расход воды через такую произвольную трубку
на основе уравнений Навье—Стокса можно представить следующей за-
висимостью [138]:
q = АРё ю2 J
М
где "
' А = f f/Ui, 3Десь У1 = —Z= ; -Ч=~“
J J / ® V “
Q—расход воды; -
p—плотность воды;
g—ускорение силы тяжести;
со— площадь живого сечения трубки;
р—коэффициент вязкости;
J — пьезометрический уклон, равный .
Зная, что v= = получим:
СО
К = (10)
.Имея также из вывода дифференциальных уравнений движения
жидкости при р= const - s
(11)
' " -- ' (12)
и сравнивая эти равенства с выражением К= & , являющимся функ-
Н
цией переменных величин х и у, замечаем, что лишь при /C=const,
-можно записать:
Ю)
дх '
то есть ввести К как зафиксированную постоянную величину под знак
частной производной (частного дифференциала).
А это значит, что функция (—/С/г), которую обозначают также <р=
= —Kh, имеет потенциал, так как частные производные по координатам
дают соответствующие компоненты скорости.
Из этого, в свою очередь, следует, что полный дифференциал тр-
кой функции равен сумме частных дифференциалов:
vx dx + Vy dy = dq),
(15)
или
vxdx-{- Vydy = d(-Kh).
Присоединяя сюда уравнение
ревности
^4-^=0
дх ду
и подставляя в него значения
нентов скорости
Эф Эф
vx = —; vu = —,
Эх у . ду
получим:
Э2ф , Э®ф = 0
дх?'ду2
можем заключить, что функция
(16)
нераз-
(17)
компо-
(18)
(19)
есть,
то есть уравнение Лапласа, и
функция гармоническая.
Возьмем теперь линию тока (рис. .13). . ' ,
Если выразить соотношение компонентов скорости и приращений по
координатным осям
УХ _ Уу
dx dy
откуда следует, что vydx—vxdy=0, (21)
и предположить,, что левая часть является полным дифференциалом
функции тока ф:
(20)
(22)
(23)
(24)
(25)
vy dx — vxdy — с!ф,
то по определению получим, что
Эф Эф
vu — —; vx = —-
у dx dy
Сопоставляя эти равенства с полученными ранее для компонентов 'ско-
рости функции ф (18), получим:
Эф _ Эф Эф Эф .
д ду'ду дх
Взяв вторые производные от компонентов скорости и юравнив их с
учетом предыдущих равенств (18, 23)..получаем: - Г"
д2Ф t, = q
дх2 ду2
то есть что сумма вторых частных производных по координатам от фун-'
кции ф также равна нулю или что функция ф также удовлетворяет урав-
нению Лапласа.
, Значит, функция ф гармоническая, а равенство накрест взятых част-
ных производных от функции тока ф и потенциальной функции ф свиде-
тельствует о том, что функции, эти сопряженные и. выраженные графи-
чески образуют взаимно ортогональную, сеть, которая и представляет
. собой гидродинамическую сетку движения грунтового потока в однород-
ной фильтрующей среде для плоских (двухразмерных) условий, если
функцией, потенциальной считать функцию ф *=—Kh, или напорную, а
функцией тока — функцию ф.
Ф
36
Интегрирование этих уравнений для простейших схем подземного
контура приводит к громоздким выражениям, а для более сложных и
вообще невыполнимо.
Метод конформных преобразований функций комплексного пере-
менного, использованный rl. Н. Павловским, позволил решить задачи
по сложности схем до симметричной двухшпунтовой включительно и
те ли1пь принципиально, а для практических целей эти решения были
переработаны акад. Е. А. Замариным в номограммы [79].
Проф. П. Ф. Фильчаков аналитическим путем решил задачи о филь-
трации для двухшпунтовых схем с понуром и без понура [198, 199].
Остальные задачи для более сложных схем Н. Н. Павловский реко-
мендовал решать с помощью прибора ЭГДА, а Е. А. -Замарип — с по-
мощью графического построения гидродинамических сеток.
§ 4. РАСЧЕТФИЛЬТРАЦИИ ПО МЕТОДУ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ
СЕТКИ
Гидродинамическую сетку движения грунтовых вод под гидротех-
ническими сооружениями можно построить графически. ' -7;
Если принять равными приращения напорной функции (потенци-
альной) и функции тока, то'гидродинамическая сетка (сетка движе- ,
ния) должна состоять из криволинейных квадратов. Это, кроме облег-
чения в пользовании построенной сеткой» служит еще и своеобразным
контролем правильности ее построения.
Принимая квадратность сетки движения обязательным условием,
можно следующим образом сформулировать требования, которые необ-
ходимо соблюдать при построении сетки:
а) линии токов и линии равных напоров должны пересекаться под
прямыми углами (быть ортогональны);
б) линии равных напоров в точках примыкания к контуру сооруже-
ния и к линии водоупора должны быть ортогональны;
в) линии токов в точках примыкания к линиям дна верхнего и ниж-
него бьефов должны быть также ортогональны;
г) сетка движения должна быть образована криволинейными квад-
ратами;
д) если линий водоупора находится на значительной глубине, то
линия-тока, расположенная на глубине активной зоны фильтрации, при-
нимаетснусловно за линию водоупора.
Присоблюдении этих несложных правил легко построить сетку
движения для любой схемы подземного контура, причем для каждого
отдельного случая сетка будет иметь определенное соотношение числа
поясов равных. Давлений и лент расходов (модуль сетки), то есть реше-
ние будет единстаенным. Это свойство сетки движения позволяет без
каких-либо пособии решать задачи о фильтрации для подземного
контура Любой сложности, с' точностью такой же, как при аналити-
ческом решении, потому что Наведенные от руки линии токов ш ли-
нии равных напоров при соблюдении перечисленных правил являются
графиками функций, которые аналитически имели бы сложные выра-
жения.
В соответствии с правилами построения сетки движения следует,
что линии равных напоров делят область фильтрации на пояса равных
напоров. В пределах каждого из них происходит гашение одинаковой
доли напора^Если, например (рис. 14), сетка имеет двенадцать поясов
равных напоров (П=12),-то в каждом из них гасится Одна двенадцатая
часть всего действующ^? на сооружении напора. Промежутки между
двумя соседними линжЖи токов' называются лентами расходов,
-и по условиям построения через, каждую ленту расхода проходит одина-
ковый расход. ' /
37
трех*
вод под
Число лент расхода на рисунке 14 равно четырем, так как за чет-
вертую ленту расхода условно принимается вся область фильтрации,
находящаяся за четвертой линией тока. Криволинейные квадраты, об-
разованные линиями токов и линиями равных напоров, обладают сле-
дующим свойством: чем меньше квадрат, тем больше скорость в данном
месте. В самом деле, доля
погашенного напора, при-
ходящаяся на каждый по-
яс, одинакова, а путь, пре-
одолеваемый частицей,
тем больше, чем большую
величину имеет криволи-
нейный квадрат, и поэто-
му величина скорости в
большом квадрате умень-
шается.
По мере удаления от
сооружения, а также меж-
ду шпунтовыми стенками
величина , криволинейных
квадратов заметно увели-
чивается.
Принято считать,, что
на некотором расстоянии
в глубину и в стороны от
сооружения фильтрация
почти полностью затуха-
ет. В соответствии с этим введено понятие об активной зоне
фильтрации, величина которой в глубину Такт равна примерно от 1,25В
до 0,5В, где В — длина водонепроницаемой части флютбета. Коэффици-
ент при В зависит главным образом от глубины забивки шпунтов: чем
больше эта глубина, тем большее значение имеет коэффициент. Отноше-
ние числа лент расхода Л к числу поясов напора П называют модулем
.сетки М:
Рис. 14. Сетка движения грунтовых
шпунтовым флютбетом:
0—1—2......8 — характерные точки подземного контура
(для развертки); а, б, в...н — линии равных напоров;
I, II, III. IV — линии токов. '
М = --
П
(26)
Для заданных очертаний флютбета и области проницаемого грун-
та может быть построена независимо от величины напора и коэффици-
ента фильтрации грунта основания только одна сетка, и модуль ее бу-
дет величиной постоянной.
Пользоваться построенной сеткой движения весьма просто. Она не
только помогает получить все нужные расчетные-величины, но и позво-
ляет проанализировать роль каждого элемента подземного контура
в составе всего сооружения.
На рисунке 14 четыре линии тока: первая линия тока — контур
флютбета (/— / или 0 — 8), а первая лента расхода между нею и вто-
рой линией тока (II— II), вторая лента расхода между линиями тока
II — II и III — III, третья — между III — III и IV—IV и четвертая — за
линией тока IV—IV. Расход воды за этой последней линией тока прини-
мают за одну ленту расхода.
Для вычисления элементов фильтрационного потока имеем следую-
щие зависимости.
Если сетка движения содержит П поясов, то в пределах каждого йз
них теряется напор, равный \Н = Н .П, и каждая произвольно взятая
линия равных напоров такой сетки будет соответствовать напору, если
считать за плоскость сравнения уровень нижнего бьефа:
38
Н=Н—п—,
х п ’
(27)
где п — порядковый номер линии равных напоров от дна верхнего бьефа.
При падении напора между линиями равных напоров на А// и рас-
стоянии между ними AL уклон грунтового потока в пределах одной
клетки будет равен:
поскольку значения A L в разных квадратах различны, то и уклоны бу-
дут разными.
Скорость движения определяют по формуле Дарси:
= = <29>
где К — коэффициент фильтрации грунта основания.
15. Эпюра гидродинамиче-
давлений (напоров) на раз- -
Рис.
СКИХ
вернутый контур флютбета сог-
ласно рисунку 14 (по
нат отложены напоры"
полного):
0—1—2. 3-4^5. еЛ—8 —
оси орди-
в долях от
вертикальные
пути: 2—$, 5—6 — горизонтальные пути.
Фильтрационный расход
одну ленту на один погонный
ширины сооружения (перпендикулярно плоскости чертежа) будет:
. . „&SH „ И
(30,
так как AS и АС в случае квадратной сетки движения равны и их мож-
но сократить.
При числе лент Л фильтрационный расход под сооружением на
единицу ширины будет:
q =± КдЛ = КН ^-. (31)
Полный расход под сооружением шириной В составит:
Q = KH~B. (32)
Построение эпюры давлений на развернутый контур флютбета по-
казано на рисунке 15.
По оси абсцисс откладывают в любом масштабе длину развернуто-
го контура флютбета 0^-1—2—3—4—5—6—7—8 (согласно рие. 14).
По оси ординфт также в масштабе, удобном для построения, нано-
сят число поясов равных давлений: слева в возрастающем цорядке и
справа в убывающем. На вертикалях каждой из характерных точек
(0, 1, 2 ... 8) откладывают величину остаточного (по левой шкале) или
погашенного (по правой шкале) напора в соответствии с числом поя-
сов равных напоров, находящихся от данной точки влево или вправо.
3 5
В точке 6, например, остаточный напор равен от всего, действую-
щего на сооружении (полного), а погашенный Вместо числа поя-
сов равных напоров,на оси ординат можно наносить шкалу в процен-
тах: слева от 0 до 100% и справа от 100% до 0.
Тогда с некоторым пересчетом при построении на эпюре будут по-
казаны остаточный и погашенный напоры в процентах от полного.
39
Эпюру напоров можно строить непосредственно на чертеже соору-
жения, а не на развертке его контура. На рисунке 14 показано такое
построение — линия АБД (она же является линией пьезометрической).
В нижнем бьефе на том же рисунке показано построение кривой изме-
нения выходных скоростей фильтрации Оф и суммарных расходов по ме-
ре удаления от сооружения.
Большая заслуга в разработке этого метода принадлежит проф. .
Е. А. Замарину, который ввел в расчетную практику сетку движения
грунтовых вод под гидротехническими сооружениями, разработав тех-
нику пользования ею. В настоящее время все большее и большее число
инженеров и техников пользуется этим надежным и простым средством
проектирования. -
Если при фильтрационных расчетах нельзя ограничиться решением
плоской задачи, а нужно решить пространственную,. то пользуются со-
ответствующим прибором ЭГДА. В ^некоторых случаях, когда-гидротех-
ническое сооружение имеет значительное протяжение, можно по не-
скольким характерным поперечникам решить плоскую задачу и потом
подсчитать осредненные значения расчетных величин для перехода к
пространственным условиям.
По вопросу об учете разнородности грунта основания теоретиче-
ские решения предложены академиком П. Я. Крчиной, Р. Дахлером
и др. G помощью сеток движения также можно получить решения
задачи о фильтрации при грунтах основания с разными коэффициента-
ми фильтрации. t
§ 5. Приближенные гидромеханические методы
РАСЧЕТА ФЛЮТБЕТОВ
Способ фрагментов акад. Н. Н. Павловского. Способ фрагментов,
предложенный Н.' Н. Павловским для решения задачи по фильтрации
для любых схем подземного контура, можно применять при конечной
глубине проницаемого основания, не превосходящей 5—10 глубин за-,
бивки низового (самого малого по величине) шпунта. —
Разделяя всю область фильтрации под сооружением на ряд отдель-
ных частей (фрагментов) вертикальными линиями, которые принимают-
ся за эквипотенциальные линии, и вводя понятие о приведенном фйльт-t
рационном расходе Qr, равном удельному расходу Q приусловии, что
Я=1 и Я= 1, получим: '
Q = KHQr, ’ (33)
где Q—удельный фильтрационный расход, то есть расход на единицу
ширины фильтрационного потока; ’
К — коэффициент фильтрации однородного грунта основания;
Я—напор (его также называют действующим ,напором);
Qr—приведенный фильтрационный расход, - -
Н. Н. Павловский называет величину, обратную приведенному рас-
ходу, суммарным модулем формы, а частные значения —— = Ф для каж-
дого фрагмента — модулями формы фрагментов, имея в виду, что по
условиям неразрывности движения через каждый фрагмент пройдет
один и тот же расход, но произведение КНп (Qz)„ будет состоять из
разных сомножителей для каждого фрагмента...
Учитывая, что Я„ в каждом фрагменте является величиной иско-
мой, a Qr зависит только от геометрической формы фрагмента, оказа-.
лось возможным с помощью гидромеханических и приближенных прие-
мов определить выражения для модулей формы некоторых типовых
фрагментов, из которых всегда можно составить или на которые можно
разбить намеченный к расчету подземный контур.
40
В самом деле, как и для всей области фильтрации Q = KHQr> так
и для каждого фрагмента будет справедливо равенство:
Q = КН1 (Qr\ = КН2 (Qr)2 = • • • = КН„ (Qr)„. (34)
Отсюда следует равенство и любых произведений Hn (Qr)n, принад-
лежащих одному й тому же фрагменту:
~ = (<ЭЛ = Ш =-- = нп (Qr)„. (35)
Л
Обозначая обратные приведенным расходам величины буквами с
соответствующими индексами —— = Фл и называя сумму модулей
(Qr)n
формы фрагментов Ф1 + Ф2 + - • • +ФП = 2Ф суммарным модулем фор-
мы, можно получить выражения для определения потерь напоров по
каждому фрагменту:
/Л = -^/7; Н2 = ^Н- • • • Нп = ^-Н. (36)
1 2Ф ’ 2 Ф ЪФ
Вычислив по формулам величины модуля формы каждого фрагмен-
та и сумму их, можно определить величины потерянного напора по
фрагментам и построить эпюру
давлений на развернутый контур
флютбета.
Акад. Н. Н. Павловский дал
формулы для семи типовых фраг-
ментов [137].
Последующие работы по при-
ближению к практике теории
Павловского велись в основном в
двух направлениях: чисто анали-
тическим методом (В. С. Козлов,
С. Н. Нумеров, П. Ф. Фильчаков
и др.) и приближенными способа-
ми (Р. Р. Чугаев, П. Ф. Фильча-
ков, С. Н. Нумеров и др.).
. Способ коэффициентов сопро-
Рис. 16. Схема разбивки на фрагменты
области фильтрации по методу проф.
Р. Р. Чугаева для трехшпуитового
флютбета.
тивления проф. Р. Р. Чугаева. Большую работу по усовершенствованию
способа фрагментов провел проф. Р. Р. Чугаев [219, 220, 221 и др.].
Назвав модули формы фрагментов Н. Н. Павловского коэффициен-
тами сопротивления, Р. Р. Чугаев сократил число типовых фрагментов
с семи до трех и дал более простые выражения для этих коэффициен-
тов. Кроме того, сж выделил в типовые фрагменты конструктивно обо-
собленные элементьгттодземного контура (рис. 16): вход и выход, внут-
ренний шпунт или уступ, горизонтальный участок.
Линии раздела фрагментов (эквипотенциали) Р. Р. Чугаев прово-
дит криволинейными, ближе подходящими к действительным линиям
равного напора (рис. 16).
Обозначая удельный фильтрационный расход q, а коэффициент со-
противления t, , можно написать:
Я = КН~, (37)
. Ьс
где Сс—суммарный коэффициент сопротивления.
Формула (37) в обозначениях Н. Н. Павловского равносильна его
основному уравнению:
Q.— KHQr=KH~.
2 Ф
азе)
4—J650
41
Потери напора на фрагментах по Р. Р. Чугаеву можно определять
по следующим зависимостям:
h'n = £„ — или hn = ; так как — = —. (39)
Ьс А Л be
Подсчитав по формулам значения коэффициентов сопротивления
для каждого фрагмента и просуммировав их, можно определить поте-
рянные напоры на фрагментах и построить эпюру давлений.
Существенным отличием способа Р. Р. Чугаева является также его
рекомендация относительно глубины водопроницаемого основания.
Проф. Р. Р. Чугаев считает возможным применять его способ для
определения давлений при условии, что Т фактическое больше Т' рас-
четного, определяемого в зависимости-от отношения lotSg (табл. 6).
Таблица 6
ч>0 5 5 4-3,4 3,44-1,0 1,04-0
т л расч 0,5 1в 2,5 So 0,8 + 0,5 /о So + 0,3 la
Здесь /о и So соответственно проекции подземного, контур а на го-
ризонталь и вертикаль. Если же Гфакт окажется меньше 7'расч , под-
считанного по этой таблице, то в расчет вводится Тфакт-
При подсчетах выходного
пьезометрического уклона при-
нимается:
Т** ОТ"
расч расч *
Формулы для определения
коэффициентов сопротивления
Рис. 17. Одношпунтовый флютбет:
а — схема обозначений: б — эпюра давлений.
с — длина меньшей в данном случае понурной ча-
сти флютбета; Ъ— длина большей (водобойной ча-
сти флютбета): s — глубина забивки шпунта, рав-
ная s'-г/, где t — толщина флютбета.
соб определения расчетных давлений
и условия их применения даны
в таблице 1.
К числу приближенных
способов определения Давле-
ний относится графоанали-
тический способ проф.
П. Ф. Фильчакова, который до-
статочно прост в пользовании,
но требует некоторых графиче-
ских построений и ~Не имеет
широкой публикации.
Определение расчетных
давлений методом сравнитель-
ной эффективности элементов
флютбета доц. П. Ф. Кононен-
ко. Предлагаемый новый с по-/
на подошву флютбета основан на
использовании построенных сеток движения при помощи прибора ЭГДА
для различных схем флютбета [99, 100].
Если поставить ряд экспериментов на приборё*ЭГДА, подобрав схе-
мы таким образом, чтобы они были практически целесообразными и по
возможности исчерпывали встречающйеся-при проектировании сочета-
ния и взаиморасположения отдельных элементов контура в компоновке
всей схемы, то можно найти связь искомых величин (давлений) с за-
данными или исхрдными геометрическими размерами. Степень точно-
сти расчета в этом случае будет зависеть от качества построения^ сеток
графически или на приборе ЭГДА.
42
Таблица 7
Тип фрагмента Схема фрагмента - Формулы для определения коэффициента сопротивления £ Условия применения формул для С
и* Вход й выход Г, 1 777777777 ША. 5 /////77/7/777777 72 Свх = Свых — Сшп 4” Свх — Свых = Сус 4* О>44 Свх = Свых —0,44 5^0 5=0; а =^= 0 5=0; а = 0
Внутренний шпунт и внутренний уступ /////////// a S Т2 Сшп — ,г + 1,5 4- с Л 1-0(75|- т8 a / S \ Ешп = z~ + 12 - —0,8) + 2,2 i 1 \ * 2 / а . Сус = Г2 0,5 < — <1,0 0<—<0,8 т2 0,5 < — < 1,0 Та 5 0,8 < — < 0,96 тг 5 = 0; а + 0; Если же и а = 0, то есть Т1 = Та = 7', то формулы упрощаются для Сшп
; ‘1 77/ а г/7/)/////7/////7
5 ! |2
////// /
Г оризонтальный участок — 1 s, ///////7/77777 Г У/////\/7/ г /-0.5(Si 4-Sa) эГОр ' tjp Crop 0 Crop — Если 1 > 0,5 (Si + Sa) Если / < 0,5 (Si 4-S2) Если Sj = 0 и 53 = 0
На основании подобранных таким образом одношпунтовых схем по-
лучена простая формула для определения погашенного напора на шпун-
те и дается рекомендация для распределения оставшейся части дейст-
вующего напора между горизонтальными участками.
На рисунке 17, а приведена расчетная схема и основные обозна-
чения.
Введя вспомогательные обозначения b' — b + t и c' = c + t, то есть уве-
личивая горизонтальные участки на толщину флютбета, обозначим от-
ношение суммы вертикальных участков к сумме горизонтальных, умно-
женное на отношение Ь' : с', буквой Ль
Лх =^2!£PT-^-, (40)
2 ^гор С
где
SLBepT = S' + S' = 2S';
X Егор = b -f- с' — b + t + c 1 = b + с + 2Л
Введем понятие об эффективности шпунта, обозначив буквой е от-
ношение погашенного на шпунте напора х, выраженного в процентах
от всего действующего напора, к развернутой длине шпунта z, выражен-
ной в процентах от всего развернутого контура:
е = —, (41)
z
где х— процент погашенного на шпунте напора;
z— процент развернутой длины шпунта в составе контура.
При этих обозначениях и Лх<1 формула для определения погашен-
ного напора примет вид:
если же Ki> 1, то принимается е = 1.
Пример. Дано: с=8 м, 6 = 10 м, 5 = 6 м, 1=1 м, Т = ~, S=5 м. Определить х.
10 11
Решение. 2 Сверх = 2-5=10 .и; 2Сгор = с' + 6=9+11 = 20 м; Ki— =0,61;
54-5 2/07бГ
2= 1П • 100=33,3%; е = —/ --- =0,97; х = г8 =33,3 - 0,97=32,4%.
10+20 1+0,61
Следовательно, на шпунте погашено 32,4% от Н, а на горизонтальных участках
хт = 100—32,4=67,6%.
Между понуром и водобоем давления распределяют пропорционально их длинам
с учетом толщины флютбета:
хг 67,6
*пон = хс = — с' = — 9 = 30,4%;
6 +с 20
хг 67,6
*вод = хв = — 6' =— И = 37,2% ... .
6 +с 20
По этим данным легко построить эпюру давлений (рис. 17,6).
Проверка результатов этого и других примеров по номограммам
Е. А. Замарина и графикам П. Ф. Фильчакова дает хорошее совпаде-
ние, и некоторые расхождения могут быть лишь за счет того, что в при-
веденных схемах флютбеты имеют реальную толщину (чаще всего t—
= 1 ?и), а номограммы и графики построены без учета толщины
флютбета.
Такой же методикой, то есть построением типовых сеток движения,
получена графическая закономерность для двухшпунтовых схем. За не-
зависимое переменное принята величина Ki, равная отношению суммы
вертикальных участков подземного контура к горизонтальному (для
44
общности в формуле тоже пишется сумма горизонтальных участков),
умноженному на отношение глубин забивки шпунтов, первого ко второ-
му (вернее, большего к меньшему):
__ -S ^-верт «Si
2 Lrop St
(43)
где SLBepT—сумма вертикальных путей: длин внешних и внутренних
граней шпунтов;
2Lrop—в двухшпунтовой схеме длина горизонтального участка
между шпунтами;
Sj и 32— соответственно глубина забивки первого и второго
шпунтов, причем Si>Sz, если же Si<S2, то и множите-
лем в формуле будет — вместо — .
31 02
б
Рис. 18. Двухшпунтовый флютбет:
а — схема обозначений; б —график для определения давлений (напоров) на подземный контур
флютбета; 1 — кривая для симметричных схем и для шпунта, большего по величине при несиммет-
ричных схемах; 2 — кривая для шпунта, меньшего по величине при несимметричных схемах.
Искомой величиной также остается
х
8 = —,
г
где 8 — эффект шпунта;
х— процент погашенного напора на шпунте;
z — процент, который составляет длина данного шпунта в составе
всего контура.
Для двухшпунтовых схем зависимость е=|(Д2) выразилась в фор-
ме расчетных графиков, где по оси абсцисс отложены величины а по
45
оси ординат — им соответствующие значения 81 и ег соответственно для
первого и второго шпунтов (рис. 18, б).
Если схема несимметричная, то есть глубина забивки шпунтов не-
одинаковая, то номером (индексом) первым обозначается шпунт, боль-
ший по величине, а номером вторым — меньший. Если же оба шпунта
имеют одинаковую глубину забивки (схема симметричная), то на рас-
четном графике (рис. 18, б) нужно пользоваться кривой для шпунта № 1,
то есть считать, что оба шпунта имеют,номер первый.
Пользование графиком ясно из следующего примера (рис. 18, а).
Н
участок N2
Рис. 19. Эпюра давлений (к рис. 18,а).
Пример. Дано 5 = 12 м, Sj—б м, S2=3 м, t=l м, Т=~. Определить Xi, хг и хг.
Решение. 1. Определение исходных величин:
Si + Si 6+5
zj = —1---1- • 100 =---22-----. 100 = 39,4%;
2L 6+5+12+2+3
$2 + S2 3 + 2
• 100 =----—------.100 = 17,8%;
6+5+12+2+3
6
— =2,67.
3
22 =
2L
„ __^^верт $! __ 6-j-5 ~4~ 2 -|- 3
2Lrop 12
2. Определение по расчетному графику величии S| и 82- Имея К2=2,67, по графику
на рисунке 18,6 определяем Bi= 1,35, Ва= 1,70.
3. Определение погашенных напоров по полученным данным:
на шпунте № 1 Xi=Z!8i = 39,4- 1,35=53,2%;
на шпунте № 2 x2=zs82= 17,8• 1,70 = 30,4%. Всего на шпунтах погашено Xi+x2=
=53,2+30,4=83,6%.
Следовательно, на горизонтальном участке гасится
хг = 100 — (x14-x2)= 100 — 83,6= 16,4%.. :
Попутно можно определить эффект горизонтального участка:
16,4 „ „
ег = —— =0,38
42,8
4. Построение эпюры давлений на развернутый контур флютбета (рис. 19).
Эти схемы можно проверить по графикам П. Ф. Фильчакова.
Если представить результат в наших обозначениях, то по графикам П. Ф. Филь-
чакова: Xi=53%; х2=32%; хг = 15%.
Расхождение, как видно, вполне удовлетворительно. ___ '
Для трехшпунтовых схем в результате'обработки эксперименталь-
ного материала, полученного на приборе ЭГДА, выявилась следующая
основная закономерность:
® = /(Аз), - (44)
выраженная в графиках для каждого из трех шпунтов.
Если обозначить 2£верт сумму всех вертикальных путей фильтра-
ции в трехшпунтовой схеме подземного контура, равную Si + SJ+S^H"
+S’+Sj +S3, то есть сумме длин двух сторон каждого шпунта, a SLrop
46
сумму двух горизонтальных участков, равную /пон плюс 1ВОЛ, и их от-
ношение буквой Кз, то получим:
, Кз = (45)
где в соответствии с рисунком 20, а имеем:
2 ^верт ~ + S1 + S2 + 52 + 53 + S3;
2 ^-гор 41ОН Н- ^ВОД С Ь.
Для каждого шпунта его гасительный эффект выражается е с соот-
ветствующим индексом:
х
е = —,
г
где х — процент погашенного напора на шпунте;
z— процент, который составляет развернутая длина данного шпун-
та в составе всего контура.
Для расчета трехшпунтовых схем получены две кривые и одна пря-
мая (рис. 20, б).
Пример. Дано: с = 10, 6 = 16 м, S] = 4 лг, S2=6 м, S3=3 лг, 6 = 1 м; t2=2 м;
6=1 м, 7=30 м. Определить Xi, х2, х3, хс и хь.
Р еш е н и е. Определение исходных величин:
- • ’ •$! + •$! 4 = 3
г* = •100=14’9%:
-8? 4“ -$2 5 + 4
г2 = ——------100=-—- -100 = 19,2%;
2j l, 4 /
S3 + S3 2+3
z3 = —--------- • 100= —— • 100 = 10,6%;
S L 4/
2 бверт = 4 + 3 + 5 + 4 + 2 + 3 = 21 л;
2 1-гор = Ю+ 16 = 26 м\
21
Л7з = — = 0,81;
S L — X 1-верт + S £.рор = 21 + 26 = 47 м.
Определение величин et, ег и е3. По расчетному графику (рис. 20,6) при К3—
=0,81 имеем:«1 =2,1; е2 =0,9; е3 =2,6.
Определение величин погашенных напоров по полученным данным:
на шпунте № 1
- *1 = гх ei = 14,9-2,1 =31,3%;
на шпунте № 2 ... ;
хг = г2е, = 19,2-0,9 = 17,3%;
на шпунте № 3
х3 = Z3E3 = 10,6-2,6 = 27,6% .
Всего на трех шпунтах погашено + +х2+х3=31,3+17,3+27,6=76,2%.
Следовательно, на горизонтальных участках погашено хг = 100—76,2 =23,8%.
Оставшийся напор распределяется между горизонтальными участками по следую-
щим формулам:
! с , 1 \ /10 1 \ ;
Хс== Д7Д ± V Хг= Дв “ V 23,8=5,2%
’ w о - о у \ лО Ь /
/ b . . • 1 \ /16 , 1 \
*ь= ~7Д ± т) xr = h~+ ~г )23,8 = 18,6%.
+ о 6 / \ 26 6 /
В этих формулах знак минус принимается
шпунт большей длины, а для другого участка в
для участка, к которому примыкает
этом случае нужно брать знак плюс.
47
Таблица 8
Элемент контура Условное обозначение потерь напо- ра на этом элементе Потери напора на элементах, выраженные в процентах
по графикам при Г—30 м по графоана- литическому способу П. Ф. Филь- чакова по способу Р. Р. Чугаева
при т—15 м при т=20 м 1 при 7=30 м
Шпунт № 1 . . *1 31,3 29,1 24,8 26,7 30,0
Понур .... Хе 5,2 7,8 11,0 10,4 9,1
Шпунт № 2 . . xt 17,3 19/5 18,8 16,9 14,3
Водобой . . . ХЬ 18,6 17,4 24,8 22,8 19,8
Шпунт № 3 . . Хз 27,6 26,2 20,6 23,2 26,8
Рис. 20. Трехшпунтовый флютбет:
а — схема обозначений; б — график для определения давлений на развернутый контур: / — для
шпунта № I (большего по величине из крайних); 2 — для центрального шпунта № 2; 3 — для шпун-
та № 3 (меньшего из крайних).
48
Построение эпюры давлений на развернутый контур флютбета показано на ри-
сунке 21.
Результаты, полученные здесь для трехшпунтовой схемы, можно сравнивать лишь
с результатами, получаемыми по приближенным способам, а именно: по способу коэф-
фициентов сопротивления Р. Р. Чугаева и по графоаналитическому П. Ф. Фильчакова,
так как точных способов определения давлений для трехшпунтовых схем нет.
Сравнения результатов, полученных для трехшпунтовой схемы данного примера,
с результатами, полученными для этого же примера по графоаналитическому способу
проф. П. Ф. Фильчакова и способу проф. Р. Р. Чугаева, приведены в таблице 8.
Как видно из этой таблицы, результаты, полученные по новому методу, вполне сов-
падают с результатами методов проф. П. Ф. Фильчакова и проф. Р. Р. Чугаева при
Т=30 м.
Подводя итоги рассмот-
ренным способам определения
давлений, можно сказать, что
для простых схем подземного
контура пригодны любые спо-
собы определения давлений,
так как их легко проверить об-
щепризнанными и теоретиче-
ски обоснованными средства-
ми (номограммы, графики,
формулы).
Трехшпунтовые и еще бо-
лее сложные схемы могут быть
разрешены с помощью графо-
аналитического способа проф.
П. Ф. Фильчакова или спосо-
ба Р. Р. Чугаева с контролем сеткой движения. Можно рекомен-
довать также изложенный здесь новый способ определения давлений:
для одношпунтовых схем формула (42), а для двухшпунтовых и трех-
шпунтовых схем расчетные графики, приведенные на рисунках 18,6
и 20, б.
Глава IV
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
НА ВОДОПРОНИЦАЕМЫХ ОСНОВАНИЯХ
§ 1. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Определив тем или иным способом давления в характерных точках
подземного контура, можно рассчитать толщину флютбета, определить
скорость фильтрации в месте выхода потока в нижний бьеф и по ней
запроектировать крепление на этом участке и, наконец, подсчитать
фильтрационный расход под сооружением.
Толщина флютбета рассчитывается на сопротивляемость выпираю-
щему давлению фильтрационного потока. Если плита водобоя отделена
швами от стен и быков сооружения, то она должна быть массивной, так
как выпирающее давление она воспринимает собственным весом, облег-
ченным вследствие погружения плиты в воду. При расчете толщины
флютбета могут быть два случая: в нижнем бьефе вода есть или нет.
Если вода в нижнем бьефе есть (рис. 22), то флютбет считается
затопленным. В этом случае на единицу площади флютбета действуют
сверху вниз силы собственного веса плиты водобоя толщиной t и слоя
воды нижнего бьефа Снизу вверх действует напор фильтрационного
потока, уменьшенный на величину потерь до расчетного сечения. Если
обозначить объемные веса воды и кладки флютбета соответственно у
и укл, то уравнение равновесия можно записать так:
У’кл t + уЯ2 = у (И — hw + Н2 + t)> (46)
49
нижнем оьефе, то есть когда = не
/

Рис. 22. Расчетная схема к определению
толщины флютбета:
1—2 — пьезометрическая линия.
где Н—liw = hx—величина фильтрационного давления для расчетного
сечения.
Отсюда расчетная формула для определения толщины флютбета
будет иметь следующий вид:
^ = n Y^ (47)
У--Укл
где п — коэффициент запаса, принимаемый равным 0,85 для небольших
сооружений.
Легко видеть, что расчетная формула (47) при отсутствии воды в
изменит своего вида, так как
величина Н2 в правой и левой
части равенства (46) имеет
один и тот же знак.
В настоящее время методы
проектирования флютбетов на
нескальных основаниях можно
разделить на два направления,
сложившиеся в науке и в прак-
тике.
Эти направления выраже-
ны а указаниях по проектиро-
ванию, подземного контура во-
доподпорных' сооружений [191]
и в технических условиях и нор-
мах проектирования гидротех-
нических сооружений по под-
земному контуру плотин на не-
скальных основаниях [184].
Первое направление, именующееся методом ВОДГЕО *, разработа-
но и обосновано главным образом профессорами А. А. Ничипоровичем
и В. С. Истоминой. Автор второго направления, метода ВНИИГ, проф.
Р. Р. Чугаев.
Проектирование подземного контура должно быть тесно увязано с
проектированием всего сооружения в целом, то есть с учетом конструк-
тивных решений и расчетов (гидравлических и статическйх) надземной
части гидротехнического сооружения.
§ 2. МЕТОД ВОДГЕО
При проектировании по методу ВОДГЕО, изложенному в указани-
ях по проектированию подземного контура водоподпорных сооружений
на нескальных основаниях, запроектированный подземный контур дол-
жен удовлетворять следующим требованиям:
гасить фильтрационный напор в основании сооружения и макси-
мально снижать фильтрационное давление под элементатйи сооружения,
участвующими в сопротивлении сдвигающим усилиям;
предотвращать какие-либо опасные для грунта основания (а сле-
довательно, и для самого сооружения) фильтрационные деформации,
главным образом при выходе потока в нижний бьеф;.
уменьшать фильтрационные расходы, если в этом имеется необхо-
димость. ...
В соответствии с этими основными задачами предлагается проекти-
рование подземного контура вести в следующем; порядке.
* ВОДГЕО — Всесоюзный научно-исследовательский институт водоснабжения, ка-
нализацзи, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии.
50
1. По заданным отправным условиям намечают предварительно схе-
му подземного контура с учетом требований к подземной части. соору-
жения. При этом можно воспользоваться рекомендуемыми типовыми
схемами.
2. При намеченной схеме подземного контура проектируют и рас-
считывают надземную часть сооружения, в процессе чего уточняют при
необходимости схему подземного контура.
3. Намеченную схему подземного контура проверяют следующими
расчетами:
а) определяют или проверяют необходимую длину и очертания во-
донепроницаемой части сооружения. Это необходимо для того, чтобы
не допустить (предотвратить) фильтрационные деформации грунта при
выходе фильтрационного потока в нижний бьеф;
б) подбирают состав фильтра
дренажа и определяют толщину дре-
нажа (пригрузки);
в) определяют фильтрационное
давление на участках, где оно не-
обходимо для расчета на устойчи-
вость (преимущественно на водо-
бойную часть флютбета);
г) ойфеделяют фильтрационный
расход для выявления потерь и рас-
чета отводящих дрен.
Расчеты фильтрационных де-
формаций грунтов выполняют при-
менительно к следующим возмож-
ным их видам.
_ Явление выпора грунта. Под
влиянием нагрузки на грунт основа-
»
Рис. 23. Схема к расчету выпора
грунта основания в нижнем бьефе.
ния от возведенного гидротехниче-
ского сооружения и под непосредственным воздействием фильтрационно-
го потока часть грунта, примыкающая к водонепроницаемой части со-
оружения, может прийти в движение и перемещению могут быть
подвержены все частицы этого грунтового массива. Средством для опре-
деления его устойчивости служит критический выходной градиент при
выходе-фильтрационного потока в нижний бьеф. Выходной градиент ра-
вен отношению части действующего напора, оставшейся непогашенной
к началу рассматриваемого участка грунта, к длине этого участка:
. _ А/7
вых д т •
(48)
где Лых — выходной градиент;
ДЙ—часть действующего напора, приходящаяся на рассматри-
ваемый участок грунта, определяемая как потеря напора на
внешней гр^ни низового шпунта или зуба;
ДА— длина пути фильтрации на рассматриваемом участке
(рис.23).
Если выходной градиент необходимо определить более точно, то бе-
рется не вся грань выходного шпунта или зуба, а любая его верхняя
часть и соответственно этому потерянный напор на этой взятой к рас-
чету части. Например, может рассматриваться лишь одна клетка сетки
движения, тогда численное значение
ЬН^Н-.П.
Значение Д Н относят к геометрическому размеру (стороне) выход-
ного квадрата построенной сетки движения ДА (или Д5).
51
Определив выходной градиент, сравнивают его с критическим:
j у™ = Yr (49)
Y Y
где 7кр—критический градиент;
Yr— объемный вес грунта в воздухе;
п— относительная пористость грунта;
Y — объемный вес воды;
Увзв=Уг.— Y (1—п)—вес единицы объема грунта, взвешенного
в воде.
Если, к примеру, положить, что Уг = 1,6 т/м3, у=1 т/м3, а п = 0,4, то
значение критического градиента будет равно
4р = 1,6 —(1 —0,4) = 1.
Вводя коэффициент запаса т, равный 2—3, с той целью, чтобы рас-
четное значение выходного градиента заведомо не превысило бы крити-
ческого т /расч<^кр’ получим примерно
/pac4<^ = (0,3^0,5)JKp = 0,4JKp = 0,4. (50)
2 о
Если при проектировании окажется, что выходной градиент больше
критического значения, то для предупреждения явления выпора устраи-
вают пригрузку в виде обратного фильтра, и тогда сравнивать действи-
тельный (фактический) градиент нужно с величиной
J +Ynplp. = YB3B + Ynp_«P> (51)
у S у у $
гДе Ynp — объемный вес пригрузки (в воде);
i“p—толщина слоя пригрузки (обратный фильтр, элемент конст-
рукции рисбермы или другое устройство при выходе подзем-
ного потока в нижний бьеф);
S—длина пути фильтрации, равная величине ДЕ (рис. 23).
Явление механической суффозии в грунте под сооружением. При
некоторых значениях градиентов фильтрационного потока мелкозерни-
стая часть грунта, служащая заполнителем, может прийти в движение.
Отдельные частицы этого грунта будут перемещаться, вследствие чего
могут образоваться на отдельных участках пустоты или разрыхления,
нарушающие прочность и устойчивость основания гидротехнического
сооружения.
'Явление это называют механической суффозией в отличие от хи-
мической суффозии, когда происходит вымыв частиц в растворен-
ном виде.
Механическая суффозия может возникнуть при градиентах ,
иногда по величине меньших, чем градиенты выпора 7®р =. Екр, и не толь-
ко на выходных участках, но и в толще грунта вблизи шпунтов и
зубьев.
Чтобы определить степень устойчивости грунта против вымыва его
отдельных частиц, нужно сравнить значение критического градиента
суффозии 7[;р с существующим в исследуемом месте (на выходе или
вблизи выступа подземного контура или острия шпунта), и если дейст-
вительный градиент Jф окажется меньше 7£р, то проверку можно считать
законченной:
(52)
где т — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,5.
52
Значение критического, предельно приемлемого для предотвраще-
ния явления механической суффозии градиента /скр можно подсчитать
по любым рекомендуемым формулам. В частности, для гравелисто-га-
лечниковых грунтов с коэффициентом неоднородности т] >10 ч- 20 и с
песчаным заполнителем при содержании его в грунте, примерно равном
Юн-25% по весу, величина начального градиента суффозии в восходя-
щем фильтрационном потоке приближенно может быть вычислена по
формуле:
= Л + А- (53)
где = 2!£Р *зап;
пзал К гр
пгр и Кгр — пористость и коэффициент фильтрации грунта осно-
вания;
пзап и Кзап — то же, заполнителя;
J2 = f f———^—величина, определяемая по графику;
Х^юзап Щ фзап '
d10CK—диаметр частиц скелета грунта, мельче которых в со-
ставе грунта скелета менее 10%;
^юзап— то же, для заполнителя;
tgфзап — коэффициент внутреннего трения заполнителя, опре-
деляемый по таблице.
Действительный градиент определяют по сетке движения или
любым способом, с помощью которого можно узнать часть действую-
щего напора А Я, потерянного щли затраченного на рассматриваемом
участке AL:
7Ф = ~• (50
Кроме этих основных проверок (на выпор и на суффозию) при от-
ветственном проектировании, по методу ВОДГЕО рекомендуется выпол-
нять проверку на контактный выпор (суффозия на выходе) и на кон-
тактный размыв (суффозия вдоль подошвы сооружения), но принцип
сравнения допускаемых и действительных градиентов везде остается
прежним. Нужно определить по физическим характеристикам грунта
допустимую величину градиента и по одному из способов расчета на
фильтрацию действительную его величину. Полученные таким образом
градиенты нужно сравнить между собой, приняв коэффициент запаса,
уменьшающий допустимое значение градиента, по существующим нор-
мам и рекомендациям.
§ 3. МЕТОД внииг
Метод фильтрационного расчета подземного контура плотин на не-
скальных основаниях Всесоюзного научно-исследовательского института
гидротехники имени Б. Е. Веденеева (ВНИИГ) утвержден Главэнерго-
проектом. Министерства электростанций и изложен в технических усло-
виях и нормах проектирования гидротехнических сооружений [184]. За-
дачами фильтрационного расчета ВНИИГ считает:
1) построение эпюры противодавления;
2) определение напора на острие выходного шпунта;
3) определение пьезометрических уклонов (градиентов), контроли-
рующих фильтрационную прочность основания и на контактах различ-
ных грунтов;
4) определение выходного градиента;
5) определение фильтрационного расхода.
53
Особенностью метода ВНИИГ нужно считать введение понятий о
местной и общей фильтрационной прочности грунта основания гидротех-
нических сооружений.
Местной, или нормальной, фильтрационной прочностью грун-
та называется прочность его в заранее известных, так называемых опас-
ных местах: а) на контакте дна нижнего бьефа и покрывающего его
обратного фильтра; б) в области выходного фрагмента основания, где
может произойти выпор грунта; в) на контакте крупнозернистых и мел-
козернистых грунтов, слагающих основание, и др.
Общая, или казуальная (случайная), фильтрационная проч-
ность грунта основания может быть нарушена в неизвестных заранее
местах продольного профиля из-за непредвиденных причин: неправиль-
ного производства работ, не обеспечивающего должного контакта по-
дошвы сооружения с грунтом основания, неучтенной неравномерной
осадки плотины и др.
Общая фильтрационная прочность основания плотины может быть
по мнению автора метода Р. Р. Чугаева, оценена только грубо прибли-
женно, средним по всему контуру пьезометрическим уклоном, называе-
мым контролирующим градиентом. Допускаемая величина его
дана в таблицах, но должна в принципе увеличиваться по мере улучше-
ния методов производства работ, расширения исследований при проек-
тировании, совершенствования конструктивных форм подземного
контура.
Для контролирующего уклона, для потерь на острие выходного
шпунта и выходного градиента автор дает отдельные формулы, которые
содержат разные значения величин глубины залегания водоупора Грасч.
Например, в формуле:
^г.к = Т~ = z । л 88 Т (55)
Л 4, —р v, оо J ср
величину Т определяют, исходя из расчетного водоупора при Трасч.
В формуле
йос = ейвых = (0,8 - 0,3 ±} йвых (56)
также величина соответствует расчету положения водоупора по Т'расч,
а в формуле
j ___ ^въа_ Н
J вых == , — .
‘вых Л
Тср определяется при =2Трзсч. Кроме того, каждая из приведен-
ных формул (55), (56), (57) имеет свои пределы применимости; изло-
женные в описании метода проф. Р. Р. Чугаева [184].
Задаваясь величинами допустимых градиентов, сравнивают их с
подсчитанными по формулам (55) иД57).. Если нет Необходимого сов-
падения, то изменяют тот или иной элемент контура или исходные
данные.
В обоих приведенных методах рекомендуются типовые принципиаль-
ные схемы подземного очертания флютбета. Поэтому порядок проекти-
рования заключается в выборе наиболее приемлемой в каждом конкрет-
ном случае схемы и проверке ее по тем или иным контрольным форму-
лам (выпор, суффозия, контролирующий уклон, нормальная и казуаль-
ная фильтрационная прочность грунта И др.).
Во всех случаях определяют давления для статического расчета
флютбета и фильтрационный расход воды.
54
1 + ’ (57)
1вых /
§ 4. МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВЫБОРА
ТИПОВЫХ СХЕМ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА
В связи с тем, что методы определения расчетных давлений значи-
тельно улучшились (повысилась точность и упростилось решение задач
для сложных схем подземного контура), появилась большая возмож-
ность проектировать флютбеты на проницаемых основаниях, не прибе-
гая к помощи заранее скомпонованных схем. Можно намечать в ходе
проектирования любые очертания подземного контура с последующим
поверочным их расчетом. Закончив гидравлический расчет сооружения
и убедившись, что водонепроницаемой части недостаточно для безопас-
ного передвижения фильтрационного потока, можно намечать число и
глубину забивки шпунтов или другие меры организации движения грун-
товых вод по конструктивным и другим соображениям в каждом кон-
кретном случае, который может характеризоваться самыми различными
условиями (близость водоупора, трудность или полная невозможность
забивки шпунтов и т. п.).
После этого намеченную схему проверяют расчетом по разделам,
которые имеют большую актуальность для данного конкретного случая.
Методы проф. Р. Р. Чугаева, проф. П. Ф. Фильчакова и предлагае-
мый метод сравнительной эффективности элементов флютбета позволя-
ют рассчитать любую схему подземного контура.
Пользоваться рекомендованными ВОДГЕО и ВНИИГ схемами без-
условно можно, если это не вызывает затруднений при конструировании.
Если они не полностью отвечают требованиям проектирования в кон-
кретных условиях, то вполне возможно намечать любые другие схемы,
а проверкой уточнять и окончательно принимать их в проекте.
Раздел 3
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
НА КАНАЛАХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Глава V
РЕГУЛИРУЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ НА КАНАЛАХ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И РАЗМЕЩЕНИЕ СООРУЖЕНИИ
Гидротехнические сооружения на каналах оросительных систем
устраивают для регулирования количества воды, подаваемой на различ-
ные участки системы или сбрасываемой для опорожнения отдельных
каналов или участков, и для регулирования уровней воды на системе.
Наиболее распространены на ирригационных системах регуляторы.
В соответствии с назначением они разделяются на три группы: ре-
гуляторы расходов воды (водовыпуски и сбросные устройства), регуля-
торы уровней воды (подпорные, или перегораживающие сооружения и
автоматические сбросы), промывные устройства (регуляторы скорости).
Если регулятор располагается в голове магистрального, межхозяй-
ственного или хозяйственного канала, то его называют головным.
В некоторых случаях регулирующие сооружения на каналах про-
ектируют для выполнения нескольких задач; скомпонованные вместе
они образуют узел сооружений на сети.
На рисунке 24 показаны схемы расположения сооружений, имею-
щих разные назначения. На схеме а подпорное перегораживающее со-
оружение 2 совмещено с боковым регулятором-водовыпуском 3. В этой
же компоновке сооружение 2 может служить промывным устройством
к водовыпуску 3.
Головной регулятор оросительной системы.
56
На схеме б показано расположение бокового' регулятора 3 без уст-
ройства на главном канале подпорного сооружения. Вместо регулятора-
водовыпуска на боковом отводе может быть расположен автоматиче-
ский, сброс 4 с отметкой гребня водослива на уровне, максимально до-
пустимом в главном канале.
Размещение гидротехнических сооружений на оросительной сети
должно обеспечить учет подаваемой воды в распределительных узлах
Рис. 24. Схема размещения •
сооружений:
а — в прямоугольном канале;
б — в трапецеидальном канале;
1 — канал; 2 -7- подпорное (пере-
гораживающее) сооружение;
3 — боковой регуЛЯТОр-ВОДОВЬ!-
пуск; 4 ~ автоматический сброс.
и в местах водовыдела, возможность проведения планового водораспре-
деления по системе, а также выключение отдельных частей системы, ка-
налов и сооружений. При проектировании сооружения на каналах сле-
дует предусматривать обеспечение подачи воды в удаленные от водо-
забора места с наименьшими потерями и в наиболее короткий срок,
использование (при необходимости) оросительных каналов и сооруже-
ний для целей гидроэнергетики, судоходства и водоснабжения. Соору-
жения на сети должны быть удобны для эксплуатации и ухода за ними
(осмотр, очистка, ремонт) и применения максимальной механизации
работпо ремонту каналов и сооружений.
§ 2. КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛИРУЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ
По конструктивным признакам регуляторы делятся на открытые,
закрытые, или-трубчатые, и диафрагмовые (с забральной стенкой).
В открытых регуляторах (рис. 25) уровень воды в пределах соору-
жения доступен для замеров и визуальных наблюдений.
, Трубчатые регуляторы (рис. 26) могут иметь различные формы по-
перечного сечения (круглое, прямоугольное, сложного очертания) и раз-
ный гидравлический режим движения потока через сооружение (напор-
ный, безнапорный) . В зависимости от изменения уровня воды в верхнем
бьефе может изменяться и режим прохождения потока, как это показа-
но на рисунке 26.
' Регулятор с диафрагмой (рис. 27) имеет затвор лишь в йижней
части отверстия сооружения, а в верхней — железобетонную глухую
стенку 1 между быкамза или береговыми устоями, называемую диафраг-
мой или забралом. ~ ,
Его применяют главным образом при строительстве регулирую-
щих сооружений в местах глубоких выемок. Устройство диафрагмы 1
57
Рис. 25. Общая схема открытого регулятора на канале:
/ — нонурный шпунт; 2 — понур; 3 — королевый (центральный) шпунт; 4 — водобой;
• 5 — водобойный (низовой) шпунт; 6 — рисберма; 7 — крепление откосов плитами
в нижнем бьефе; 8— береговые устон; служебный мостик; 10—затвор; 11—креп-
ление откосов в верхнем бьефе; 12 — обратные стенки.
Рис. 26. Схема трубчатого регулятора:
/1 — вход; 2 — понур; 3— подготовка; 4 — труба; 5 — водобой; 6—насыпь; 7 — пор-
тальная стенка; 8 — затвор; 9 — ныряющая стенка.
Рис. 27. Регулятор с диафрагмой:
/ — диафрагма (забрало.); 2 — затвор; 3 — шпунтовая етенка; -/ — береговой устой.
Перегораживающее сооружение на Донской оросительной системе.
позволяет уменьшить разме'ры затвора, а тем самым и подъемное уси-
лие. Кр.оме того, она, являясь распоркой между береговыми устоями,
повышает их поперечную устойчивость и прочность.
При высоких уровнях в верхнем бьефе истечение воды происходит
как из-под щита, а при низких уровнях — как через затопленный водо-
слив с шйроким порогом.
Регулирующие сооружения на каналах могут быть бетонными, ка-
менными, железобетонными и деревянными. Они также бывают моно-
литными и сборными. Монолитные сооружения возводят нц месте строи-
тельства, а сборные монтируют из отдельных элементов, изготавливае-
мых на заводах в централизованном порядке. В настоящее время
большинство сооружений на мелиоративных системах выполняют из
сборных элементов по типовым проектам. Чтобы лучше уяснить условия
работы элементов сборных конструкций, рассмотрим сначала конструк-
ции монолитных сооружений.
В монолитных (бетонных, каменных, бутовых, кирпичных) регуля-
торах наиболее распространенными деталями конструкции являются
подпорные стенки, .массивная плита флютбета и различные типы сопря-
жений с берегами каналов.
Подпорные стенки чаще всего бывают трех типов (рис. 28).
Первый тип, (а) применяют там, где необходимо устраивать пазы
для плоских затворов или шандор. Второй тип (б) по затрате материа-
лов экономичнее, но его можно применять только за пределами
щитовых и шандорных устройств. Третий тип (в) наиболее дешевый и
используется при укреплении .переходных участков. В случае уменьше-
ния "размеров он превращается в облицовку.
При конструировании массивных подпорных стен ширину понизу
ориентировочно принимают равной 0,5н-0,65 высоты стенки. Если ши-
рина понизу Назначается меньше половины высоты, а также в том слу-
чае, если проектирование стенки находится в окончательной стадии, то
ее нужно рассчитывать.,
Массивную плиту (флютбет), если она не связана жестко с устоями
или быками, рассчитывают главным образом на восприятие гидродина-
мического фильтрационного давления с учетом взвешивающего дейст-
вия воды. Соединение плиты флютбета с быком или береговым устоем
выполняют таким образом, чтобы высота фундамента устоя или быка
59
была не меньше’толщины плиты. Возвышение'верха стен на входных
участках сооружений над расчетным уровнем воды в канале следует
принимать равным возвышению берм канала над тем же расчетным
уровнем (при Q до 10 ^сек — 0,3 м, при Q=10—30 м3[сек— 0,4 м,
при Q = 30—50 м3(сек -г- 0,5' м и при Q = 50—100 м31сек— 0,6 м), .
Рис. 28. Основные типы подпорных стенок:
а — е вертикальной наружной и наклонной внутренней гранями; б — с наклонной наружной и верти-
кальной внутренней гранями; в — наклонная стенка; / — подпорная стенка; 2 — конструктивный шов; -
3 — донная плита (флютбет).
Типы сопряжения стенок с берегами канала по конструкции весьма
разнообразны. Главной характеристикой того или иного типа служит
коэффициент формы, входящий в формулу проф. Е. А. Замарина для
определения величины бокового сжатия потока?,
- е== 1 ~ . (58).
И + Ь - I ' -
где а— коэффициент сжатия в выражении Ьс = еЬ;
Ь— геометрическая величина пролета сооружения;
Ьс— эффективная, или сжатая, величина пролета;
а— коэффициент формы устоя, быка;
Н— напор иа сооружении.
Чем больше значение а, тем больше сжатие потока и тем невыгод-
нее в гидравлическом отношении конструкция сопряжения. На рисун-
ке 29 показаны основные типы сопряжения, а в таблице 9 приведены
коэффициенты формы указанных типов сопряжений и перечень досто-
инств и недостатков каждого из них.
Т а блица 9
Индекс схемы на ри- сунке 29 Наименование типа сопряже- ния стенки с берегами канала Коэффициент формы типа сопряжения Достоинства Недостатки
а Обратная стенка 0,2 Простота конструкции, защита против фильт- рации в обход соору- жения Большое сжатие потока на входе, завихрения н размыв на выходе
б Обратная стенка с конусом 0,07 Улучшение условий вхо- да Увеличение объема работ по устройству
в Ныряющая 0,075 Экономичность по затра- Возможная фильтрация
стейка t те материала, благо- приятные гидравличес- кие условия на выходе вдоль, стен в обход со- оружения /
г Раётруб . 0,13-^0,07 Значительное улучшение гидравлических : >уелсь. вий входа и выхода, * Увеличение расхода ма- / тернала
д Косая плоскость 0,06-5-0,05 Лучшие гидравлические' условия входа и выхо- да Сложность устройства и слабая защита против фильтрации в обход со- оружения
60
Обратные стенки лучше применять на входе, чем на выходе. Конус
применяют при боковых отводах и при водозаборе из водоемов. Ныряю-
щие стенки лучше устраивать на Выходе. Раструб — хорошее средство
сопряжения на входе и на выходе, особенно при широких каналах и уз-
ких отверстиях сооружений (отношение с : I принимается не больше 1 : 2,
в этом случае а = 0,13; при с:/=1 : 4, значения а=0,07). Косая плос-
кость приводится здесь
как пример предельно
возможного уменьшения
сжатия потока с помощью
конструктивных средств,
но устраивать ее рекомен-
дуется в исключительных
случаях, так как слож-
ность возведения не
оправдывает в обычных
условиях выигрыша в
уменьшении сжатия по-
тока.
В железобетонных pe-i
гуляторах характерными
элементами являются
труба, подпорйая стенка,
доковая конструкция;
плита. Трубчатые желе-
зобетонные регуляторы
устраивают при напорах
свыше 3—4 м. !
Доковые конструкции, представляющие собой жестко соединенные
быки или береговые устои с донной плитой (флютбетом), применяют
в регуляторах при значительных напорах и расходах (рис. 30). Железо-
бетонная плита — наиболее распространенный элемент сборных конст- .
рукций, а подпорные стенки при высоте более 2 м начинают конкуриро-
вать в технико-экономическом отношенйи с бетонными стенками.
Рис. 30. Поперечное сечение регулятора:
£1 — железобетонной Чековой) конструкции; б—'бетонной нли каменной конструкции; 1 — береговой
устой; 2 — плита флютбета: 3 — конструктивные швы; 4 —бык; 5 —ребро жесткости.
Железобетонные подпорные стенки, применяемые как береговые
устои, имеют различные конструктивные формы, но главной особен-
ностью их является наличие плиты, пригруженной обратной засыпкой
грунта и создающей удерживающую силу, позволяющую конструиро-
вать стенку небольшой толщины (рис. 31).
Регуляторы деревянной конструкции в настоящее время все больше
и больше уступают место бетонным и железобетонным конструкциям.
Однако там, где по технико-экономическим соображениям дерево может
конкурировать с другими материалами, можно применять свайно-об-
шивную конструкцию, схематически показанную на рисунке 32.
В гидротехнике наиболее распространены регулирующие сооруже-
ния сборных конструкций.
61
Рис. 31. Железобетонная подпорная стенка:
1 — подпорная плита; 2— фундаментная плита;
Р — давление воды; GB— вес воды над частью фун-
даментной плиты; Е— давление грунта; £?Гр—вес
грунта над фундаментной плитой; С?ст — вес
стенки.
62
Для малых расходов (до 10 я3/сек) все сетевые сооружения можно
устраивать сборными по имеющимся типовым проектам (рис. 33). Сред-
ние и крупные регулирующие сооружения могут быть смешанной конст-
рукции, то есть иметь основные части монолитные (береговые устои,
быки, водобойная плита-флютбет), а остальные из отдельных элемен-
тов—сборные (понурная плита, рисберма, крепление откосов в верхнем
и нижнем бьефах). Называются такие сооружения сборно-монолитными.
Массивность основных частей, необходимая для обеспечения, требуемой
проектом, устойчивости сооружений, не препятствует в принципе замене
их сборными элементами, но некоторые вопросы, связанные с переходом
к сбориости, еще полностью не разрешены.
Из материалов, применяемых для сборных конструкций, преоблада-
ют бетон и железобетон. Дерево и металл также используют при изго-
товлении сборных конструкций, но лишь для определенных типов соору-
жений (например, дерево для дюкеров бочарного типа) и в соответст-
вующих условиях, то есть когда дерево или металл могут оказаться
более выгодными в технико-экономическом отношении.
Сборные Конструкции, главным образом железобетонные, изготов-
ляют за пределами места возведения сооружения, поэтому при транс-
63
портировании и монтаже отдельных элементов необходимо согласовы-
вать предельный вес их с грузоподъемностью автотранспорта и меха-
нического оборудования на стройплощадках;
Второй немаловажной особенностью сборных сооружений является
наличие в них стыков, от прочности заделки которых зависит прочность
и монолитность всего сооружения и водонепроницаемость в отдельных
его частях. Поэтому все работы, связанные с бетонированием стыков,
необходимо выполнять как можно тщательнее, а при проектировании
стремиться к меньшему их числу. Эти две важнейших особенности на-
ходятся как бы в противоречии: предельный вес требует наибольшего
членения массивных частей, а стремление к меньшему числу швов, на-
оборот, предусматривает увеличение веса отдельных элементов. В сов-
ременных условиях в связи с увеличением грузоподъемности специаль-
ного автотранспорта это противоречие не имеет существенного значения.
Достоинства и положительные стороны сборных желёзобетонных
конструкций:
а) возможность применения наиболее современных поточно-ско-
ростных методов строительства;
б) возможность удлинения сезона для ведения работ, а в некото-
рых районах возможность вести их круглый год;
в) улучшение качества элементов конструкций;
г) благоприятные условия для применения типовых конструкций и
стандартизации составных элементов В зависимости от величины рас-
хода и напора, для которых проектируют регулирующее сооружение,
элементы конструкции будут иметь разные размеры,’ а в соответствии
с назначением— тот или Иной тип. Стандартизация отдельных элемен-
тов и сокращение числа типоразмеров представляют собой одну йз
главнейших задач при составлении типовых проектов.
Для дальнейшего совершенствования сборных конструкций и уве-
личения диапазона их применения необходимо всемерно устранять не-
достатки, которые еще существуют при строительстве сборных регули-
рующих сооружений. Нужно повышать тщательность изготовления сбор-
ных элементов и улучшать технологию этого процесса, учитывая как
прочность, так и внешний вид изготавливаемых деталей. Кроме того;
необходимо свести к минимуму порчу деталей при погрузке и раз-
грузке.
При монтаже сборных элементов на месте возведения сооружения
-особое внимание следует уделять бетонированию и заделке стыков.
В Последнее время по этому вопросу проводилось много экспери-
ментально-исследовательских работ, в результате которых предложены
более рациональные способы стыкования железобетонных Деталей. Так,
например, сотрудники научно-исследовательского сектора института
«Гидропроект» Л. А. Игонин, П. А. Пшеницыц и В. Ш Сахаров [91]
предложили выполнять стыки сборных железобетонных элементов с
применением высокопрочных, синтетическихклеев, изготовленных на ос-
нове эпоксидных смол. Принципиальная схема конструкции стыка для
соединения вертикальных и горизонтальных элементов показана на ри-
сунке 34, а. Предложенная конструкция стыков обеспечивает прочность,
равную прочности монолитного сеченйя стыкуемых железобетонных эле-
ментов, и полную водонепроницаемость. Эти выводы подтверждены ла-,
бораторными испытаниями.
Институтом ВОДГЕО [152] разработаны новые конструкции'швов
и соединений дЛя монолитных и сборных облицовочных плит на откосах
и по дну канавой. На рисунке 34, б приведена некоторые из этих конст-
рукций, . .
СредазгнпровоДхлопок [86] считает Целесообразным.применять в де-
формационных швах гидротехнических' сооружений уплотнения из эла-
стичных материалов и клеев (рис. 34, в, а). В настоящее время гермети-
64
зация швов с применением полимерных материалов обходится еще срав-
нительно дорого.
При монтаже сборных конструкций облицовок откосов и дна в по-
нурной и водобойной частях регулятора необходимо тщательно следить
Рис. 34. Конструкция стыков железобетонных сборных элементов:
а — клеевой стык вертикального элемента с фундаментом; б — поперечные стыки (жесткий и гиб-
кий) сборных железобетонных облицовок (ВОДГЕО); в — гибкий и жесткий стыки плоских плит
(Средазгипроводхлопок); г — стык труб или раструбных лотков на неопреновой прокладке (завод
«Каучук»); 1 — клей; 2— сборная железобетонная плита; 3— раствор на расширяющемся цемен-
те» 4 — сварной стык арматуры; 5— битумная мастика; 6 — битумный мат; 7 — железобетонная
подкладка; 8— полннзобутилеиовая мастика; 9 — полиэтиленовая пленка ^=0,1—0,2 см, приклеивает-
ся эпоксидным клеем; 10 — элементы трубы или раструбного лотка; // — неопреновая прокладка
до обжатия; 12 — то же, после обжатия.
за тем, чтобы была обеспечена водонепроницаемость. Если же эти ра-
боты выполняются за пределами водобойной части, то есть когда обли-
цовочные плиты являются рисбермой, то швы между ними должны быть
водопроницаемыми.
§ 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ
Основные задачи проектирования регулирующих сооружений. Про-
ектирование гидротехнических сооружений на ирригационных системах
ведут с таким расчетом, чтобы были обеспечены надежность и удобство
эксплуатации, а также.возможность применения автоматизации в управ-
лении оборудованием и механизмами сооружений. Необходимо при про-
ектировании предусматривать срок службы сооружения в соответствии
со значимостью объекта, в состав которого входит сооружение. Нельзя
допускать излишеств в составе и размерах сооружений, а также в ос-
новном и вспомогательном оборудовании. Проектом должно быть пред-
усмотрено выполнение строительства в наиболее короткие сроки при
наименьшей стоимости, максимальной механизации строительного про-
цесса, применении наиболее совершенного строительного оборудования
и передовых методов труда, сокращении трудоемкости работ. При
проектировании необходимо учитывать возможность использования
5-1650
местных строительных материалов, а также максимальное использова-
ние типовых решений и применение сбррных и сборно-монолитных кон-
струкций.
Выбор типовых сооружений сборной конструкции. Проектирование
регулирующих сооружений на каналах ведется главным образом по ти-
повым проектам, составленным крупными проектными институтами
(Гипроводхоз, Южгипроводхоз, Киргизгипроводхоз и др.).
Нужные типовые сооружения подбирают по расходу и роду грунта
с учетом возможности применения выбранного типа к конкретным мест-
ным условиям. Привязку типового проекта к месту строительства выпол-
няет проектная организация, составляющая рабочие чертежи. При этом
выполняют следующие работы:
Рис. 35. Истечение через водослив с широким порогом в открытом регуляторе.
Рис. 36. Водослив с тонкой стенкой.
а) по расчетному расходу, наполнению канала и разности отметок
уровней воды верхнего и нижнего бьефов подбирают напор и ширину
сооружения;
б) проставляют пикетаж местоположения сооружения на канале;
в) проставляют отметки поверхности земли и элементов соору-
жения;
г) уточняют объемы земляных работ и сметную стоимость соору-
жения.
Типовые проекты в значительной мере помогают проектированию,
но не исключают необходимости в некоторых случаях поверочных рас-
четов. Поэтому здесь рассматриваются основные положения гидравли-
ческого расчета и даются краткие указания к статическим расчетам,
имея в виду, что гидротехнический расчет приведен в разделе втором,
а экономические обоснования, которые должны сопровождать техниче-
ские решения, излагаются в соответствующих курсах.
Гидравлический расчет. Гидравлическим расчетом устанавливают
размеры отверстий сооружений и труб, а также проверяют условия про-
пуска различных расходов и безопасное сопряжение бьефов.
При расчетах регулирующих сооружений наиболее часто встречают-
ся следующие гидравлические ^хемы: водосливы, щитовые отверстия и
трубы (рис. 35, 36, 37, 38, 39, 40).
66
1. Водосливы. При обычной эксплуатации, когда щит на соору-
жении полностью открыт, истечение происходит как через водослив с
широким порогом (рис. 35), и расход воды определяют по формуле:
Q = 8<pfe/z/2g(tf0-/z), (59)
где Q — р асход воды;
8 — коэффициент бокового сжатия;
Ф— коэффициент скорости;
Ь— ширина сооружения;
„ „ . »0
п0 =НН— -----напор с учетом скорости подхода;
h— глубина воды на пороге водослива.
Если при эксплуатации сооружения происходит перелив воды через
щит или шандорную стенку (рис. 36), то в гидравлическом отношении
это водослив с тонкой стенкой (реже с толстой стенкой). Здесь приме-
няют общую формулу водослива:
Q = mbcH0 /2gH0,
(60)
где т — коэффициент расхода для тонкой стенки, равный 0,42, и для
толстой стенки — 0,40;
&с — ширина водослива с учетом бокового сжатия.
Рис. 37. Истечение из-под щита (свободное).
- Pjjc. 38. Полузатопленное истечение из-под щита.
2. Истечение из-под щита. Если во время эксплуатации от-
верстие открыто не полностью, то есть щит лишь приподнят, то могут
быть три случая истечения из-под щита: 1) свободное (рис. 37), если
нижний бьеф не влияет на истечение:
Q = /2g (Яо - а/гщ), (61)
где р,— коэффициент расхода;
Лш— высота поднятия щита; ;
а — коэффициент вертикального сжатия вытекающей струи, рав-
ный в среднем 0,63;
2) несвободное, или подтопленное, если прыжковое сопряже-
ние образуется у щита (рис. 38); в этом случае расчет ведется по фор-
мулам проф. И. И. Агроскина:
5*
67
Q = V 2g(H0 -hz),
(62)
где hz — глубина воды за щитом, определяемая из выражения:
h=\/ hl- l(h0-~\ +—; L =
г у 6 \ ° Н) 2 ’ F щ йб йс
где h6 — бытовая глубина;
йс— сжатая глубина, равная аИш;
3) затопленное (рис. 39), если бытовая глубина больше вто-
рой сопряженной; в этом случае:
Q = цЬ/1ш У 2g z0, (63)
где z0 = HQ—h6.
Рис. 39. Затопленное истечение из-под щита.
Рис. 40. Истечение через короткую трубу.
При истечении из-под щита и при свободном переливе через водо-
слив могут создаться неблагоприятные условия в нижнем бьефе и может
потребоваться устройство водобойного колодца. Для этого нужно про-
верить сопряжение бьефов для наиболее невыгодных условий, то есть
для таких сочетаний уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, при ко-
торых сопряжение бьефов будет проходить в наиболее тяжелых ус-
ловиях. ,,
Уровень воды верхнего бьефа принимается наиболее высоким из
всех возможных, а нижнего бьефа — соответственно пропускаемому рас-
ходу. Для нижнего канала можно построить кривую связи уровней или
глубин воды с расходами и по ней определять бытовые глубины.
После этого нужно подсчитать, какие расходы будет пропускать со-
ружение при различных открытиях затвора через один пролет при лю-
бом их числе, и определить необходимую сопряженную глубину /г' для
образования прыжка. Сравнив ее с бытовой глубиной, соответствующей
этому же расходу, выявляют необходимость устройства водобойного ко-,
лодца. При числе пролетов более одного водобойный колодец устраи-
вают и в том случае, если он не обосновывается расчетом. Глубину его
принимают конструктивно не менее 0,5 м.
3. Т р у б а. В трубчатых регуляторах движение воды может быть
напорное или безнапорное (рис. 26, 40).
68
Напорное движение бывает при уровне воды в нижнем бьефе, нахо-
дящемся выше центра выходного сечения трубы. Его рассчитывают как
затопленное истечение по формуле:
Q = рю V 2g z0 Д (64)
Если же уровень воды нижнего-- бьефа расположен ниже центра
трубы, то истечение будет незатопленным и рассчитывается по формуле:
Q = pa> |/2я(//0- у). (65)
В этих формулах:
р— коэффициент расхода;
<о— площадь поперечного сечения трубы;
z0—разность уровней, исправленная на скорость подхода:
СК»?
Н — напор над дном выходного отверстия трубы;
d— диаметр трубы или высота прямоугольного сечения.
Безнапорную трубу рассчитывают как водослив с широким порогом
по формуле (59).
Для определения расхода воды прн истечении из-под щита в трубах
круглого сечения рекомендуется следующая формула [164]:
Q = рю V 2g (Нс 4- хс) , (66)
где р=е<р;
е—коэффициент сжатия;
ср—коэффициент скорости (значения е и q> принимают как для
обычного истечения из-под щита);
со— площадь отверстия при открытии щита;
Нс—напор над центром отверстия под щитом, равный Н— —
напор над нижней кромкой трубы);
хс— расстояние от центра трубы до центра тяжести отверстия.
§ 4. ВЫБОР ТИПА И КОМПОНОВКА РЕГУЛИРУЮЩИХ
СООРУЖЕНИЙ
Тип регулирующего сооружения выбирают на основе технико-эко-
номического расчета. При типовом проектировании эта задача упроща-
ется, но необходимость сравнения различных решений и выбора наибо-
лее рационального из них остается.
Необходимо предельно использовать принцип сборности конструк-
ций, предусматривать возможность их изготовления, транспортирование
к месту возведения и условия монтажа.
При назначении того или иного типа регулирующего сооружения
нужно учитывать удобство управления затворами, лучшие эксплуатаци-
онные условия и водомерность сооружений.
Немаловажную роль играет простота его конструкций, которая оп-
ределяет и более легкие условия производства работ по возведению со-
оружения.
При выборе типа регулирующего сооружения нужно учитывать и
такие специфические местные условия, как рельеф местности, по кото-
рой трассируется канал, необходимость устройства переезда через ка-
нал и совмещения его с проектируемым сооружением. В случае необ-
ходимости совместить переезд с регулятором нужно выбирать трубча-
тую конструкцию.
69
Рис. 41. План и разрезы голов-
ного регулятора рисовой систе-
мы на р. Кубани:
/—I — разрез по среднему пролету;
II—II — разрез по крайнему проле-
ту (с забралом /).
Большое значение при выборе типа регулятора имеет также режим
эксплуатации канала. Если диапазон колебаний уровней в канале велик,
то удобнее выбирать диафрагмовый тип регулятора, так как в этом
случае можно уменьшить высоту затвора.
(жппптшж
Рис. 42. Узел регулирующих соору-
жений с одним боковым отводом.
На рисунке 41 представлен план и
разрезы по среднему и крайним пролетам
головного регулятора диафрагмового ти-
па, построенного на одной из кубанских
рисовых оросительных систем.
В среднем пролете сегментный за-
твор перекрывает все отверстие, а в двух
крайних верхняя часть отверстий закры-
та железобетонными диафрагмами (за-
бралами),
считаются такие, когда канал, на кото-
Нормальными условиями
ром проектируется регулирующее сооружение, трассируется в полувы-
емке-полунасыпи. В этих условиях обычно рекомендовалось выбирать
открытый типа регулятора, как наиболее простой и удобный в эксплуа-
тации, но в настоящее время все большее распространение получают
трубчатые регуляторы, которые применяются практически в любых ус-
ловиях. •
Все условия и требования, определяющие выбор типа регулирую-
щего сооружения, можно свести в таблицу 10 для удобства их сопостав-
ления при предварительных наметках в проектировании.
Таблица 10
Условия Тип шлюза
Канал в полувыемке-полунасыпи, на- сыпи Канал в выемке н необходимость уст- ройства переезда Большая разность уровней верхнего и нижнего бьефов Дли большое коле- бание уровней верхнего бьефа Сбросные и промывные сооружения Подпорные сооружения Открытый, трубчатый Трубчатый, безнапорный Диафрагмовый Напорный трубчатый или диа- фрагмовый Открытый, трубчатый
71
В тех местах, где это можно по техническим и эксплуатационным ус-
ловиям, несколько гидротехнических сооружений устраивают в одном
месте, объединяя их в один узел. Такое совмещение выгодно, так как
облегчает условия эксплуатации сооружений и снижает их строитель-
ную стоимость.
¥#
Рис. 43. Узел регулирующих сооружений с двумя боковыми
отводами.
Наиболее распространена компоновка; при которой в один узел
объединены подпорное сооружение и боковой регулятор-водовыпуск
(рис. 42). Если это необходимо и возможно, то в одном узле сооружений
совмещают несколько водовыпусков, кроме подпорного регулятора. '
Подпорное сооружение по своему расположению при некотором из-
менении компоновки узла может также выполнять роль промывного со-
оружения.
На рисунках 43 и 44 показаны примеры расположения регуляторов
в узлах при различных типах сопряжения береговых стенок с откосами
каналов.
Расположение регуляторов в узле может быть сближенным, когда
все сооружения находятся в непосредственной близости друг от друга,
72
и удаленным, когда водовыпуски несколько удалены от подпорного со-
оружения. Первое решение более экономично, так как позволяет устраи-
вать общий понур и короткие соединительные стёны. Недостатком этой
компоновки нужно считать неудобство в управлении водой, так как
близко расположенные регуляторы оказывают влияние друг иа друга
при измерении расходов воды, то есть ухудшается их водомерность.
гч
Рис. 44. Узел шлюзов с обратными стенками.
При удаленной компоновке регуляторов повышается стоимость уз-
ла сооружений, так как каждое сооружение возводится Обособленно,
поэтому без дополнительных обоснований удаленное расположение со-
оружений^ узле принимать не следует. В целях создания более удобных
^условий эксплуатации при проектировании необходимо наметить и пре-
дусмотреть площадки для складирования материалов, требующихся*при
ремонте, а также запроектировать дороги и удобные подъезды к соору-
жениям. 1
Если канал является судоходным, то подпорный регулятор необхо-
димо заменить судоходным, а боковые водовыпуски вдвинуть в берега
канала, с тем чтобы не создавать препятствий судоходству во время
ремонта регуляторов.
«—1650 73
§ 5. ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОДАЧИ ВОДЫ
НА ИРРИГАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ, ВОДОМЕРЫ
Оросительные системы — это сложный комплекс гидротехнических
сооружений, которые предназначены в определенное время и в нужном
количестве подавать воду на любые участки. Эта задача затрудняется
тем, что режим подачи воды меняется во времени довольно часто и тре-
бует перестройки работы сооружений в ходе их эксплуатации. Следова-
тельно, нужны практически непрерывные наблюдения на множестве
узлов и отдельных сооружений. Сложность состоит еще в том, что рас-
стояния между отдельными узлами и сооружениями на системах зна-
чительны.
Автоматизация управления гидротехническими сооружениями и ус-
тройствами с помощью электро-, радио- и телеприборов еще только на-
чинает внедряться и применяется на некоторых оросительных системах
в порядке экспериментально-производственных исследований. Средства
же для автоматического управления подачей воды на отдельном гидро-
техническом сооружении представлены значительным количеством при-
боров и устройств, рекомендуемых различными ^вторами; некоторые из
них приемлемы для массового использования, но требуют дальнейшего
совершенствования.
Главными объектами измерений на каждом гидротехническом со-
оружении являются уровни и расходы воды. Водомерность гидротехни-
ческого сооружения, обычно предусматриваемая при проектировании,
позволяет измерять уровни и вычислять расходы воды во время экс-
плуатации. Однако трудность этих замеров и вычислений бывает
разная.
При свободном истечении из-под щита или при истечении через во-
дослив расход определяется легко. Достаточно знать уровень воды пе-
ред щитом или водосливом и величину открытия щита для того, чтобы
определить расход воды. При затопленном истечении в этих же случаях
нужно еще знать уровень воды в нижнем бьефе, поэтому определение
расхода затрудняется, а точность уменьшается, так как вводится пере-
менный коэффициент затопления.
Чтобы сохранить постоянным расход, проходящий через сооруже-
ние во время эксплуатации, необходимо маневрировать затворами на
сооружениях. Для автоматизации этого процесса разработано много
различных конструкций водомерных устройств и приборов, основанных
на общеизвестных гидравлических принципах.
Например, постоянный расход при свободном истечении через водо-
слив с тонкой стенкой можно сохранить, обеспечив постоянство только
напора Я:
Q = mbH V2gH = MbH V Н,
если пренебречь незначительным изменением М от напора Н.
Для этого можно рекомендовать следующую схему, обеспечиваю-
щую постоянство расхода.
Поплавок 1 жестко связан тягой 2 с водосливом 3, который может
передвигаться в пазах и углублениях 4. Если в таком виде пытаться
осуществить этот принцип, то потребуется большой поплавок для не-*
большого сравнительно щитка, так как в пазах й в местах контакта
щита с гнездом:углублением возникает трение, увеличенное уплотняю-
щими приспособлениями. Следовательно, принцип этот нужно приме-
нять с учетом указанного обстоятельства и- передвижение поплав-
ка считать лишь как передачу сигнала на подъемное устройство
(рис. 45,а).
С такой же поправкой можно привести и еще один принцип сохра-
74
нения постоянства расхода, а именно, гпри свободном истечении из-под
щита: .
Q = цЬа. V 2gH ,
где Н — напор над центром тяжести отверстия.
Здесь постоянство расхода обеспечивается постоянством произве-
дения а УН, так как р, b, У 2g — величины практически неизменные
Рис. 45. Принципиальные схе-
мы автоматизации:
а — водосливд с тонкой стенкой;
б — плоского щита; в — сегментного
затвора; / — поплавок; 2 — жесткая
тяга; 3 — водослив; 4 — паз; 5—пло-
ский щит; О—геометрический центр:
Oi н О? — положения осн вращения
(ниже и выше центра).
При перемещении поплавка 1 через свободную опору О изменяется
в противоположную сторону открытие щита а (чем ниже поплавок,
тем больше открытие щита). Тарируя эти перемещения, можно добить-
ся постоянства их произведения, а следовательно, и постоянства расхо-
да. Здесь свободная опора О имеет также условное значение и открытие
или закрытие щита осуществляется подъемным механизмом по сигна-
лам поплавка 1 (рис. 45,6).
При сегментном затворе, когда чёрез геометрический центр прохо-
дит равнодействующая давления воды, а действительная ось вращения
затвора не совпадает с геометрической осью, возникает момент, помо-
гающий открывать или закрйвать сегментный затвор в зависимости от
расположения действительной оси вращения по отношению к геомет-
рическому центру: если действительная ось расположена ниже геомет-
рической, то момент силы гидростатического давления помогает откры-
вать затвор, а если выше, то сила гидростатического давления стремит-
ся прижать затвор к флютбету (рис. 45, в).
Если конструктивная или действительная ось вращения проходит
через точку О, находящуюся ниже геометрического центра О, возникает
момент:
Mt = Paly (67)
действующий по отношению к конструкции затвора по часовой стрелке.
При определенном уровне (например, максимальном), преодолев вес
затвора, он поднимает его автоматически.
Эти принципы, как и многие другие в том или ином конструктивном
выполнении, часто используются в различных автоматических устрой-
ствах и дают хорошие результаты при эксплуатации.
Приведем примеры некоторых предложений по автоматизации под-
держания заданных уровней воды и постоянства расходов.
в*
75
Группа научных работников Новочеркасского инженерно-мелиора-
тивного института разработала жалюзное затворное устройство на ри-
совых оросительных системах, предложенное инженером И. Ф. Руденко
(рис. 46).
Рис. 46. Автоматический воДовыпуск жалюзного типа.
- в
2 3 6

Много предложений по автоматическим устройствам разработал.
Я. В. Бочкарев [26]. Среди них рододействующие клапанные затворы-
автоматы на горизонтальных осях вра-
щения, регулирующие постоянство на-
пора перед ними, сбрасывающие воду.
под щит при повышении напора, и пор-
циональный вододелитель для автома-
тизации вододеления на межхозяйст-
венных и других каналах.
Вододействующие клапанные за-
творы основаны на упоминавшемся
принципе несовпадения геометриче-
ской и конструктивной осей вращения
со смещением конструктивной оси
вниз от геометрического центра.
Я. В. Бочкарёв дополняет црйнципи-'
альную схему конструкции направля-
ющими корректирующими поверхно-
стями, позволяющими изменять поло-
жение полотнища затвора и тем самым
сохранять возникшее соотношение, мо-
ментов сил с увеличением момента си-
лы веса затвора при его автоматиче-
ском подъеме.
Таким образом,' автоматически
поднявшись, щит остается в том же
положении до тех пор, пока
Новый уровень, воды не начнет
снижаться до намеченного заранее
положения,- изменяя угол на-
клона полотнища таким образом,
что заданный уровень остается при разных расходах одним и
тем же.
Рис. 47. Схема порциональиого водо-
делителя конструкции Я. В. Бочка-
рева:
1 — разделительная пластинка; 2—пластин-
чатая серьга; 3 — поворотная пластинка;
4 — привод; 5 — уплотнение; 6—ось враще-
76
Порциоиальный (делящий воду пропорционально) вододелитель
представляет собой разделительную пластинку, расположенную парал-
лельно оси потока и предназначенную для его разделения по ширине
в заданном соотношении (рис. 47).
Для широкой автоматизации оросительных систем в настоящее вре-
мя создаются соответствующие условия. На базе промышленного про-
изводства уже выпускаются механизмы и аппаратура специально для
автоматизации мелиоративных систем. Разрабатываются технические
решения и оснащения для введения на отдельных участках комплексной
телеавтоматизации.
Внедряются в производство и дают хороший эффект системы гид-
равлического авторегулироваиия на оросительных каналах. В не-
далеком будущем все главнейшие - мелиоративные системы - бу-
дут управляться и обслуживаться новейшими автоматическими при-
борами и аппаратурой.
Глава VI
ВОДОПРОВОДЯЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 1. ОСНОВНЫЕ типы ВОДОПРОВОДЯЩИХ СООРУЖЕНИЙ
И ХАРАКТЕРНЫЕ ИХ ОСОБЕННОСТИ
В о до пр о водящими называются такие гидротехнические соору-
жения, С помощью которых вода транспортируется к месту назначения
и преодолевает встречающиеся на пути препятствия без значительной
разности уровней подводящего и отводящего каналов. --
Водопроводящие сооружения называют еще и сооружениями на пе-
ресечениях [169], так как они должны обеспечивать транспортирование
воды на участках пересечения каналов с естественными (балки, ов-
раги, речки) и искусственными (каналы, дороги, насыпи и др.) пре-
пятствиями, встречающимися на пути трассирования канала.
Лотковый канал на Донской оросительной системе.
77
Входной оголовок дюкера на Донской оросительной системе. .
К водопроводящим сооружениям относятся: трубы, акведуки, дю-
керы, туннели, лотки, а также каналы на косогорных участках и в глу-
боких выемках и всякие водоотводящие устройства при строительстве
основных инженерных сооружений.
Из двух пересекающихся открытых водотоков на основе технико-
экономических сравнений выбирают один, расход которого необходимо
пропустить через сооружение.
Если канал пересекдет небольшой по ширине и глубине овраг, то
под каналом устраивают трубу для пропуска воды, протекающей по
оврагу.
Трубы под каналами и дорогами, обеспечивающие пропуск талых
?и ливневых вод с вышележащей площади водосбора, называются лив-
неспусками.
Для того чтобы не вызывать большого подпора перед трубой-ливне-
спуском, а также предупредить возможное заиление трубы, их
устраивают с открытыми выходами, с прямолинейной средней и вы-
ходной частями, работающими преимущественно в условиях безнапор-
ного течения.
Напорный режим допускается в исключительных случаях: при про-
пуске катастрофического расхода и лишь там, где повышение- уровней
воды перед трубой не создает неблагопрятных условий для трассируе-
мого канала.
Для создания напорного режима в трубах глубина воды h над дном
входного приямка должна быть равна:
1,75 а + 0,3—, “ (63)
2g
где а—диаметр круглой или высота прямоугольной трубы;
v—скорость воды в трубе [79];
Для пропуска малых расходов применяют’ обычно круглые трубы
сборной конструкции диаметром 1—1,5 м. При необходимости пропуска
больших расходов ливнеепуски устраивают из прямоугольных труб в
одно или несколько очков.
Лотки, как водопроводящие сооружения, устраивают на косогорах
78
вместо земляного канала. Они представляют собой в поперечном се-
чении железобетонную или бетонную коробку с бортами в виде подпор-
ных стен и укрепленным дном (бетонные плиты, мостовая, втрамбован-
ный гравий с битумом и др.).
При переходе неглубокого оврага каналом в выемке вместо труб-
чатого ливнеспуска устраивают лоток на опорах для пропуска ливневых
вод через трассируемый канал. В этом же случае на опорах может
быть уложена железобетонная труба прямоугольного сечения.
Расчетные расходы воды сооружений на пересечениях принимают
равными расчетным расходам воды в каналах или водотоках.
Рассмотрим кратко три главнейших типа водопроводящих соору-
жений: акведуки, дюкеры и туннели.
§ 2. АКВЕДУКИ
Наиболее древним и типичным водопроводящим сооружением слу-
жит акведук — мост для транспортирования воды. По акведуку вода
движется, как по каналу, с равномерным режимом.
Рис. 48. Схема акведука иа рамных опорах:
а— береговая двухстоечяая рама; б — то же, одностоечная: в — план.
Акведуком можно пересечь широкую пойму реки или долину с не-
большим водотоком (рис. 48). Опорами таких акведуков (рис. 48, а)
могут быть двухстоечные рамы, а собственно кодбпроводящим устрой-
ством—лоток разрезной конструкции со швами через 10—15 м по дли-
не. Этот же случай перехода через малый водоток с широкой поймой
может быть конструктивно решен и несколько иначе (рис. 48,6). Бере-
говыми опорами могут служить одностоечные рамы, а в пролете одна
или несколько двухстоечных рам. Число двухстоечных рам определяет-
ся шириной поймы или фактическим протяжением акведука.
Акведуки такого типа могут транспортировать большие расходы
воды, достигающие десятков кубических метров в секунду. Входной и вы-
ходной оголовки акведуков различаются тем,’ что выходной оголовок
79
имеет для сопряжения с отводящим каналом наклонный участок, на ко-
тором вода снижает повышенные скорости до обычных для земляного
канала (рис. 49).
Типовые акведуки сборной конструкции для малых расходов воды
на рамных опорах и с водопроводящйм лотком представлены во мно-
гих альбомах, разработанных Гипроводхозом и другими проектными
институтами и организациями.
Как пример типового решения применительно к горным условиям
можно привести акведук, состоящий из асбестоцементных труб, уло-
Рис. 49. Схема сопряжения канала с акведуком:
а — вход; б — выход.
женных на стандартных-со-
ставных опорах высотой до
10 м, и проводящий расходы
воды до 1,2 м?1сек (рис. 50,
51).
Акведуки устраиваются
в тех случаях, когда отметки
проезжей части дороги или
уровень воды пересекаемого
водотока ниже пролетного
строения акведука.
Возвышение нижией ча-
сти пролетного строения ак-
ведука над Максимальным
расчетным уровнем воды пе-
ресекаемого водотока долж-
ны быть ие менее 0,5 м, а
над автомобильной и желез-
ной дорогой принимается
по СНиП. На судоходных
водотоках указанное возвы-
шение должно обеспечивать
пропуск судов под акве-
дуком.
Глубину заложения опор
акведука назначают с уче-
том глубины промерзания
грунта и глубины возмож-
ного максимального -раз-
мыва водотоком русла в
створе размещения акве-
дука.
Возвышение верха сте-
нок лотка акведука над максимальным расчетным уровнем воды в нем
принимают в зависимости от расхода Д65] ^табл. 11). J
Таблица 11
Расход, м?!сек <1 1-10 10—30 30—50 50-100
Возвышение верха стеиок лотка над максималь- ным расчетным уровнем воды в см. .... . 10 20 30 35 40
Конструкция акведука должна обеспечивать: плавность сопряжения
входной и выходной части сооружения с каналом, что достигается уст-
ройством ныряющих стенок, косых плоскостей и др.; пропуск шуги и
плавающих тел; водонепроницаемость швов лотка; отвод воды, фильт-
рующейся из подводящего и отводящего каналов, что достигается
80

Рнс. 50. Сборный акведук с пролетным строением из асбестоцементных труб на расход до 1,2 м?/сек, с опорами высотой до 10 м (Киргиз-
гипроводхоз).
устройством дренажей, располагаемых в пределах входной и выходной
части сооружения.
Акведуки могут быть бетонными, железобетонными, деревянными
и реже металлическими. Бетонные и деревянные акведуки имеют кон-
струкции, аналогичные конструкциям мостов: опоры примерно такие
Рис. 51. Детали сборного акведука:
Рис. 52. Схема движения воды в акведуке.
• а —труба на опоре; б и д — соединение блоков опоры; в — соединение блоков разной ширины;
г — верх опоры; е — соединение опоры с фундаментом; ж— сборная опора; з стык звеньев трубы:
« — фундаментная плита; к—сопряжение труб разных уклонов.
же, как и в мостовых переходах, а вместо проезжей части водопроводя-
щее устройство в виде лотков или труб. Когда при возведении акведука
устраивать опоры по техническим или экономическим соображениям не-
целесообразно, проектируют
акведуки арочного типа
(железобетонные) с переда-
чей распора на берега, если
они достаточно прочны. При
грунтах средней прочности
устраивают лотки арочно-
подвесной конструкции, ког-
да лоток, будучи подвешен-
ным к арке, работает как за-
тяжка, принимая на себя распор арки. Металлические акведуки могут
быть подвесными, имея на берегах трубчатые сваи-опоры, к которым
на тросах подвешивается лоток из листовой стали. Такие адведуки при-
меняют в горных условиях для преодоления сравнительно больших про-
летов (до 50 м).
Гидравлический расчет выполняют для входа в акведук, лотка ак-
ведука и выхода из лотка акведука в канал.
Схема протекания воды в акведуках показана на рисурке 52. На
входе в акведук происходит явление жак на затопленном водосливе с
широким порогом, в этом случае пользуются формулой:
Q = е<р£>Аа V 2^гили Q = mbc Ноп У 2gH , '
•82
где tn— коэффициент расхода, равный примерно 0,35;
Н—глубина воды в канале над порогом входа;
оп — коэффициент подтопления;
ha— глубина воды в лотке акведука;
Ьс — е.Ь, где е определяется по формуле (58)
Рис. 53. Конструкции входной части, акведука:
а — разрез по оси; б — план; в — соединительные швы; / — глинобетон; 2 — вход; 3 — акведук;
4— дренаж; 5 — шов: 6 — конопатка; 7 — битум; 8 — битумные маты; 9 — подготовка; 10 — тощий
бетон; 11 — бетон; 12 — железобетон.
На Лотке акведука наблюдается равномерный режим, и уклон дна
для расчетнЬгё'расхода определяется-из.уравнения:
у о» \\
где v— скорость в-этотке акведука;
С— коэффициент в формуле Шези, который можно определять по
формулам Н. Н. Павловского, Маннинга и др.;
R—гидравлический радиус живого сечения лотка акведука;
i — уклон дна лотка.
На выходе величину Д/г понижения дна отводящего канала против
отметки дна лотка акведука можно было бы определить из уравнения
Бернулли, составив его для двух створов: конца лотка и начала от-
водящего канала, но вследствие ее небольшого абсолютного значения
величину Д/г можно принимать примерно равной г — величине перепа-
да на входе.
83
Статический расчет акведука в зависимости от его конструкции де-
лится на расчет опор и расчет лотка. Если опоры и лоток не имеют
между собой жесткой связи, то их рассчитывают раздельно. Если же
они конструктивно представляют собой одно целое, то и рассчитывают-
ся как рамы, образованные опорами-стойками и лотками-ригелями.
В обоих случаях рассчитывают фундамент под опорами. ч
Рис. 54. Конструкция швов лотка акведука:
а — металлическая пластинка:*б, в —съемная накладка с бнтууом нли мастикой; г — съемная про-
резиненная накладка;, д — съемная накладка с уплотняющей деталью.
При расчете лоток можно считать не ригелем рамы, а балкой, если
жесткость опор будет значительно превышать жесткость ригеля (лотка),
то есть принимать лоток акведука как консольно-балочную систему, что
несколько облегчает расчет.
Тогда, приняв из условия равенства моментов в продете и на опо-
рах длину консольных участков равной 0,351, где Z — длина пролета,
величину моментов в пролете и на опорах можно определить пб сле-
дующим формулам:
м.-?,
где Af0—момент на опоре; 4 е 'т
а — длина консоли; ‘ Ч
q— равномерно распределенная нагрузка от ссфрйенного
- лотка и веса воды в нем; ~ ~ ' ;
М ql2 qa2 ~qa2 qa2 qa2
r 8 2 — 0,352-8 2 ~ 2 ’
(69)
веса
(70)
где All — максимальный-момент в пролете.
Опоры в этом случае можно рассчитать, как отдельно стоящие ко-
лонны или рамы (в зависимости от их конструкций), и проверить об-
щую устойчивость сооружения на боковую нагрузку (ветер) и сейсми-
ческие условия. Водонепроницаемость швов акведукй должна быть обес-
печена, причем стыки конструктивных деталей и элементов могут быть
двух различных типов (рис. 53, 54).
Первым типом'можно считать стыкование входной (или выходной)
части акведука с лотком акведука, которые выполняют на грунте, слу-
жащем основанием койструктивному шву. В этом случае применяют
коробчатую или плитчатую подкладку, куда помещают зубья лотка
84
акведука и входной (или выходной) его части, имеющие битумную про-
слойку (рис. 53,в). -
' Ко второму типу относятся различные конструкции швов, распо-
ложенных в пролете между береговыми опорами и не имеющих поэтому
поддерживающего элемента.
Простейшей конструкцией шва второго типа будет металлическая
пластинка, расположенная по периметру торцовой части лотка и вво-
дящая наполовину в оба соединяемых аАемента. В один элемент пла-
стинку бетонируют наглухо, а в другой помещают, предварительно сма-
зав маслом, парафином или мылом. Смазка необходима для того, чтобы
была возможность свободного перемещения этого конца пластинки без
нарушения водонепроницаемости (рис. 54).
$ 3. ДЮКЕРЫ
Вместо акведуков, когда их стоимость оказывается очень большой
или когда применение их технически нецелесообразно, устраивают на-
порные трубы, или дюкеры.
Перечислить все возможные условия и случаи, при которых дю-
кер наиболее в технико-экономическом отношении целесообразен,
нельзя: при решении конкретного примера нужно учитывать многие
обстоятельства и факторы, как и при проектировании любого гидротех-
нического сооружения.
При переходе через широкие долины или через глубокие овраги
может оказаться, что дкжер будет дешевле акведука, так как стоимость
многочисленных массивных или очень высоких опор окажется больше
стоимости дюкера, имеющего в соответствии с рельефом местности лег-
кие промежуточные опоры и небольшое число анкерных опор.
Если же отметки уровня воды в трассируемом канале почти сов-
падают с отметками уровня воды пересекаемого водотока или с отметкой,
проезжей части пересекаемой каналом дороги, то устройство дюкера
диктуется чисто техническими соображениями, так как устраивать ак-
ведук здесь технически нецелесообразно.
Конструкции дюкеров должны удовлетворять следующим основным
требованиям [165]:
а) возможность систематического осмотра, ремонта и очистки со-
оружения в процессе эксплуатации; в отдельных случаях предусмат-
ривается устройство грязевиков для осаждения наносов;
б) водонепроницаемость швов;
в) возможность некоторого' смещения отдельных участков трубо-
провода относительно друг друга при неравномерной осадке основания;
г) возможность спуска или откачки воды на время ремонта со-
оружения или выключения канала из работы;
д) обеспечение отвода фильтрационных и прочих вод за пределы
сооружения.
Дюкеры могут быть малыми и большими, в зависимости от расхода
воды, который они проводят, и капитальности сооружения.
Малые дюкеры (рис. 55) в конструктивном отношении представ-
ляют собой два колодца (входной и выходной), соединенные между со-
бой горизонтальной трубой. Такие дюкеры устраивают для пропуска
небольших расходов и рассчитывают по разности уровней верхнего и
нижнего бьефов (УВБ и УНБ), обеспечивающей пропуск расчетного
расхода дюкером. Разность УВБ и УНБ бывает, как правило, невелика.
Большие расходы проводят дюкеры более сложных конструкций
(рис. 56). Они отличаются от малых тем, что входной и выходной ко-
лодцы заменены оголовками, а вместо короткого горизонтального уча-
стка-—два наклонных и один горизонтальный, который может быть и
коротким и как угодно длинным.
85
В тех случаях, когда при устройстве дюкера канал пересекает ши-
рокую долину или глубокий овраг, трубопроводы дюкера располагают
на поверхности земли без заглубления в грунт (рис. 57).
Вид укладки труб (по поверхности земли или с заглублением в
грунт) выбирают в зависимости от местных условий и условий эксплуа-
Рис. 55. Колодезный дюкер для небольших расходов:
/ — входной колодец; 2 — грязевик; 3 — горизонтальная труба; 4 — выходной колодец; 5 — решетка..
Рис. 56. Железобетонный двухочковый дюкер:
а — разрез по оси; б — план.
тации дюкера и обосновывают технико-экономическими расчетами. Дю-
керы располагают на анкерных и промежуточных опорах. Необходи-
мость устройства Опор, их число, глубина заложения и размеры должны
быть обоснованы расчетом.
Трубопроводы дюкера по возможности выполняют из звеньев го-
товых труб (железобетонных, армоцементных; асбестоцементных и др.),
выпускаемых заводами.
86
Дюкеры могут быть бетонными или железобетонными, металличе-
скими, деревянными, смешанной конструкции.
Бетонные дюкеры устраивают при напорах до 0,3 ат (Н=3 м).
Железобетонные дюкеры допускают напор 3—5 ат (Н~30—50 м).
Железобетонные предварительно напряженные трубы выдерживают на-
пор 10 ат, то есть до Н=100м.
Металлические дюкеры практически не имеют предела в установ-
лении напора. Однако при их проектировании следует иметь в виду
дефицитность и высокую стоимость высоконапорных металлических.
Рис. 57. Схема длинного незаглубленного дюкера:
/ — анкерные опоры; 2 — промежуточные опоры.
Рис. 58. Конструкция входного оголовка дюкера:
/ — подводящий канал; 2— решетка; 3 — рабочий мостик; 4 — пазы для щита или
шандор; 5 —люк для осмотра трубы.
труб. Поэтому их нужно применять только в особых случаях, когда с
металлом не могут конкурировать никакие другие материалы. Устраи-
вать металлические трубопроводы дюкера с максимальным давлением
мёЬеёЛО ат допускается только при специальном обосновании.
Деревянные дюкеры также допускают большие напоры, но практи-
чески пределом внутреннего давления в деревянной трубе считается
H=2Q—30 м. ’
Независимо от того, из какого материала устраивается труба дю-
кера, входной и выходной оголовки обычно делают бетонными или же-
лезобетонными.
Входной оголовок имеет характерные особенности и некоторые обя-
зательные элементы конструкций.
1. Верхняя кромка трубы дюкера должна быть заглублена под ми-
нимальный уровень воды на величину Д/i, определяемую гидравличе-
ским расчетом. При круглой трубе она равна примерно 0,6 2), где D —
диаметр трубы дюкера.
2. На входном оголовке обязательно должна быть решетка, не до-
пускающая попадания в дюкер мусора и плавающих предметов, попав-
ших в зону увеличенных скоростей перед дюкером (рис. 58).
3. Шандорные пазы предусматривают на случай ремонта дюкера
или нижележащих участков канала.
4. Рабочие мостики устраивают для маневрирования шандорами и
очистки решетки.
87
5. Участок от пазов щита, до входа в трубу дюкера должен быть
перекрыт рабочим мостиком, в котором оставляют закрывающийся или
огражденный перилами люк для осмотра дюкера н производства ре-
монтных работ.
6. Если па дюкере по условиям эксплуатации, необходимо иметь
регулирующее устройство, то вместо шандор или кроме них предусмат-
ривают затвор. Обычно же на дюкерах ограничиваются только шандо-
рами. Выходной оголовок также доджей иметь шайдориые пазы и ра-
бочий мостик, если нижележащий участок по условиям эксплуатации
может быть заполнен водой во время ремонта дюкера (рис. 59).
Рис. 59. Конструкция вы-
ходного оголовка дюкера:
/ — пазы для шандор; 2 — рабо-
чий мостик; 3 — отводящий ка-
нал.
В пониженной части дюкера для возможности его опорожнения в
•случае ремонта и очистки от задержавшихся н а носов .у стр айв а ют отвер-
стие для выпуска воды. • ;
В железобетонных и деревянных трубах для этой цели вставляют
металлическое кольцо.
Для предотвращения фильтрации грунтового потока под трубой
дюкера у входного и у выходного оголовков устраивают шпунтовые
ряды.
На рисунках 60, 61 и 62 представлен дюкер Кубань-Егорлыкской
обводнительно-оросительной системы, рассчитанный за пропуск расхо-
да воды 20 м31сек.
Некоторое неудобство конструкции, показанной’ на этих чертежах,
состоит в расположении регулирующих затворов ниже входного оголов-
ка. Перенос затворов на низшую отметку лучше обеспечивает постоян-
ство напорного режима в дюкере» цо удорожает конструкцию и создает
неудобство маневрирования затворами.
В практике распространены дюкеры’деревянной конструкции.
.88 * .

Рис. 62. Выходной оголовок Дюкера (к рис. 60).

-Небольшие трубы прямоугольного сечения, устраиваемые из досок,
должны иметь достаточную водонепроницаемость, что представляет
затруднения, так как соединение деревянных элементов, находящихся
под напором, без металлических стяжек не всегда это обеспечивает.
Для дюкеров, рассчитываемых на пропуск большого расхода воды
и работающих под значительным напором, применяется иногда сборная
конструкция из деревянных
клепок, стягиваемых металли-
ческими бандажами. Эту кон-
струкцию называют также бо-
чарной потому, что она устра-
ивается по принципу деревян-
ной бочки, стянутой железны-
ми обручами.
Деревянный трубопровод
сборной конструкции распола-
гается на опорах: анкерных,
устраиваемых на переломах
рельефа местности и в местах
пересечения водотоков, и про-
межуточных, которые ставят на
участках спокойного рельефа и
между анкерными опорами.
Анкерные опоры устраива-
ют бетонными и железобетон-
ными, а промежуточные — бе-
тонными в форме седловины
с охватом трубы по дуге
90—180° или деревянными
Бандажи, стягивающие де-
ревянные клепки, охватывают
в поперечнике всю трубу и схо-
дятся концами с нарезкой и
гайками в замке — башмаке,
обеспечивающем возможность натяжения бандажей. Деревянные клепки
по длинной стороне могут иметь скосы для лучшего сопряжения между
собой, а в торцах для обеспечения водонепроницаемости они снабжают-
ся металлическими пластинками (рис. 64).
Толщину клепки можно определять по формуле В. С. Гвоздева [47]:
t = 0,lSV7>, (71)
где t — толщина клепки, см;
S—расстояние мсжду бандажами (в осях), см;
Р— внутреннее давление в трубе, кг/см2.
Диаметр бандажей и расстояние между ними определяются урав-
нениями:
№ [о] = SP(R + 80
при Р < 5,3 кг/см2,
лг2[р] =SP(P + 1,50
при Р> 5,3 кг/см2.
Здесь Р—расчетное давление в дюкере, кг/см2-,
S— расстояние между осями бандажей, см;
[<т]—расчетное напряжение на растяжение для стали, кг/см2-,
R— внутренний радиус трубы, см;
г— радиус бандажа, см;
t—толщина клепок, см.
(рис. 63)
91
После определения диаметра бандажей (с? = 2г) и расстояния меж-
ду ними S проверяют дерево на смятие.
Принимая расчетной величину вмятая равной г по горизонтальной
проекции, а напряжение дерева на смятие поперек волокон [<т]см по
формуле:
Иб= Мсм'СЯ + О,
(72)
можно определить [<т]см и сравнить его с
и техническим условиям проектирования,
Рис. 64. Детали сборного деревянного дюкера:
/ — соединение концов бандажей в замке; 2 — замок
(башмак); 3 — поперечное сечение трубы дюкера;
4 —стык деревянных клепок; 5 — внд сбоку деревян-
ной трубы с металлическими бандажами; 6 — клепка
со скошенными краями; 7 — прямоугольная клепка;
8, S —натяжные устройства (взамен башмаков).
расчетным. Согласно нормам
требуется, чтобы длина клеп-
ки была не менее 2,5 м для
трубопроводов внутренним
диаметром до 2 м и не ме-
нее 3 м для трубопроводов
внутренним диаметром свы-
ше 2 м при расстояниях
между бетонными промежу-
точными опорами, равных
2—3 м.
В. С. Гвоздев [47] ре-
комендует принимать дли-
ну клепок не менее 5 м с та-
ким расчетом, чтобы клепка
могла разместиться, на двух
опорах при расстоянии меж-
ду ними, равном 4,5 м, когда
промежуточными опорами
служат типовые парные де-
ревянные опоры рекомендуе-
мой им конструкции (рис.
63,6).
Деревянные дюкеры
сборной конструкции имеют
следующие главные преиму-
щества по сравнению с дю-
керами из других материа-
лов:
1) деревянные трубы в
пределах их применения
всегда дешевле труб из дру-
гих материалов;
2) в гидравлическом от-
ношении в деревянной трубе
меньше потери вследствие
малой Шероховатости;
3) легко выполняются
плавные закругления;
4) проще монтаж и дешевле ремонт;
5) не гниют и не ржавеют под напором (ДмИН = 5—6 м);
6) устойчивы против химических воздействий (их не разрушают со-
ли и кислоты);
7) для деревянных трубопроводов не опасны низкие температуры —
из-за малой величины коэффициента линейного расширения, им не тре-
буются компенсаторы;
8) менее подвержены неприятным последствиям при осадках опор.
Однако деревянные дюкеры имеют и существенные недостатки, ко-
торые иногда полностью исключают возможность их применения:
1) не везде и не всегда имеется материал для изготовления дере-
вянных трубопроводов;
92
2) закладка в тело плотины и засыпка деревянных труб по техни-
ческим соображениям исключены. Технические условия в некоторых
случаях допускают засыпку землей на 1,5н-2,5 м деревянных труб диа-
метром до 1 м, но таких диаметров в дюкерах почти не применяют;
3) при небольшой скорости (против расчетной) может произойти
промораживание трубопровода;
4) практически диапазон применения деревянных дюкеров сборной
конструкции ограничивается следующими величинами: // = 15н-20 м,
<2 = до 10 м3)сек при D от 1 до 2 м.
Рис. 65. Поперечное сечение прямоугольного дюкера:
а — схема нагрузок и эпюра моментов для давлений от засыпки; б — то же. для давления воды;
в — расчетные сечення: 1—1 — ригель в узле; 2—2 — ригель в пролете: 3—3 — стойка в узле;
4—4 — стойка в пролете.
С увеличением напора Н уменьшается расстояние между бандажа-
ми, что увеличивает число бандажей на 1 пог. м трубы. При напоре
// = 20 м и при диаметре трубы, равном 2 м, число бандажей на 1 пог. м
уже равно 4—5, что при диаметре бандажа d=2 см дает расстояние
между ними в свету примерно около 20 см. Дальнейшее увеличение на-
пора еще сгустит бандажи, и деревянная труба по затрате стали будет
приближаться к металлической;
5) по сравнению с другими материалами долговечность деревян-
ного трубопровода невелика, но экономическая сторона этого вопроса
в конкретных случаях должна быть рассмотрена, так как неизвестно,
что будет, в конечном итоге, дешевле.
Статический расчет металлического дюкера состоит в определении
толщины стенки трубы по формуле:
6 = (73)
2ан ’ v
где 6—толщина стенки трубы, м\
Н—напор внутри трубы, м~,
D — диаметр трубы, м;
<ти—расчетное напряжение на разрыв для металла стенки трубы,
кг!см2, а также в расчете анкерных и промежуточных опор
с учетом температурных деформаций трубопровода и явлений
гидравлического удара.
Железобетонный дюкер рассчитывается как замкнутая рама для
двух случаев: на давление засыпки при отсутствии воды в трубе и при
наличии внутреннего давления воды, но при отсутствии засыпки.
В первом случае для одноочкового дюкера прямоугольного сечения
характер эпюры моментов будет примерно следующим, если боковую
трапецеидальную нагрузку заменить средней прямоугольной (рис. 65,а).
93
Второй расчетный случай — давление воды без засыпки — даст не-
сколько иную картину (рис. 65,6).
По этим эпюр«м армируют принятое сечение дюкера на внешнюю
и внутреннюю нагрузки в соответствии с данными, полученными-по ста-
тическому расчету.
Задаваясь маркой бетона и стали, рассчитывают каждое из сечений
на оба расчетных случая и определяют необходимую площадь армату-
Ры, после чего подбирают ее
। __________________ сечения (число стержней, мар-
ка каркасов и др.), соблюдая
правила конструирования (рис.
65, в).
После этого проверяют уг-
ловые сечения верхней и ниж-
ней плит на поперечные силы,
определяют ширину раскрытия
трещин для того, чтобы устано-
вить ее допустимую величину.
Гидравлический расчет дю-
Рис. 66. Расчетная схема к определению
условий пропуска минимального расхода
воды.
кера следует вести, исходя из
скорости течения воды в трубе, назначаемой по условию незаиляемости
трубопровода. Скорость воды в трубе принимают порядка 1,5 -ч-
н- 4,0 м)сек, но не менее скорости воды в Канале.
Дюкер рассчитывают как напорную трубу ио формуле:
Q = |w]/2gz0,
где р = 1/ -----коэффициент расхода дюкера;
* Сс
£с—сумма коэффициентов сопротивления по всей длине
— дюкера, равная£вх £дл -Г ям
со—площадь сечения трубы дюкера;
9
ац.
z0 = г-J- —--разность отметок уровней бьефов с учетом скорости
подхода.
Трубу дюкера, имеющую значительное протяжение, проверяют на
возможность образования прыжкового сопряжения в пределах началь-
ной наклонной ее части (рис. 66).
Если принять, что подводящий и отводящий каналы имеют одина-
ковое сечение, то разность Уровней верхнего и нижнего бьефов по ри-
сунку 66 должна быть равна zMaKC при любых расходах. Фактически
же уменьшенный расход потребует и меньшей разности уровней. При
прохождении минимального расхода может встретиться такая гидрав-
лическая схема: в верхнем бьефе уровень воды упадет й может обра-
зоваться кривая спада с явлением гидравлического прыжка в трубе.
Если разница между максимальным и минимальным перепадом
уровней на сооружении (zM3KC— гмин) будет незначительна и пони-
жение уровня воды перед трубой дюкера не выйдет за пределы допу-
скаемого, то есть будет меньше принятой величины Ай, то поверочный
расчет можно на этом закончить и никаких мер конструктивного ха-
рактера не предпринимать. Если же эта разница будет такой, как по-
казано на рисунке 66, то нужно или изменить сечение трубы дюкера,
или дополнительными конструктивными мерами предотвратить появле-
ние нежелательного снижения уровня воды в верхнем бьефе. Этого
можно добиться введением дополнительного сопротивления в нижнем
оголовке дюкера (спицы, решетка) или понижением дна канала при
входе в дюкер. Прибегать к таким мерам конструктивного характера
94
(74)
нужно в редких случаях, так как разность отметок обычно не может
превышать величины, определяемой по формуле:
о®
г = —.
Если принять, например, возможную скорость v = 2,5—3 м/сек, а
коэффициент расхода р=0,6 (в запас расчета), то и в этом случае
гмакс = —— - 1,25-г-1,30 лс.
“ак 0,36-20
Принимая во внимание, что часть действующего напора от zMaKC
сохраняется для обеспечения выходной скорости при минимальном рас-
ходе, получим величину понижения уровня воды в верхнем бьефе наи-
большую из возможных:
^макс ^действ ^,3 1,0 ЛС.
Поэтому можно к величине необходимого запаса в уровне воды
над верхней кромкой трубы прибавить еще и эту подсчитанную раз-
ность, после чего никаких дополнительных конструктивных мер пред-
принимать не нужно. Величину Лй для простоты можно проверять по
формуле:
2 9
. (75)
Окончательные размеры поперечного сечения труб дюкера и вели-
чины скорости воды устанавливают в результате технико-экономических
сравнений.
§ 4. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТУННЕЛИ
Гидротехнические туннели представляют собой водоводы, устраи-
ваемые в земной коре без удаления вышележащей массы грунта. Чаще
всего туннели как водбпроводящие сооружения устраивают в горных
условиях, где трасса водовода встречает на своем пути возвышенности,
которые нужно пройти туннелем, так как обход по косогору бывает
менее приемлем и по техническим и по экономическим соображениям, а
прорезь глубокой выемкой практически исключается вследствие боль-
ший высот пересекаемого препятствия. Однако туннельные работы в гид-
ротехнике применяют не только в горных условиях, но и при пересече-
нии водоразделов на равнинах (Доно-Сальский водораздел при трас-
сировании Донского магистрального канала), а также в некоторых
других случаях (р. Неглинка в г. Москве и др.).
К устройству туннеля прибегают в следующих случаях:
1) ось водовода (трассцруемопт'-кайала) лежит так глубоко под
дневной поверхностью, что открытая выемка или обход данного места
оказывается значительно дороже туннеля;
2) трасса водовода идет по крутому склону, где наблюдаются
оползни, осыпи, лавины, камнепады и другие явления, затрудняющие
условия возведения и эксплуатации канала;
3) трасса водовода проходит по густо застроенной населенной
местности (по аналогии с метрополитеном).
В гидравлическом отношении туннели работают как напорные или •
безнапорные трубы.
По водохозяйственному назначению гидротехнические туннели де-
лятся на:
ирригационные и обводнительные, например туннели на Невинно-
мысском канале, на магистральном канале Мало-Кабардинской оро-
сительной системы, на Донском магистральном канале и др.;
95
гидроэнергетические, устраиваемые на деривационных каналах
гидроэлектростанций (например, на Рионской ГЭС в Грузии, Гизель-
донской ГЭС на Кавказе, НиваГЭС в Карельской АССР и др.);
водопроводные и канализационные, встречающиеся, как правило,
в крупных населенных пунктах;
судоходные и лесосплавные, применяемые на реках и крупных ка-
налах. По одному из многих проектных вариантов Волго-Донского сое-
динения судоходный канал между Волгой и Доном был запроектирован
в форме туннеля.
В зависимости от положения оси и характера туннельной 'выработ-
ки существуют различные наименования туннелей:
туннели, когда оси их горизонтальны или слегка наклонны;
штольни, если выработка сравнительно невелика в поперечном
сечении или имеет вспомогательное назначение;
штреки — короткие туннельные выработки служебного назна-
чения;
шахты, когда их оси вертикальны или круто наклонены.
В естественном состоянии на некоторой глубине от дневной поверх-
ности грунт находится в напряженном состоянии вследствие того, что
вышележащие породы своей тяжестью давят на нижние слои. При про-
ведении туннельных работ существующее равновесное состояние на-
рушается.
При выработках на некоторой глубине, если грунт недостаточно
прочен, происходит обрушение части его и в первую очередь со сторо-
ны кровли. Устраивая облицовку произведенной выработки, нужно рас-
считать ее так, чтобы она воспринимала горное давление, проявляю-
щееся со стороны окружающего ее грунта.
Величина горного давления зависит от многих факторов: геологи-
ческих и гидрогеологических условий в районе предстоящих работ; фи-
зико-механических свойств пород; формы и размеров поперечного сече-
ния выработки; расположения трассы в продольном отношении (гори-
зонтальная, наклонная, вертикальная); времени между произведенной
выработкой и устройством облицовки и др.
Существуют многие теории и гипотезы, на основании которых авто-
ры их предлагают соответственно и методы инженерного расчета тун-
нелей.
Наиболее проста теория горного давления, трактующая его величи-
ны по аналогии с гидростатическим давлением: чем глубже заложена
выработка, тем больше давление (как в воде). Но это было бы близко
к истине для легкоподвижных грунтов плывунного типа и очень да-
леко от действительности для более или менее крепких или связных
пород.
Некоторые авторы рекомендуют определять величину горного дав-
ления с помощью теории сыпучих-тел. -- .
Есть сторонники предположения о том, что породы обладают свой-
ствами упругости, являются изотропными. Они предполагают опреде-
лять величину горного давления на основе теории упругости.
В каждой из этих предпосылок имеется разумное зерно, и для
определенной категории грунтов и пород та или иная из них приведет к
более или менее приемлемым результатам, но ни одна из них не может
быть универсальной.
Заслуживают внимания современные методы, основанные на наб-
людениях в натуре и констатирующие образование над выработками
естественного свода различного очертания и различной величины.
Наиболее удачным и правильным оказался метод проф. М. М. Про-
тодьяконова, предложенный и разработанный им в стройную и легко
применимую в практических условиях теорию.
Теория М.. М. Протодьяконова. кроме того, что она главной пред-
96
о’
а О
Рис. 67. Схемы горного давления- по
М. М. Протодьяконову:
а — крепкие породы; б — мягкие породы.
посылкой принимает образование свода, предусматривает возможность
применения к горным породам .законов теории сыпучих тел с введе-
нием вместо настоящего коэффициента трения так называемого кажу-
щегося коэффициента трения, учитывающего, кроме сил трения, также
и силы сцепления между отдельными частицами. Этот коэффициент наз-
ван М. М. Протодьяконовым коэффициентом крепости пород
fK. Он изменяется в широких пределах—от 0,3—0,6 для плывунов,
песка, супеси, растительного грунта и торфа до 20 и выше для креп-
ких горных пород — базальтов, порфиритов и др. Таким образом,
охватываются все категории грунтов, практически встречающиеся при
туннельных работах как в горных,
так и в равнинных условиях.
М. М. Протодьяконов рассмат-
ривает две основные схемы горного
давления: 1) для крепких пород, Aj
когда бокового давления практиче- 1
. скн нет или оно весьма мало, и 1
2) для мягких пород, когда наряду Ц
с вертикальным давлением наблю-
дается еще и боковое.
По первой схеме предполагается
(рис. 67, а), что обрушение произой-
дет только со стороны кровли и на-
высоте Н по линии АОВ прекратит-
ся, то есть образуется естественный
свод, причиной образования которого
Приняв условие равновесия для элемента свода, находящегося под
действием сжимающих сил, проф. М. М. Протодьяконов получил урав-
нение параболы для очертания свода с параметрами Н и I, которые не-
обходимы для расчета и величина которых определяется при двойном
запасе устойчивости свода:
Н = —, (76)
2/к ' ’
где Н— высота свода обрушения или естественного свода в ключе;
Г— щирица выработки (пролет в свету);
/к-~ коэффициент крепости породы.
Величина вертикального горного давления Р на единицу длины
туннельной выработки будет равна весу свода обрушения, то есть равна
площади параболы ЛОВ, умноженной на объемный вес породы и ца
единицу погонной меры перпендикулярно плоскости чертежа:
Р-..-±1Нт\, V (77)
где Р— вертикальная сила горного давления, равная весу свода об-
рушения;
у— объемный вес породы;
I— пролет выработки;
Н— высота свода.
Если вместо Н поставить его выражение из формулы (76), то по-
лучим окончательно;
' * . P = (78)
WK
для крепких пород при fK>2-т-б,.
Вторая схема относится уже к сравнительно мягким породам, то
есть к таким, где возможно образование боковых плоскостей обрушения
и в связи с этим увеличение размеров свода обрушения.
явилась выработка шириной I.
7-1650
97
Пролет свода обрушения в этом случае (рис. 67, б) будет заведомо
больше пролета выработки, и его можно выразить так:
L = I + 2h tg ^45° - -50, . (79)
где L— пролет свода обрушения;
h— высота выработки в свету;
I— пролет выработки;
Ф—угол внутреннего трения грунта.
Высота Н' свода обрушения А'О'В' определяется по аналогичной
предыдущему случаю формуле с той лишь разницей, что здесь вместо I
величина пролета свода обрушения равна L:
’ 77'=-^, (80)
*/к
где Н'—высота свода обрушения;
L— пролет свода обрушения;
fK— коэффициент крепости породы.
Вертикальная нагрузка на верхнюю часть обделки туннеля при-
нимается равной площади ACDB, умноженной на объемный вес грунта
(породы) и на единицу длины туннеля:
у {Н' ^Н}1. ' (81)
I
Имея в виду, что 77' = -^-,a L=/+2/itg (45°-5Ц, .
получаем:
/ I + 2&tg (45° - \
Р' = ^уН1+у\-----------~Hjl, (82)
где 77 = —— ;
2/к
I — пролет выработки;
h—высота сечения выработки;
у—объемный вес грунта;
Ф— угол внутреннего трения грунта;
/к—коэффициент крепости породы. „ ,
Нагрузка на призмы обрушения при определении бокового давле-
ния равна:
Ачьн’-р' А^ьн'-р:
(83)
2Ы
Боковое давление определяется по формуле:
£ = 4(2? + vW(45°--50, (84)
2 \ /
\
где Е—боковое давление;
q — нагрузка на призму обрушения, определяемая по форму-
ле (83).
Формы поперечных сечений гидротехнических туннелей могут быть
весьма разнообразными в зависимости от условий, в которых ведется
проектирование объекта.
Важным фактором при определении формы поперечного профиля
является гидравлическая схема работы туннеля.
98
Как правило, для напорных туннелей выбирают круглое сечение,
так как при внутреннем давлении эта форма наиболее рациональна.
Она же допускает и производство работ щитовым способом.
Круглое сечение принимают и для безнапорных туннелей в тех слу-
чаях,, когда колебание уровней водг
невелико и. для устройства туннеля
более современный и экономичный,
лей при сравнительно большом диа-
пазоне колебаний уровней воды бо-
лее удобно и выгодно сечение, не-
сколько вытянутое по высоте — яй-
цеобразное при округлых внутрен-
них очертаниях и прямоугольное при
вертикальных боковых стенках.
Инженерно-геологические усло-
вия также могут определять выбор
поперечного сечения туннеля, а не-
редко диктуют тип сечения незави-
симо от гидравлических сообра-
жений.
.1 в туннеле в период эксплуатации
выбран щитовой способ, как наи-
Но иногда для безнапорных тунне-
Рис. 68. Формы поперечного сечения
туннелей:
а — коробовое; б — корытообразное; в — кру-
говое.
Например, существуют специальные типы поперечного профиля ги-
дротехнических туннелей в зависимости от наличия бокового горного
давления: коробовое при большом боковом давлении и корытообразное
при малом боковом давлении или при полном его отсутствии (рис. 68).
При предварительном проектировании можно пользоваться графи-
ками для определения толщины облицовки гидротехнических туннелей
-s Рис. 69. График для подбора толщины
облицовки безнапорных туннелей:
а—толщина облицовки в замке свода; в—ши-
рина туннеля; k — коэффициент крепости по-
роды; / — бетой; 2 — железобетон.
(рис. 69, 70, 71).
Проектирование и строитель-
ство гидротехнических тунне-
лей — одна из сложных задач ги-
дротехники, поэтому при необхо-
димости нужно обращаться к спе-
циальным руководствам, где под-
робно изложены методы расчета,
а также описаны способы произ-
водства работ по устройству тун-
нелей.
Гидравлический расчет тун-
нелей весьма прост и заключается
в определении максимальной про-
пускной способности этих соору-
жений, а также в проверке их при
малых расходах на предотвраще-
ние возможности отложения в
туннеле взвешенных в воде частиц
грунта.
Гидротехнические туннели
рассчитывают, как обыкновенные
трубы, если они работают сплошь
заполненным сечением, и как ка-
налы, если они безнапорные, то есть по всей длине туннеля имеется
своббдная поверхность и уровень воды не- поднимается выше 0,85 диа-
метра или вертикального размера.
Напорный туннель рассчитывают по формуле (64)'.
Скорость воды в напорных туннелях принимают примерно от 1,5
до 4 м/сек.
Безнапорные туннели рассчитывают по формулам равномерного
движения для открытых каналов, так как уровень воды в них на 15%
7*
99
вертикального размера не достигает верха поперечного сечения туннеля:
Q = ^CVRi, (85)
где Q — расход воды;
и — площадь живого сечения;
С — коэффициент в формуле Шези, который можно принимать по
Павловскому или по Манингу;
R—гидравлическим радиус, равный—;
X
% — длина смоченного периметра;
i — уклон свободной поверхности, равный в условиях равномерно-
го режима уклону дна водотока. В данном случае эта вели-
чина при отсутствии переломов по длине туннеля равна раз-
ности отметок оси или дна туннеля на входе и выходе, отне-
сенной ко всей длине туннеля.
Скорость воды в безнапорных туннелях принимают так же, как и
во всяких других водопроводящих сооружениях, примерно равной 1,5—
2,5 м[сек с таким расчетом, чтобы не выпадали взвешенные наносы, на
транспортирование воды через туннель не затрачивалось много энергии
и меньше терялось командование наГ оросительных системах.
Рис. 70. График для ориентировочного определения толщины желе-
зобетонной облицовки напорных туннелей (р — напор в ат, Ко — ко-
эффициент удельного отпора грунта).
Для устройства гидротехнических туннелей оросительных систем,
где чаще всего они возводятся в средних и слабых породах, обычно при-
меняют щитовой спороб проходки, зарекомендовавший себя на работах
по прокладке путей для метрополитена.
На рисунке 72 приведено поперечное сечение туннеля Калаус-Кум-
ского канала. . - Л:
На донском магистральном канале при.пересечении Доно-Сальско-
го водораздела устроен безнапорный туннель круглого сечения, обли-
цованный металлическими тюбингами с заделкой внутренней поверх-
ности бетоном и цементным раствором. .
100 . '
Рис. 72. Облицовка туннеля кругового поперечного сечения (Калаус-Кумский канал).
Вход в туннель и выход из него, сопряжения туннеля с подводя-
щим и отводящим каналами выполняют с помощью входного и выход-
ного оголовков, называемых порталами.
Конструкция портала состоит из подпорной стенки, поддерживаю-
щей лобовую часть горного откоса, и раскрылков (тоже подпорных сте-
нок), ограждающих входную часть (называемую также врезкой) с
боков.
В пределах входного портала или в начале туннеля устанавливают
затворы или просто предусматриваются пазы для шандор, предназна-
ченных для отключения туннеля на время ремонта или осмотра. В тех
же случаях, когда в голове туннеля необходимо регулировать подачу
воды на нижележащие участки, нй входном портале устанавливают за-
творы и устраивают пазы для шандорных заграждений.
§ 5. ВЫБОР ТИПА ВОДОПРОВОДЯЩЕГО СООРУЖЕНИЯ
В каждом конкретном случае тип водопроводящего сооружения вы-
бирают путем технико-экономических сравнений нескольких вариантов.
Можно сравнивать между собой акведук и дюкер, туннель и лоток
или канал, трубу и любое из других водопроводящих сооружений.
Так, при решении вопроса о пересечении водораздельных участков
оказалось более выгодным на Донском магистральном канале устроить
туннель вместо канала в глубокой выемке, а при строительстве Кахов-
ской ГЭС, наоборот, канал в глубокой выемке оказался целесообразнее
в технико-экономическом отношении, чем туннель, хотя и в той и в
другом случае глубина выемки при рассмотрении вариантов была при-
мерно одинаковой. Даже на Каховской ГЭС глубина выемки была не-
сколько больше, чем нй Доно-Сальском водоразделе.
Иногда вопрос выбора того или иного варианта превращается в
технический спор. Так, при строительстве Рионской гидроэлектрической
станции вместо строительства туннеля на первых километрах дерива-
ционной трассы рассматривался вариант обхода горы с помощью лотка
по косогору.
Несмотря на рекомендации варианта с туннелем, было принято ре-
шение о проведении деривационного канала по косогорному участку,
в виде лотка с устройством дополнительных предохранительных мер
против осыпей, поверхностного стока, оползневых явлений и др. В те-
чение более 30 лет канал-лоток на косогорном участке благополучно
существует и хорошо выполняет свои функции.
Для предварительных выводов и первоначальных наметок состав-
лен перечень соображений, с помощью которых можно ориентировочно
намечать тот или иной тип водопроводящего сооружения (табл. 12).
При более детальном и ответственном проектировании вопрос о
выборе типа водопроводящего сооружения решается по результатам тех-
нико-экономического расчета и на основе лабораторных и натурных
исследований. .
Таблица 12
К выбору типа водопроводящих сооружений
Наименование сооружений Когда устраиваются Преимущества Недостатки -
Акведуки • Над пониженными местностями, дорогами, каналами, если габарит дороги, канала (уровень воды) находится , ниже трассируемого -водовода Малые гидравличес- кие потери, простота конструкции в нор- мальных условиях •При значительной высоте массивность и конструктивная слож- ность опор, затруд- ненность прн обеспе- чении водонепрони- цаемости лотка
102
Продолжение
Наименование сооружений Когда устраиваются Преимущества Недостатки
f Дюкеры Для перехода . через широкие и глубокие до- лины и при пер!есечениях с дорогами н каналами, если отметка проезжей части дороги или уровень воды встречного канала выше или почти совпада- ет с отметками трасси- руемого водовода Приспособляемость Необходимость
к рельефу местности, единственное средство при проведении трас- сируемого канала под препятствием (река, канал, дороги и др.) при одинаковых при- мерно уровнях воды нли отметках проез- жей части и уровня . воды обеспечения напорно- го режима может выз- вать подпор в подво- дящем канале, с уве- личением скорости сильно возрастают по- терн, зависящие от квадрата скорости
Туннели Вместо обхода холма или горы открытым ка- налом, вместо глубокой прорези водораздела, по густо застроенной и на- селенной местности Надежное средство транспортирования воды в горных усло- виях и при пересече- нии водоразделов Трудности произ- водства работ при строительстве и ре- монте во время экс- плуатации
Лотки Взамен туннелей при обходе каналом холмов по косогору; для пропус- Уменьшение живого сечения по сравне- нию с каналом При больших протя- жениях н крутом ко- согоре может оказать-
ка ливневых вод под ка- налами и дорогами ся дорогим и слож- ным в эксплуатации сооружением
Трубы Когда каяал нли доро- га проходит над неболь- шим по ширине и глуби- не оврагом; взамен моста, когда канал про- ходит в* выемке; для про- пуска ливневых вод под каналами н дорогами Дешевле открытых сооружений Трудность ремонта во время эксплуата- ции
Глава VII
СОПРЯГАЮЩИЕ СООРУЖЕНИЯ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОПРЯГАЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ,
УСЛОВИЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Сопрягающие сооружения весьма распространены и применяются
во многих отраслях .водного хозяйства.
В ирригационной практике их устраивают для перевода трассируе-
мого оросительного канала на более низкие отметки пересекаемой мест-
ности; в гидроэнергетике — как сброс из напорного бассейна при зда-
нии ГЭС; в водном транспорте — как устройства для лесосплава и как
средство гашения напора при заполнении и опорожнении шлюзовых ка-
мер и др.
Сопрягающие сооружения применяют также при водохранилищах
и водоемах для сбрасывания излишков воды в случае переполнения во-
дохранилища.
По условиям движения воды сопрягающие сооружения можно раз-
делить на две группы. К первой группе относятся те, в которых вода
движется на части пути, не отрываясь от сооружения, а на части пути
падает свободно в воздухе. Это перепады и консоли. Вторую группу
составляют сооружения, по которым вода движется без отрыва от со-
оружения на всем протяжении.. В основном это быстротоки и трубы. До-
полненные внизу трамплином, уступом или другим отклоняющим уст-
103
Транзитный перепад-быстроток.
ройством, они могут быть также отнесены и к первой группе. Сооруже-
ния, которые отличаются от указанных основных.типов, можно считать
переходными: быстротоки-перепады, шахтные и трубчатые перепа-
ды и др.
Сопрягающие сооружения делятся соответственно их формам и
характерным признакам (табл. 13).
Таблица 13
Признаки перепада и быстротока Перепады Быстротоки
Поперечное сечение Прямоугольное, ндальное трапеце- Трапецеидальное, прямо- угольное, треугольное, сложного очертания
Продольный профиль Одноступенчатые, пенчатые многосту- Постоянного уклона, nept * менного уклона
Плановое расположение Прямолинейные, постоянной и переменной ширины. Криволинейные нли очерченные по ломаной, ноетоян- ной и переменной ширины
Форма струи Одноструйные, многоСтруй ные
Состояние и конструкция русла Колодезные, безколодезные, полунапорные Нор ма льнойшер охов ато сти, повышенной шерохова- тости
Трубчатые сопрягающие сооружения подразделяются на трубчатые
перепады, шахтные, башенные, фонтанные и др.
Консольные сбросы также можно разделить на несколько групп:
консолй одноструйные и многоструйные, с трамплином и без него, щеле-
вые, с перепадом по воздуху, подтопленные и др..
Кроме того, к сопрягающим сооружениям относятся: бревноспуски,
рыбоходы, промывные галереи и др. . ~
Основное назначение сопрягающих сооружений — гашение избыточ-
ной энергии воды, при этом существует много методов, обеспечивающих
выполнение этой задачи путем затбпления прыжка воды.
104
Все применяемые конструкции гасителей основаны на использова-
нии внутренних сил воды, находящейся в движении, но каждая из них
имеет и свои характерные особенности, которые делают ее наиболее
эффективной в определенных условиях.
Учитывая эти особенности, можно методы гашения водной энергии
разделить на четыре группы-метода, каждому из которых будет больше
соответствовать та или иная конструкция известных до сих пор гаси-
телей.
1. Введение в поток искусственных местных сопротивлений. Сюда
можно отнести всякие гасители, создающие потоку непосредственную
механическую преграду: зубья, пороги, водоразбивные пилоны, шашки,
решетки, водобойные стенки, если они устанавливаются в зоне бурного
режима, и др. Этот метод и группу гасителей можно назвать еще и ме-
тодом механического воздействия на поток. Задача этих гасителей —
перемешивать поток, преграждать ему путь в зоне больших скоростей
и ускорить переход от бурного режима к спокойному.
2. Изменение общего направления потока для того, чтобы отбро-
сить его на безопасное расстояние от сооружения. Средствами этого ме-
тода служат такие сооружения и конструкции, как консольный пере-
пад, трамплин, носок, уступ и др.
3. Расщепление потока, при котором применяют гасители типа Сен-
кова, уральские водобойные полы, гребенки, конструкции, образующие
встречные струи, а также другие гасители, помогающие расчленить по-
ток и направить его элементы на Взаимное соударение.
4. Затопление прыжка путем создания нужной глубины. К группе
гасителей этого метода относятся водобойный колодец, водобойная стен-
ка и всякие их комбинации.
Некоторые из гасителей можно отнести и к другим группам. На-
пример, гаситель типа Сенкова можно отнести и к первой группе, а
зубья и пороги в зависимости от конструкции — и ко второй.
Наиболее надежный и простой метод гашения водной энергии — \
затопление прыжка путем создания нужной глубины, то есть устройство
водобойного колодца или водобойной стенки. __
Гасители этого типа имеют ряд преимуществ:
1) надежны в работе, так как при расчетном опасном режиме обес-
печивают образование затопленного прыжка в пределах сооружения.
При правильном выборе расчетного случая всякий другой будет менее
опасен, и таким образом гарантируется нормальная работа сооружения
в эксплуатационных условиях при любом гидравлическом режиме. Этого
нельзя сказать о многих других типах гасителей, которые дают хоро-
ший результат, как правило, лишь в тех условиях, в которых исщьтРьГ
вались;
2) водобойные колодцы и стенки просты в проектировании, необ-
ходимо лишь правильно рассчитать глубину и длину водобойного ко-
лодца. z
Глубину определяют в соответствии с назначенной степенью затоп-
ления прыжка, а длину вычисляют по выбранной глубине. Глубина во-
добойного колодца зависит от величины бытовой глубины, которая в
сумме с глубиной водобойного колодца должна быть несколько больше
второй сопряженной глубины. Бытовую глубину в канале подсчитывают
по обычным формулам и графикам гидравлики,/ а в естественном во-
дотоке определяют по многолетним гидрометрическим и гидрологиче-
ским данным с учетом возможного понижения уровней воды в нижнем
бьефе сооружения. В многопролетных сооружениях учитывают также
число и расположение работающих отверстий. Большинство других
гасителей не имеют теоретического метода расчета, их подбирают экспе-
риментально или по аналогиям, опираясь на анализ работы осущест-
вленных конструкций;
8—1650
105
3) водобойные колодцы просты по конструкции и надежны в экс-
плуатации;
4) колодцы могут быть дополнены другими видами гасителей [155],
которые устанавливают на выходном пороге, на дне колодца или перед
водобойным колодцем при невозможности обеспечить необходимые его
размеры.
Глубину и длину водобойного колодца следует назначать с некото-
рым запасом. Однако существуют рекомендации по уменьшению этих
величин. Трехчленная формула длины водобойного колодца заменена
двухчленной с уменьшением второго слагаемого путем умножения его
на 0,8, а соотношение — , определяющее степень затопления прыж-
ке
ка в колодце, разрешается принимать равным 0,85 вместо 1,15.
Практика последних десятилетий показывает, что в эти рекоменда-
ции нужно внести поправки; там, где после водобойного колодца идет
сильное крепление (например, промежуточная ступень многоступенча-
того перепада, водобойный колодец между двумя быстротоками без
вставки канала и др.), можно облегчающие рекомендации оставить в
силе; если же за водобойным колодцем идет рисберма и дальше обыч-
ный канал или естественное русло реки; то глубину и длину водобойно-
го колодца нужно определять без уменьшающих коэффициентов [95].
Глубину водобойного колодца определяют из формулы:
A6 + d= М5Л;:, <86)
откуда
d = 1,15й" —й6, (87)
а длину — по полной трехчленной формуле:
Дв.к = А) + 1пр + 4ап> (88)
в этих формулах d—глубина водобойного колодца;
Л’’ — вторая сопряженная глубина в прыжке воды;
h6—бытовая глубина;
Лв к— длина водобойного колодца;
10—длина отлета струи;
/пр—длина вальца (длина прыжка);
Z3an = (1,5 -ь 3,0)/гб — запас в длине водобойного колодца.
Сопрягающие сооружения должны отвечать следующим основным
требованиям;
1) создавать безопасные гидравлические условия движения воды
как в самом сооружении, так и на примыкающих к нему участках во-
дотоков. Это значит, что при расчетном гидравлическом режиме не
должно быть ни подпора, ни спада в верхнем (подводящем) канале, а
в нижнем (отводящем) канале не должно быть размыва. В пределах
сооружения скорости должны быть не выше допускаемых;
2) быть прочными и устойчивыми;
3) иметь наиболее рациональные и по возможности простые формы;
4) обеспечивать пропуск в нижний бьеф плавающих тел и шуги.
Обычно индивидуальные сооружения проектируют предварительно
в нескольких вариантах, после чего выбирают один из них и оконча-
тельно уточняют все детали. Мелкие сооружения устраивают по типо-
вым проектам.
§ 2. БЫСТРОТОКИ
Конструкции и условия работы. Быстроток — наиболее простой
тип сопрягающего сооружения; это тот же канал, но с уклоном больше
критического.
106
Быстротоками называются такие сооружения, которые с большими
скоростями переводят воду из верхнего канала в нижний по лотку без
отделения струи воды от лотка (рис. 73).
Размеры и уклон быстротока определяются заданной наибольшей
допускаемой скоростью для материала лотка и воды, в зависимости от
содержания в ней наносов.
Быстроток состоит из следующих основных элементов: входа, лот-
ка быстротока, успокоителя и выходной части.
Прн проектировании быстротока сравнивается уклон местности tM
с уклоном быстротока i6, подсчитанным по наибольшей допускаемой
Рис. 73. Схема бетонного быстротока:
/ — подводящий канал; 2 — входная часть; 3 — лоток быстротока; 4 — водобойный
колодец (успокоитель); 5 — выход; 6 — отводящий канал.
доп
СТ?
(89)
скорости ддя материала, из которого предполагается устраивать бы-
строток: . •
t(5 =
где гб— уклон быстротока;
Удоп — допускаемая скорость для выбранного материала быстро-
тока;
С—коэффициент в формуле Шези;
R— гидравлический радиус живого сечения лотка быстротока.
Если окажется, что уклон местности iw меньше, чем уклон быстро-
тока, подсчитанный по формуле (89), то быстроток можно проводить по
уклону местности, и скорость не будет достигать предельно допустимых
величин. Фактический уклон быстротока можно увеличивать от i№ до i6
по соображениям экономического характера: при увеличении уклона бы-
стротока повышается объем-земляных работ АБВ и уменьшается про-
тяжение лотка быстротока (рис. 74). Если же уклон местности убудет
больше, чем допустимый уклон быстротока i6 , то без земляных работ,
обеспечивающих заданный уклон быстротока, обойтись нельзя. Иначе
быстроток должен быть запроектирован с применением искусственных
мер: повышенная шероховатость, два участка лотка с различными укло-
нами (рис. 75),
Быстротоки устраивают из бетона, железобетона, бутового камня и
других строительных материалов.
Входная часть быстротока конструктивно аналогична входной части
открытого регулятора. В гидравлическом отношении она всегда работает
8*
107
как незатопленный водослив с широким порогом (рис. 76), если на про-
тяжении полутора-двух напоров Н обеспечивается параллельность или
небольшое сужение входных береговых устоев. Если же сужение более
резкое, чем 1 :2, то входную часть рассчитывают как сужающийся вход
по уравнениям проф. В. И. Чарномского или по методу проф
М.М. Скибы.
J
ГА
Рис. 74. К расчету быстротока:
АБ — участок местности с уклоном
АВ — предельное положение лотка быстро
тока с уклоном 1$, у/ и у2 — отметки
местности илн условных уровней воды;
Рис. 75. Схема двойного уклона
быстротока:
АБ — участок местности с уклоном *м;
ВБ — допустимое положение быстротока
с уклоном jg; ГД и ДБ — первый и второй
участки при двойном уклоне быстротока;
у/ и у2 — отметки местности или услов-
ных уровней воды; ^>*6*
Лоток быстротока делают из материалов, выдерживающих большие
скорости течения воды. Поперечное сечение лотка чаще всего проекти-
руют прямоугольным или трапецеидальным. Откосы бортов лотка обыч-
но не делают положе одиночных. В крупных быстротоках откосы лотка
образуются подпорными стенками. По длине лоток разрезают швами
через 5—15 м, в зависимости от толщины боковых стен или облицовки
откосов (рис. 77).
Рис. 76. Входная часть быстротока.
Поперечные швы разнообразны по
конструкции. Они должны не только
предупреждать деформации конструк-
тивных форм, но и препятствовать
фильтрации воды через них и при боль-
ших уклонах усилить сопротивление
сдвигу элементов конструкции, кото-
рые они соединяют.
На рисунке 77 приведены приме-
ры характерных швов лотка быстро-
тока.
Продольные швы отделяют днище
лотка от боковых стен или боковой об-
лицовки.
Толщину бетонной облицовки от-
косов и днища принимают от 0,15 до
0,4 м. Подпорные стенки высотой до
2 м проектируют по конструктивным
соображениям, а свыше 2 м — по рас-
чету.
Лоток быстротока по возможности следует^ уклону местности, так
как быстротоки преимущественно возводят на пологих склонах в отли-
чие от перепадов, устраиваемых при больших уклонах местности. Поэто-
му при переменных уклонах местности можно и быстротоку придавать
переменные уклоны.
При допускаемой скорости одоп=8ч-10 м)сек уклон быстротока по-
лучается равным гб =0,03-н 0,08.
Увеличения шероховатости можно достигнуть разными конструктив-
ными средствами, для которых группой научных работников под руко-
водством акад. Е. А. Замарина даны расчетные формулы.
108
Поперечные размеры лотка, как правило, получаются небольшими
по сравнению с нижним каналом, поэтому сопряжение этих двух участ-
ков часто представляет собой сложную задачу. Обязательное условие для
Рис. 77. Швы лотка быстротока:
о, б — поперечные для больших уклонов; в, г — то же, для малых уклонов; д — поперечный шов
для малого уклона с обратным фильтром; е — продольный с подпорной стенкой; ж — то же, с обли-
цовкой, S — 1—2,5 см; /=1,0-Л,5 мм; // = 5—20 мм; III =- 25—50 мм; 4=10 см.
показано направление движения потока).
всех конструкций таких сопряжений — затопление струи, стекающей е
быстротока, и перевод ее в канал с безопасными скоростями, для чего
в конце лотка устраивают успокоитель и различные гасители.
Иногда бывает целесообразно устройство при быстротоке гасителя
встречными струями (рис. 78); При сходе потока с лотка быстротока воз-
109
водят раздельную стенку, которая делит поток на две-равные части и на-
правляет их навстречу одна другой. Успокоенный таким образом поток
переливается через заднюю стенку в отводящий канал.
Можно упомянуть еще о беспрыжковых сопряжениях, для достиже-
ния которые выполняют следующее:
а) придают концевой части лотка быстротока критический уклон;
тогда свободная поверхность будет горизонтальной, а сопряжение с бы-
товой глубиной произойдет без гидравлического прыжка;
б) увеличивают глубины на лотке до бытовых путем сужения лотка
в плане или усиления шероховатости. Однако беспрыжковые сопряжения
имеют большую протяженность и чаще всего неэкономичны.
Гидравлический расчет. Уклон длинного быстротока определяют
из условий равномерного движения воды в лотке постоянного сечения
при заданной наибольшей скорости течения воды. Задаваясь в уравнении
неравномерного движения второй глубиной, близкой к нормальной, на-
ходят длину кривой свободной поверхности и сравнивают ее с протяже-
нием лотка.на местности. Если получившаяся длина оказывается меньше,
чем наклонный участок местности, то на быстротоке успеет установиться
нормальная глубина, и расчет его можно вести по уравнению равномер-
ного режима, то есть принимать для дальнейшего расчета глубину в кон-
це быстротока равной нормальной ho. На участке между началом бы-
стротока, где глубина всегда равна критической, и установившейся нор-
мальной глубиной кривую спада рассчитывают подробно по уравнению
неравномерного движения лишь в тех случаях, когда переход от йкр к
ho требует снижения высоты бортов и когда недостаточна приближенно
проведенная линия свободной поверхности от йкр до h0 по прямой линии.
Для коротких быстротоков (длиной несколько десятков метров), в
которых нормальная глубина не успевает установиться, уклон лотка бы-
стротока также подсчитывают по допускаемой скорости, которая соот-
ветствует минимальной глубине на быстротоке, определяемой из уравне-
ния неравномерного движения. Так же как и в предыдущем случае,
можно провести проверку, задавшись второй глубиной, близкой к нор-
мальной, и между /гкр, принимаемой за первую глубину, и 1,05 h0 подсчи-
тать длину кривой свободной поверхности L и сравнить ее с длиной лот-
ка на местности. Если получившаяся по расчету длина свободной по-
верхности L окажется значительно больше длины предполагаемого
лотка, то глубину в конце быстротока и в любом промежуточном его
сечении нужно определять по уравнению неравномерного движения.
Уравнение неравномерного движения можно брать любое, для ко-
торого имеются таблицы по определению функций, но лучше всего поль-
зоваться формулой проф. М. М. Скибы [164]:
= Е(пз)-Е Oh)- [Ф(П2)~ФOh)]. (90)
h°
где i0— уклон дна водотока;
L—длина рассматриваемого участка кривой спада;
h0—нормальная глубина;
А1 = АКР; Й2 = Йо (1,01^-1,05) й0;
аО2Во „ , ,
— постоянный коэффициент при данном расходе;
а — коэффициент неравномерности распределения скоро-
стей по живому сечению, равный 1,Он-1,1;
Во, ®о — ширина поверху и площадь живого сечения при нор-
мальной глубине;
F (т]) и Ф(ц)— функции, определяемые по таблицам при заданных
ПО
где b— ширина лотка понизу;
h — глубина при неравномерном режиме.
Если есть необходимость, то можно определить промежуточные глу-
бины. Для этого нужно всю длину быстротока разбить на ряд участков
(вначале коротких, а книзу несколько длиннее) и последовательно опре-
делять глубины в конце каждого участка. Это может потребоваться при
назначении высоты бортов лотка.
Запас высоты бортов лотка над уровнями свободной поверхности
потока назначают, исходя из следующих соображений.
Рис. 79. Водобойный колодец быстротока:
а — со стенкой падения; б — без стенки падения (/г2=Лс).
Во-первых, превышение бортов лотка над уровнями воды принима-
ют на 20—30% больше, чем в регуляторах. Кроме того, принимают во
внимание, что при больших скоростях происходит насыщение потока воз-
духом, наблюдается явление аэрации потока, вследствие чего глубины
увеличиваются, поток как бы вспухает, представляя собой смесь воды и
воздуха. Это явление учитывают весьма приближенно: считают, что глу-
бина увеличивается на столько процентов, сколько метров в секунду
имеет скорость в данном сечении, и после этого уже назначают запас
высоты бортов.
t Если быстроток имеет большое протяжение, а глубины значительно
отличаются между собой по длине, то лоток разбивают на участки и на-
значают высоту бортов на каждом из них.
Гидравлический расчет водобойного колодца состоит в определе-
нии глубины и длины-его. Ширину колодца обычно принимают такой
же, как и ширину лотка, и только после колодца расширяют сооружение
для сопряжения его с отводящим каналом, так как расширение в зоне
бурного режима имеет больше предпосылок для образования нежела-
тельного сбойного течения.
Есть два варианта (рис. 79) водобойного колодца в конце быстро-
тока: со стенкой падения (уступом) в начале колодца шли без нее. В пер-
вом случае по глубине в конце быстротока и принятой высоте уступа
определяют сжатую глубину hz на дне водобойного колодца, по которой
и устанавливают глубину водобойного колодца. Все это можно легко
выполнить по графикам [164]. Длина водобойного колодца определяется
по формуле (88).
111
Во втором случае (рис. 79,6) за сжатую глубину hc принимают глу-
бину в конце быстротока Zz2 и при расчете длины колодца значение 10 по-
лагают равным нулю. В остальном расчет не отличается от рассмотрен-
ного.
При сравнении двух вариантов водобойного колодца нужно учесть,
что во втором варианте увеличивается длина лотка быстротока в связи
с заглублением его концевого участка и утяжеляются боковые стенки.
Выход из быстротока в гидравлическом отношении можно рассчи-
тывать двояко:
по формуле проф. Е. А. Замарина
tg<p=—, (91)
v
где ср—угол расхождения воронки сопряжения быстротока водобойно-
го колодца с отводящим каналом;
v— скорость в начале воронки,
или по методу проф. М. М. Скибы (рис. 80).
При проектировании быстротоков необходимо учитывать возмож-
ность появления на них волновых явлений сверхбурного режима.
Согласно исследованиям многих авторов, на быстротоках большого
уклона и при небольших глубинах по сравнению с шириной потока воз-
никает интересное и до сих пор недостаточно изученное явление. В пото-
ке возникают и устойчиво сохраняются при определенных расходах сле-
дующие одна за другою волны, которые влекут за собой такие нежела-
тельные явления, как переполнение лотка быстротока, уменьшение его
пропускной способности и неустойчивую картину в водобойном ко-
лодце.
Намечая поперечный профиль лотка при больших его уклонах
(t0> 0,02—0,03) [15], нужно стремиться к тому, чтобы отношение расчет-
ной глубины к величине смоченного периметра было — >0,02 для пря-
%
моугольного профиля и больше 0,04 для трапецеидального.
Треугольные, параболические и
полукруглые профили менее подверже-
ны возможности волнообразования.
Для предупреждения боковой рас-
качки, для более равномерного поступ-
ления потока в водобойный колодец, а
также для увеличения потерь энергии
и предотвращения появления волново-
го движения на быстротоках рекомен-
дуется устраивать продольные стенки,
разделяя поток на отдельные струи, то
есть устраивать струйные быстротоки.
Такие стенки можно рекомендо-
вать в тех случаях, когда в голове бы-
стротока нет регулирующих устройств.
Рис. 80. К расчету выхода из быстро-
тока.
Если же в голове сооружения имеются щиты, перекрывающие несколько
пролетов, то разделение потока на струи приводит к значительному ухуд-
шению работы водобойного колодца.
Проектирование быстротоков при сбросах воды в широкие водоемы
имеет некоторые особенности. Лабораторные исследования выявили не-
обходимость принимать дополнительные меры по гашению водной энер-
гии при больших глубинах в нижнем бьефе. После расчета и проекти-
рования водобойного колодца по обычному правилу нужно еще принять
меры для нейтрализации сбойных явлений, вызывающих сопряжение
бьефов на боковых участках при высоких уровнях воды в нижнем бьефе
(рис. 81).
112
На рисунке 81 показано положение урезов при двух уровнях воды
/ и II, между которыми может произойти сопряжение на боковых участ-
ках, где нет должного укрепления грунта. Расстояние между урезами
при уровнях I и II практически охватывает почти всю протяженность
лотка, и поэтому надо или крепить весь быстроток по его бокам, или кон-
структивно удержать стрежень потока на оси сооружения, что представ-
Рис. 81. Сопряжение бьефов при сбросе воды в широкий водоем:
I, Н — урезы воды при двух уровнях, между которыми возможны сбойные
явления и сопряжение на боковой части быстротока.
ляет собой нелегкую задачу. Таким образом получается, что при сбросах
в озеро высокие уровни воды неблагоприятны для сопряжения и требуют
дополнительных мер по укреплению боковых участков грунта, примы-
кающих к лотку быстротока.
§ 3. ПЕРЕПАДЫ
Как правило, перепады применяют, если рельеф местности не допу-
скает устройства быстротока, то есть когда уклоны местности сравни-
тельно велики.
В зависимости от высоты падения местности проектируют односту-
пенчатые или многоступенчатые перепады.
Перепады устраивают из бетона, бутового камня, кирпича, железо-
бетона, а при небольших падениях и малых удельных расходах — из га-
бионов и дерева. Временные перепады могут быть хворостяно-каменны-
ми, фашинными и из других местных строительных материалов.
Перепад состоит из следующих основных элементов: входа, стенок
падения и ступеней, продольных стен, флютбетов на входе и на ступе-
нях, выхода аналогично быстротоку.
Рассмотрим основы гидравлического расчета многоступенчатого пе-
репада, имея в виду, что одноступенчатый перепад проектируют по ана-
логии с последней ступенью многоступенчатого (рис. 82) перепада.
Ширину прямоугольного входа определяют из формулы (60):
Q = tnbcH0 V2gH0,
где Q — расход воды;
т — коэффициент расхода для водослива с широким порогом;
6с=е&— ширина водослива с учетом сжатия;
е— определяют по формуле (58).
При' временном (шандорном) пороге коэффициент расхода прини-
мают соответственно как для тонкой или толстой стенки, в зависимости
от толщины порога.
113
Если на входе есть щит, для расчета пользуются формулой свободно-
го истечения из-под щита (61).
Чтобы смягчить влияние сооружения на режим подводящего кана-
ла, вход иногда устраивают по типу трапецеидального водослива
(рис. 83). В этом случае создаются условия для уменьшения спада в под-
Рис. 82. Многоступенчатый бетонный перепад:
/ — понур (водобой); 2 —вход; 3 — стенка падения; 4 — флютбет (водобой); 5 — первая ступень;
6 — вторая ступень; 7 — сливные отверстия; 8 — последняя ступень; 9— выход; d — глубина водо-
бойного колодца на промежуточных ступенях; Р — высота стенки падения.
водящем канале при снижении расходов и уменьшения подпора при уве-
личении расходов.
Расчет такого входа можно вести по формуле:
Q = е (b + 0,8nH) т V2gH^ , (92
где п — заложение откоса на входе;
т—коэффициент расхода для
Рис. 83. Вход на перепад:
а — трапецеидальный; б — прямоугольный.
водослива с широким порогом.
Заложение откоса п назначают
в соответствии с величиной макси-
мального и минимального расходов.
Чем больше их разность, тем положе
должны быть откосы. Практически
значения принимают в пределах
0,25—1,0. Е. А. Замарин рекоменду-
ет величину откоса п определять
аналитически, решая совместно два
уравнения расхода при различных
глубинах наполнения канала Hj и
И2 [79].
Расчет ступеней перепада необ-
ходимо начинать с определения их
числа по формуле:
Р = + d, (93)
где р — высота стенки падения;
N— число ступеней;
d— глубина водобойного колодца на промежуточных ступенях;
z— разность уровней воды подводящего и отводящего каналов.
Отсюда
N =
p — d ‘
114
Принимая ориентировочно р 1,5/гкр и глубину водобойного ко-
лодца d [164]:
/ w? \
d О,22То = 0,22 р + hKP + , (95)
\ 2g /
где икр и hKP — скорость и глубина в конце входа, определяют Af, кото-
рое округляют и принимают окончательно.
При малых ступенях сооружение лучше вписывается в рельеф ме-
стности, но на каждой ступени гасится меньшее количество энергии и
многоступенчатый перепад превращается как бы в быстроток повышен-
ной шероховатости.
различных р:
а —для ^“5—15 м^сек; б — для 4 = 1—5 м^сек (приближенная).
(96)
Е. А. Замарин [79] приводит формулу, оценивающую роль высоты
ступени в эффекте гашения энергии потока на ступенях:
4л1й2 4а
где hx и h2— сопряженные глубины прыжка;
Аз
а — их отношение ---;
А1
. (а—I)3
А — параметр 3-----— , зависящий только от соотношения а.
4а
Полноценность прыжка начинается, как известно, при а = 2,5 или
4 = 0,34. При «=4 А = 1,7; при а=5 А = 3,2.
Таким образом, при увеличении высоты ступени повышается эффект
гашения энергии.
Для наиболее распространенных единичных расходов и высот сте-
нок падения параметр А определяется по графикам (рис. 84), которые
можно использовать при назначении высоты ступеней (графики построе-
ны при <р= 1 и а =1Д).
Первую ступень перепада рассчитывают так же, как и водобойный
колодец быстротока, по первому варианту со стенкой падения, только
вместо /г2 принимают /гкр или На на входе соответственно назначая <р:
(97)
Q = Ф&Д
9
2g
где все обозначения прежние. Если в формуле подставляют Лкр, то <р
принимают близким к единице, если же берут Но, то <р назначают не бо-
лее 0,95.
Определив подбором из этого уравнения hc, сопряженную ей глуби-
ну вычисляют по формуле:
h
- 1
(98)
115
или по любому графику для сопряженных глубин в прямоугольном
русле.
Для определения hc при трапецеидальном поперечном сечении сту-
пеней перепада, что встречается редко, вместо b можно брать среднюю
ширину живого сечения.
Зная вторую сопряженную глубину А” , глубину водобойного колод-
ца можно определить по формуле:
d — Нх = oh’c, (99)
где Ну—напор на водосливе, по которому вода сливается с первой сту-
пени на вторую;
о — коэффициент, который можно принимать на первой ступени и
на всех последующих, кроме последней, равным 0,9 и до 0,85,
если d>0,25 А".
Длину водобойного колодца на первой ступени можно определить по
сокращенной формуле в соответствии с обычными рекомендациями:
£в.к = /о + 0,8/пр, (100)
где LB K— длина водобойного колодца на промежуточной ступени;
/0—длина отлета струи, которую можно определять по той же
формуле, что и для водобойного колодца быстротока;
/пр— длина прыжка, которую можно определять по формуле
/пр =3,2 А", если d 0,25 А’.
Вторую ступень рассчитывают так же, как и первую, с той лишь
разницей," что при определении Ас пользуются формулой:
Q = <рААс 2g(Н1 + Р + -^-hc , (101)
\ /
где Ну— напор на водосливе, как в формуле (99);
Q Q
va — скорость подхода к водосливу, равная ---=--------, осталь-
ные обозначения прежние.
Все последующие ступени, кроме последней, не рассчитывают, так
как они будут точно такими же, как и вторая ступень.
После расчета второй ступени окончательно назначают глубину и
длину водобойного колодца, одинаковые для всех промежуточных сту-
пеней в целях упрощения и облегчения производства работ.
Расчет последней ступени ведется с учетом того, что здесь проис-
ходит сопряжение с каналом, поэтому снижать коэффициенты запаса
при определении глубины и длины водобойного колодца не рекоменду-
ется [95].
Так же как и при расчете водобойного колодца быстротока, глуби-
на колодца последней ступени определяется по формуле (86), а длина
водобойного колодца — по формуле (88).
В конструктивном отношении элементы бетонных перепадов мало
отличаются от элементов регуляторов (§ 2). Стенки падения, если
они отрезаны от продольных стен и флютбета, представляют собой обыч-
ные подпорные стенки, которые, как уже указывалось, при высоте их
до 2 м проектируют по конструктивным соображениям, а при высоте бо-
лее 2 .и рассчитывают известными способами и приемами. То же можно
сказать о продольных стенах и флютбетах.
Если продольные стены, стенка падения, а иногда и флютбет пред-
ставляют собой монолит в пределах одной ступени, то вместе они состав-
ляют довольно сложную пространственную систему, которая рассчиты-
вается с учетом жесткости связей отдельных элементов. Разрезы между
ступенями устраивают всегда, применяя конструктивные швы.
116
Железобетонные перепады, в отличие от перепадов из массивной
кладки (бетон, бут, крипич), более легкие и чаще всего в пределах одной
ступени представляют собой рамные ребристые конструкции с жестким
соединением флютбета и стен (рис. 85);
На донских оросительных системах большое распространение полу-
чили напорные трубчатые перепады сборной конструкции (рис. 86), так
как напорный режим лучше отвечает требованиям, предъявляемым к
Рис. 86. Трубчатый перепад сборной конструкции:
/ — входной оголовок; 2 — стык на переломе; 5 —звенья трубы; 4 — насадок; 5 — выходной оголовок
с шандорным гасителем; 6 — элемент шандорного гасителя (цифрами указаны размеры в процентах);
7 — портальная стенка; <5 — раскрылки; 9— плита; 10 — боковая стенка; // — звено трубы.
трубчатым сооружениям: увеличивается пропускная способность и улуч-
шаются условия гашения энергии в нижнем бьефе.
На рисунках 87 и 88 показана новая конструкция трубчатого напор-
ного перепада, принятая Южгипроводхозом для проектирования.
Для падений больших 2 м Южгипроводхоз рекомендует конструк-
цию шахтных перепадов, показанную на рисунках 89 и 90.
В трубчатом перепаде рассчитывают вход, трубу перепада, выход-
ное устройство с насадком и гасителем энергии в виде шандорной стен-
ки (если он имеется).
Входной оголовок, состоящий из портальной стенки с противофильт-
рационными раскрылками, наклонных ныряющих боковых стен и по-
нурной железобетонной плиты с вертикальной стенкой-зубом впереди,
предназначен для перевода потока в напорную трубу.
Для этой цели необходимо при минимальном уровне воды в подво-
дящем канале обеспечить слой воды Дй над верхней кромкой входного
117
Рис. 87. Трубчатый регулятор-быстроток (Южгипроводхоз).
Рис. 88. Затвор трубчатого регулятора-быстротока.
Рис. 89. Шахтный регулятор-перепад (Южгипроводхоз).
Рис. 90. Затвор шахтного регулятора-перепада.
звена трубы. ВеличинуЛ/г разные авторы определяют в довольно широ-
ком диапазоне. Так, например, для обеспечения напорного режима зна-
чение А/г рекомендуется определять по формулам:
А/г = 0,622; (102)
А/г = —; (103>
2g
г»2
А/г = —, (104)
g
где А/г — слой воды над верхом трубы;
v— скорость движения воды в трубе;
D — диаметр трубы.
Согласно проработкам Т. Н. Севостьянова, А. И. Костина и
М. М. Скибы, получены следующие формулы для определения величины
превышения уровня воды над трубой перепада:
Ко= 1,5+0,1 — = = р-+ -/г° = 1
g D D
где а = 1,5+3 Г— -0,1+(0,386-0,065К)д2Г •
К?’6
АА0
D ’
(Ю5)
К, = 6 = ^; К = — ;
D’ D
/н — длина насадка;
Dn — диаметр трубы насадка.
Трубу рассчитывают по формуле (64), с той лишь разницей, что
величина <в принимается равной площади сечения насадка.
Выходной оголовок и крепление за ним рассчитывают по формуле,
предложенной теми же авторами:
4<Р = 3(КН-1)В>Н, (106)
где / — длина крепления;
2
аУн
Кн =--------параметр кинетичности потока, выходящего из на-
d£>H
садка;
v„ и DH— скорость и диаметр насадка.
Шандорный гаситель состоит из ряда прямоугольных зубчатых
брусьев, размеры которых указаны на рисунке 86 в процентах от шири-
ны выходного оголовка.
Безнапорный трубчатый перепад может быть рассчитан по методу
проф. М. М. Скибы, изложенному в «Практической гидравлике для ир-
ригаторов».
§ 4. КОНСОЛЬНЫЕ ПЕРЕПАДЫ
Если рельеф местности не допускает устройства быстротока или пе-
репада, то прибегают к консольному сбросу воды, называемому кон-
сольным перепадом или просто консолью.
Консольный перепад получил свое название по гасительному уст-
ройству, представляющему собой струенаправляющий лоток, распола-
гающийся на опоре, доходящей до материкового грунта или выполнен-
ной в виде висячих свай.
Струенаправляющий лоток отбрасывает воду на некоторое расстоя-
ние от опоры, и поток падает на неукрепленный грунт, образуя воронку
размыва, величину которой и прежде всего ее глубину необходимо рас-
считать.
В состав консольного перепада входят: вход, быстроток, струена-
правляющий лоток на опоре, крепление грунта около опоры.
На рисунке 91 представлена схема консольного перепада.
Расчет входа и быстротока ничем не отличается от расчетов, изло-
женных в параграфах 2 и 3 настоящей главы.
Особенность и сложность в расчете консольного перепада представ-
ляет определение глубины воронки размыва.
В связи с тем, что консольные перепады являются экономичным
и перспективным типом сопрягающего сооружения, а расчет воронки
размыва, содержащий неясности и неопределенности, служит своего
рода препятствием к должному распространению этого вида сооружен
ний, остановимся несколько подробнее на истории этого вопроса.
Рис. 91. Схема консольного перепада:
/ — подводящий канал; 2 — вход; 3— быстроток; -/—струенаправляющий консольный лоток; 5—опо-
ра; 6 — воронка размыва; 7 —отводящий канал; 5 —внд снизу (без земли); / — глубина воды в во-
ронке размыва; бытовая глубина; vO — отметка подошвы опоры; vB— отметка дна воронки
размыва.
Заслуживает внимания способ расчета воронки размыва, который
предложил инженер Б. А. Мацман [118].
Идея предложения Б. А. Мацмана заключается в следующем. Па-
дающий с консоли поток воды, образуя воронку, прекращает свое раз-
рушительное действие по достижении такой глубины придонного слоя йд,
при которой придонная скорость, полученная делением единичного расхо-
да q на глубину Лд , будет равна величине, допустимой для грунта, из
-которого сложена воронка. Глубина придонного слоя h„ физически по-
лучается как результат трансформации сжатой глубины йс, которая, в
свою очередь, является следствием установления в воронке прыжкового
сопряжения, то есть когда глубине йс противостоит ей сопряженная Л’,
Увеличение сжатой глубины hc до допускаемой Лд происходит, сле-
дователь^, во второй период, после того, когда установилось прыжковое
сопряжение, д размыв еще продолжается вследствие больших скоростей
в придонном сдое в зоне'сжатой глубины.
Определение величины
где йд—глубина придонного слоя;
Цд—скорость воды у дна воронки размыва при его стабилизации
(допускаемая);
q — единичный' расход (принимаемый равным единичному расходу
• на конце Крнсоли);
фкоэффициент запаса, равный 0,7 ч-0,8,
является главной задачей, требующей правильного выбора по табли-
цам допускаемой скорости для данного грунта, так как остальные расче-
121
ты не представляют затруднений и выполняются по общеизвестным фор-
мулам.
Согласно обозначениям на рисунке 91, можно написать равенство:
^ = Лб+^ = Л; + Лд-Лс, (108
где t — глубина воды в воронке размыва;
й6—бытовая глубина в канале, в балке или в водоеме, куда
сбрасывается и отводится вода;
dB—глубина воронки после прекращения размыва (макси-
мальная);
йс и й' — сопряженные глубины;
йд—определяется по формуле (107).
Из уравнения (108) легко определить максимальную глубину раз-
мыва:
^В = ^ + Ад-Ас-Л6, (Ю9)
если известны величины йс и й", которые определяются при совместном
решении следующих двух уравнений:
<7 = <рйс т/2^(Р+й+^-+А’с-йс-йб'); (ПО)
F \ /
Метод проф. Е. А. Замарина также содержит допускаемую на раз-
мыв скорость, вводимую в расчет с коэффициентом запаса, но вместо
схематических соотношений взаимных глубин Е. А. Замарин рассматри-
вал фактически наблюденное им в лабораторных условиях растекание
потока, выходящего из трубки в безграничное водное пространство, что
аналогично поступлению концентрированной струи консольного перепа-
да в широкую и глубокую воронку. Величина L принимается как до-
статочная длина для ослабления сосредоточенного потока в жидкой
среде:
L=l)4<7lg_^( . (111)
где q—единичный расход (до 10 м31сек);
v0— скорость входа струи в воду воронки;
уд—допускаемая скорость для грунта в воронке за кон-
солью;
а = 0,7 н- 0,8 — коэффициент уменьшения допускаемой скорости в
воронке размыва.
Наибольшую глубину воды t в воронке размГява определяют в за-
висимости от угла входа струи 0 в воронку по формулам:
/=ft + 2£tga (112)
при 0< 10°
и
Z = £sin0 (ИЗ)
при 0 >10°.
Если принять, что при 0 < 10° и угол а тоже будет равен примерно
той же величине, то формулу (112) можно заменить формулой
Z = £ + 2£tg0. ’ (114)
Кроме того, приняв скорость v0 равной произведению <р о, можно зна-
чительно упростить расчет, не допуская большой погрешности в окон-
чательных его результатах [79].
122
Угол 0 входа струи в воронку определяется из зависимости:
tg0 = V2g<£.+ *L (115)
V
где Р, h и v показаны на рисунке 91.
Проф. М. С. Вызго дает формулу для расчета воронки размыва, учи-
тывающую качество грунта .и аэрацию потока, в следующем виде:
(116)
где t — глубина воды в воронке размыва;
А — коэффициент аэрации, который выбирают по таблице 14 в за-
висимости от величины скорости;
К — коэффициент размыва (табл. 15) для двух категорий грунтов
при различных углах 0 , остальные обозначения прежние.
Таблица 14
Глубина ft. м Значения коэффициента аэрации А при скорости v (м/сек)
\ 5 10 15, 20 25
. 0,2 0,70 0,64 0,62 0,61 , 0,60
. 0,5 0,88 0,71 0,66 0,63 0,62
0,7 1,00 0,90 0,70 0,66 0,64
Таблица 15
Грунты Значения коэффициента размыва К при угле 9
0° 12° 25° 40° 60° 90°
Очень слабые . (плывуны). . . 1,4 1,8 2,4 2,8 3,3 4,5
Прочи е 1,4 1,7 2,0 2,4 2,7 3,3
. Большие работы по исследованиям консольных перепадов и по оп-
ределению глубины воронки за ними провели проф. А. Н. Патрашев,
проф. Ц. Е. Мирцхулава, Н. Т. Смольянинов, Н. Н. Сурова, Б. И. Сту-
деничников, М. А. Михалев,, А. Н. Набиев, Ю. Ф. Шатов и многие
другие.
Принято считать, что консольные сбросы проще и дешевле перепа-
дов и быстротоков, так как у них нет дорогостоящего водобойного уст-
ройства. Однако для более точного сравнения вариантов нужно иметь
в виду, что конструкция опоры для консольного струенаправляющего лот-
ка может быть сложной и тяжёлой при большой ее высоте, а следова-
тельно, может иметь значительную стоимость.
В конструктивном отношении собственно консоль представляет со-
бой чаще всего железобетонный лоток, жестко связанный с опорой, обра-
зуя вместе рамную конструкцию по аналогии1 с акведуками. , .
При проектировании консольных перепадов необходимо обращать
внимание на условия схода воды с консоли и входа ее в нижний водоем
(в воронку).
123
Всеми возможными конструктивными средствами нужно рассредо-
точить поток и концентрированную струю превратить по возможности
в распыленную или во всяком случае в расчлененную. Для этой цели
служат трамплины, растекатели, щелейидные днища на консольном уча-
стке при сходе с него потока, водобойные плоты, запани в нижнем бьефе
при входе воды в воронку.
Рис. 92. Консольный перепад:
/—одиночное мощение; 2 — шпунт; 3 — вход на перепад; 4 — лоток консольного перепада; 5—свая;
6 — консоль; 7 — крепление; 8 — отводящий канал. .
Против возможного появления опасных размывов необходим© при-
нять следующие меры: t
а) расположить опору консоли на надежном основании;
б) подошву опоры, если это железобетонная рама, располагать не
выше наинизшей точки дна воронки .размыва, а если это сваи, то на та-
кой же отметке должен находиться верх расчетной' глубины их после
размыва;
в) укрепить грунт под концом консоли, с тем'чтобы не допустить
подмыва опоры со стороны воронки размыва;
г) предотвратить подмыв берегов справа "и слева от кон-
соли путем устройства защитных запаней и берегоукрепительных меро-
приятий.
124
Концевой сброс в Веселовское водохранилище.
к
На рисунке 92 показана' конструкция одного из консольных перепа-
дов, находящегося в Эксплуатации;и рассчитанного на сброс О. — Ь0м31сек
(подход к этому перепаду показан на, фотографии)..
§ 5. ВЫБОР ТИПА СОПРЯГАЮЩИХ СООРУЖЕНИЙ
Тип сопрягающих сооружений выбирают на основе технико-эконо-
мических подсчетов, сравнений вариантов с учетом обстоятельств, свя-
занных с производством работ и эксплуатацией.
Однако для. предварительных расчетов и соображений имеются нел-
которые рекомендации, которые позволяют, не выполняя сложных сопо-
ставлений, выбирать тот или иной тип сопрягающего сооружения по
первоначально имеющимся исходным данным.
Главным критерием, оказывающим влияние на выбор типа, являет-
ся характер рельефа местности, на которой предполагается устройство
Сопрягающего сооружения. На пологих склонах, при падении от 0,08 до
0,20, а по рекомендации некоторых авторов и до 0,25, можно проектиро-
вать^ быстротокй — они будут при всех других равных условиях более
экономичны. На крутых склонах, при 1=0,2н~0,3, лучше устраивать пе-
репады; так как в этом случае быстротоки могут оказаться дороже вслед-
ствие недопустимых скоростей.
Если же рельеф местности обрывистый и уклоны равны единице
(1:1) и круч§, то рекомендуется применять консоли, шахтные перепады,
башенные сбросы.
Второй Немаловажный критерий — уровень стояния грунтовых вод.
При близком их залегании от дневной поверхности лучше выбирать бы-
стротоки или конроли, как менее массивные сооружения.
Качество грунтов основания также влияет на выбор типа сопрягаю-
щих сооружений. Наиболее требовательны .к грунтам консоли по двум
причинам: во-первЫх, для опоры нужно твердое основание, а во-вторых,
размеры воронки р^ушыва при слабых грунтах получаются -иногда не-
приемлемо большими.
На втором меЙге после консолей по требовательности к качеству
грунтов основания,л^рят перепады, а потом уже идут быстротоки, как
наиболее легкие сооружения.
Проектируя сопрягающее сооружение, нужно помнить об условиях
эксплуатации. Наибольшего внимания со стороны эксплуатационного
125
персонала требуют консоли: необходимо постоянно наблюдать за.со-,
стоянием опоры и глубиной воронки размыва.
За быстротоками нужно следить особенно зимой, когда во время
морозов на бортах лотков трапецеидального сечения намерзает вода,
стесняя живое сечение и уменьшая пропускную способность быстротока.
Индивидуальные сопрягающие сооружения, в особенности быстро-
токи, обычно проектируют на единичный расход <? = 4—12 м31сек.
Если единичный расход q будет больше, то уже появляются допол-
нительные обстоятельства, требующие применения специальных мер для
обеспечения надежной эксплуатации быстротока. у
Повороты быстротоков вызывают набегание потока на один борт и
выплескивание воды, что также нельзя считать благоприятным во время
эксплуатации.
Из всех типов сопрягающих сооружений наиболее надежны в эксплу-
атации перепады.
Если они правильно запроектированы, то в задачу эксплуатационно-
го персонала входит лишь обычный присмотр за состоянием сооружения
и периодический ремонт.
- При нормальных условиях проектирования наиболее экономичным
типом сопрягающего сооружения считается консоль, потом быстроток, а
перепад относится к более дорогим вооружениям. Но, как уже указы-
валось, при определенных условиях консольный сброс может оказаться
дороже и сложнее всех других типов сопрягающих сооружений, и глав-
ным образом за счет технической сложности и большой стоимости опоры.
Так, например, концевой сброс Невинномысского обводнительного каййи
ла, соединяющего р. Кубань с р. Егорлык, рассчитанный на форси|йр
ванцый пропуск расхода воды 100 м?1сек, имеет опору консольного пере-
пада,- заглубленную на 22 м и представляющую собой железобетонную
раму сложной и тяжелой конструкции.
Для удобства в таблице 16 приведены основные условия, влияющие
на выбор типа сопрягающего сооружения, и даны соображения и реко-
мендации различных авторов.
Таблица 16
Основные условия, влияющие на выбор- типа сопрягающих сооружений Соображения и рекомендации по .выбору типа сопрягающих сооружений
Рельеф местности Уровень грунтовых вод Качество грунтов основания Эксплуатационные условия Экономическая оценка (=0,08-4-0,25— быстротоки. “ (=0,20-:-0,30— перепады (=1,0 и круче — коисоли, шахты, башни При близком залегании — быстротой и кон- соли Консоли — наиболее требовательны Перепады — требовательны Быстротоки — наименее требовательны Консоли, быстротоки — более требовательны Перепады — менее требовательны Более экономичны консоли, потом быстро- токи и затем уже перепады, как наиболее массивные сооружения . У * &
Раздел 4
ПЛОТИНЫ ИЗ ЗЕМЛИ, КАМНЯ И ДЕРЕВА
Глава V111
ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
I 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ
Применение земляных плотин. Простота конструкции, широкое ис-
пользование местных строительных материалов, возможность постройки
почти на любых основаниях обусловили широкое распространение земля-
ных плотин во всех странах мира. За последние 20—30 лет в СССР по-
строены десятки крупных гидроузлов, одной из главных составных ча-
стей которых являются земляные плотины. Широкое развитие механики
грунтов, инженерной геологии и гидрогеологии, широкое применение
механизации земляных работ позволяют в настоящее время осуществ-
лять плотины, весьма значительные по высоте и объему работ. Мингеча-
урская плотина (СССР), построенная в 1954 г. на р. Куре намывным
способом, имеет высоту 80 м, объем тела плотины 15,6 млн, м3. Строится
Сионская (СССР) насыпная плртина высотой 84,8 м с глиняным ядром,
)бъем тела плотины 6,38 млн. л3. Объем Цимлянской намывной плотины
составляет 29,5 млн. л3. Земляная плотина Свифт на р. Льюис (США),
построенная в 1959 г., имеет высоту 153 л, объем тела плотины 12,2 млн. л3
и др.
На фотографии показана земляная плотина Отказненского водо-
хранилища на р. Куме.
Основные требования, предъявляемые к земляным плотинам. Под-
пор воды перед земляной плотиной вызывает фильтрацию через тело пло-
тины, ее основание и в берегах. Перелив воды через гребень земляной
плотины почти всегда влечет за собой ее разрушение, поэтому паводко-
вые воды следует пропускать через специальные водосбросные соору-
жения.
При проектировании и постройке земляных плотин необходимо со-
блюдать следующие основные требования:
а) поперечному профилю необходимо придать такое очертание и
такие размеры, которые обеспечили бы устойчивость тела плотины и ее
основания при всех возможных условиях работы сооружения:
б) фильтрационная вода, просачивающаяся через тело плотины, ее
основание и в местах примыкания к берегам, должна быть перехвачена
и отведена системой дренажных-устройств;
в) пропускная способность водосбросных сооружений должна обес-
печивать пропуск максимального паводка во избежание перелива воды
через гребень плотины;
г) откосы плотины должны быть защищены-соответствующим креп-
лением от действия ветровых волн, а также от вредного воздействия кли-
матических факторов.
Типы и классификация земляных плотин. Земляные плотины под-
разделяются по различным признакам: по способу возведения, по высоте,
конструкции поперечного профиля и конструкции противофильтрацион-
ных устройств.
127
i
Земляная нлотина Отказнейского водохранилища.
По способу возведения различают плотины насыпные, на-
мывные и полунамывные.
Насыпные плотины возводят путем отсыпки грунта с искусствен-
ным уплотнением и без искусственного уплотнения (с отсыпкой пионер-
ным способом насухо, с отсыпкой в воду, с отсыпкой при помощи взрыва
на выброс).
Намывными плотинами называются такие, в которых весь про-
цесс возведения плотины — разработка грунта в карьере, транспортиров-
ка и укладка его в тело плотины — выполняется методом гидромехани-
зации, "то есть гидравлическим способом.
В полунамывных плотинах разработку грунта в карьерах, его
доставку к плотине и отсыпку в ее боковых частях ведут теми же спо-
собами, что и в насыпных, а сортировку и укладку грунта во внутреннюю
часть выполняют методом гидромеханизации. .
По высоте различают земляные плотины: низкие—с навфом до
15 .и; средней высоты —с напором 15—50 м и высокие — с напором бо-
лее 50 м.
По конструкции поперечного профиля земляные насып-
ные плотины подразделяются на следующие основные типы. (рис. 93):
а) из однородного грунта;
б) с вертикальным ядром или диафрагмой;
в) с экраном (из грунтового или из"негрунтового материала);
г) из разнородных грунтов (с водонепроницаемой верховой
призмой). '
Плотины земляные насыпные. 1. Выбор грунта для тела
н а сыпных плотин. .
Для возведения земляных насыпных плотин можно применять са-
мые различные грунты, которые имеются на месте постройки плотины.
Лучшими грунтами для однородной земляной платины считаются су-
глинки и супеси. Вполне пригодны песчаные й песчано-гравелистые грун-
ты, однако ввиду их проницаемости необходимо предусматривать проти-
вофильтрационные устройства: экраны, ядра, зубья и понуры.
128
Для противофильтрационных элементов плотины применяют связ-
ные, пластичные малопроницаемые грунты: глины, суглинки, а также
торфы при степени разложения не менее 50%.
Глинистые грунты с содержанием водорастворимых солей-до 6% по
весу (СН и П П-И.4-62) допускается применять в тело однородных пло-
тин и водоупорных элементов. Однако они должны быть защищены от
г
-? Рис. 93. Типы земляных плотин:
а — однородная; б — однородная с зубом; в — с пластичным ядром; г —с жесткой диафрагмой:
д — с пластичным экраном'; е — с жестким экраном; яс—с пластичным экраном и понуром;
з, и — мз разнородных материалов.
промерзания и иссушения защитным слоем, обладающим прочностью и
водостойкостью (крупнозернистые пески, галька, щебень).
Для невысоких плотин и в верхней части низового откоса средних
плотин можно применять Гумусированные грунты с содержанием гумуса
до 7—8%. Гумусированные грунты обладают малой водопроницае-
мостью, но трудно поддаются уплотнению. Непригодны для укладки в те-
ло плотины илистые грунты, легкоподвижные при насыщении их водой,
и грунты, содержащие водорастворимых солей более 6%.
9—1650
129
Выбор грунта для тела плотины должен быть обоснован технико-
экономическими расчетами. Важное качество грунта для тела насыпной
плотины — легкая уплотняемость его при укатывании.
2. Плотины из однородного грунта. При наличии в
районе строительства достаточного количества относительно водонепро-
ницаемых грунтов, особенно суглинков, лессов, строят плотину из од-
нородного грунта (рис. 93, «, б). Преимущества однородных плотин —
простота и быстрота возведения, возможность применения комплексной
механизации, что значительно снижает стоимость работ по сравнению с
другими типами земляных плотин.
3. Плотины с ядром. При недостаточном количестве малопро-
ницаемых грунтов (суглинков) плотину можно насыпать из имеющихся
на месте песчаных грунтов, супесей или других проницаемых материалов.
В этом случае будет происходить сильная фильтрация воды через тело
плотины. Для предупреждения этого явления применяют противофильт-
рационные устройства в виде ядра, экрана, диафрагмы.
Пластичное ядро устраивают из глины или тяжелого суглинка и рас-
полагают вертикально под гребнем плотины, желательно ближе к вер-'
ховому откосу (рис. 93, в), для того чтобы уменьшить объем насыщен-
ного водой грунта верховой призмы и сделать более устойчивой низовую
часть плотины. Минимальную толщину пластичного ядра поверху при-
нимают не менее 0,8 м, а понизу —не менее Vio напора.
Верх ядра должен возвышаться над нормальным подпорным стати-
ческим уровнем воды не менее чем на 0,3 м для плотин III и IV классов
и не менее чем на 0,5 м для плотин I и II классов.
При скальном основании вместо пластичного ядра устраивают же-
сткую диафрагму (бетонную, железобетонную, металлическую) для луч-
шего сопряжения тела плотины с основанием. Диафрагму следует распо-
лагать под верхней бровкой гребня плотины (рис. 93,г). Вследствие
неравномерной осадки тела плотины и разности гидростатического дав-
ления на гранях жесткой диафрагмы могут появляться трещины, поэто-
му предпочтение следует отдавать пластичному ядру.
4. Экранные плотины. Преимущество экранных плотин перед
ядровыми состоит в том, что в таких плотинах вода насыщает значи-
тельно меньшую часть объема тела плотины. Кроме того, экраны более
доступны для осмотра и ремонта. Однако для экрана требуется больше
материала, и он более подвержен деформациям при осадке основания
или тела плотины. Экраны
(рис. 93, д, е).
устраивают пластичные и
жесткие
’•Г
Для пластичных экранов применяют суглинки, супеси, глины, а так-
же торф при степени разложения не менее 50%. Толщину пластичного
экрана поверху (нормально к откосу) назначают не менее 0,8 м, а пони-
зу принимают не менее 7ю напора. С внешней стороны экран должен
быть покрыт защитным слоем из песка или песчано-гравелистого грунта
толщиной не менее глубины промерзания в районе строительства. Эк-
ран обычно сопрягается с основанием зубом. Торфяные экраны чаще
всего устраивают из двух-трех слоев торфа, между которыми укладыва-
ют слои из песка. Экран должен быть надежно защищен от промерза-
ния, так как промороженный торф теряет противофильтрационные
свойства.
При глубоком залегании водонепроницаемой толщи основания
устраивают плотины с экраном и понуром (рис. 93,ж). Длину понура
назначают в зависимости от допустимых фильтрационных расходов,
а также по условию недопущения деформаций при выходе фильтра-
ционного потока в нижний бьеф. Толщину понура принимают исходя
из того, что градиенты фильтрационного потока должны быть в преде-
лах, допустимых для грунта понура, но не менее 0,5 л. Для предохране-
ния понура от повреждения в период строительства его покрывают по
130
всей поверхности слоем грунта толщиной не менее 1 м (с учетом глубины
промерзания) [86].
5. П лотины из разнородных материалов. При недо-
статочном количестве суглинков и при наличии на месте песчано-граве-
листых грунтов и камня устраивают плотину из разнородных материа-
лов (рис. 93, з). Малопроницаемый грунт укладывают в верховой откос
Рис. 94. Сопряжение-тела
плотины с основанием:
1 — тело плотины; 2 — проницаемый грунт; 3, 4 — зуб (замок) плотины; 5 — шпунт; 6 — плотный
грунт; 7— защитный слой; 8— пластичный экран; 9— пластичное ядро; 10 — цементационная завеса;
11 — понур; 12 — скальное основание.
плотины, а проницаемый материал (песок, гравий, камень) —в низовой
откос. Для предотвращения вымыва грунта через каменную призму
между суглинком и каменной наброской укладывают промежуточный
сл>й в виде обратного фильтра из песка и мелкого гравия.
6 Сопряжение тела плотины с основанием и бере-
гй"Ж и. При небольшой глубине проницаемого слоя (2—3 м) в основа-
нии однородной плотины закладывают зуб, который заполняют глиной
9*
131
или суглинком (рис. 94,а). Зуб следует закладывать примерно под сере-
диной верхового откоса и заглублять его на 0,5—0,75 м в водоупор.
Если толщина водопроницаемого слоя 4—6 м, то тело плотины
сопрягают с водоупором путем закладки зуба глубиной 1—1,5 м и за-
бивки в нем шпунта, который опускают в водоупор (рис. 94,6).
Плотины с экраном и ядром при небольшой глубине проницаемого
слоя также сопрягают с водоупором закладкой зуба (рис. 94, в, г, д, ж)
Рис. 95. Сопряжение тела плоти-
ны с берегами:
а —наклонными плоскостями; б—с вер-
тикальными уступами; 1 — гребень пло-
тины; 2 — вертикальные уступы; 3 — по-
перечные трещины; 4— наклонные со-
прягающие плоскости.
или зуба со шпунтом, если водоупор расположен на достижимой глу-
бине (рис. 94, е, з). При глубоком залегании водоупора устраивают по-
нур или «висячий зуб» и шпунтовую стенку (рис. 94,и, к). Понур являет-
ся продолжением экрана; его делают из того же материала, что и экран.
Сопряжение тела плотины с берегами следует делать в виде наклон-
ных плоскостей с короткими уступами для удобства работ (рис. 95,а).
Обработка склонов вертикальными уступами не допускается, так как
вследствие резких изменений высоты насыпи вдоль уступов образуются
опасные поперечные трещины (рис. 95,6).
§ 2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ ПЛОТИНЫ
Гребень плотины. Земляная плотина представляет собой насыпь
трапецеидального поперечного сечения. Общий вид и основные элемен-
ты профиля этих плотин показаны на рисунке 96.
Рис. 96. Элементы профиля земляной плотицы;
f — тело плотины; 2 — верховой откос; 3 — гребень плотины; 4 — низовой откос; 5—кювет; 6 — берма;
7 —дренажная призма; 8 — подошва; 9 — крепление откоса; d— превышение ?л£ебня над УВБ;
Н — напор; Нп — высота плотины.
Если гребень плотины используют для проезда, ширину его назна-
чают в соответствии с нормами на проектирование дорог. Минимальная
ширина гребня 3—4 м для низких и средних плотин и не менее 6 м для
высоких. Возвышение гребня над расчетным статическим уровнем воды
верхнего бьефа определяют по формуле:
d = AH + Aft + a, (117)
где hK— высота наката ветровой волны на откос, ле;
Д/е— высота-ветрового нагона воды, ле;
а — запас высоты плотины; принимается для плотин, разрушение
которых может вызвать последствия катастрофического харак-
тера и угрожать безопасности населения. Запас принимают не
менее 0,5 м.
132
Высоту ветрового нагона А/г по СНиП П-И.4-62 определяют по фор-
муле:
V ’ Y
KVTi0L /11О.
Д/г =---—--cos а .и, (118)
' 3gH
/7
где К—величина, зависящая от отношения —— (X —длина волны),
Л>
принимается равной 6 10"’ ;
Г10— расчетная максимальная скорость ветра в м/сек, измеренная
на высоте 10 м над уровнем водоема (для перевода скорости
ветра, замеренной на высоте 2 м, величину ее следует умно-
жить на коэффициент 1,25);
L— длина разгона ветровой волны, км;
Н — глубина, м;
g— ускорение силы тяжести, м/сек2;
а — угол между осью водоема и направлением ветра.
Рис. 97. Элементы волны:
1 — статический уровень; 2 — средняя вол-
новая линия: 3 — впадина волны* 4— гре-
бень волны; с — высота волны; Л—длина
водны.
Длину волны X в условиях глубокой воды (-рис. 97) можно опреде-
лять по формуле В. Г. Андреянова — при скоростях ветра до 15 м/сек
й длине разгона волны до 30 км\
X = 0,3041FL,/2 , (119)
где W — скорость ветра, м/сек.
Высоту наката волны можно определить по формуле проф.
Н. Н. Джунковского (ГОСТ 3255—46):
/гн = 3,2с& tga, (120)
где с — высота волны, которая зависит от силы ветра и определяется
по эмпирическим формулам;
k — коэффициент, равный 1 для гладкого (грунтового) откоса
и0,77 для. откоса из каменной наброски;
—- тангенс угла наклона откоса.
-- Для определения высоты волны в открытых водохранилищах при
длине разгона волны от 3 до 30 км и скоростях ветра до 15 м/сек
В. Г. Андреянов предложил формулу:
- с= 0,02081Г5Л L71 , ‘ \ (121)
где W — скорость ветра,.лг/се/с;
L — длина разгона волны, км.
Для защиты гребня от всплесков воды на средних и высоких плоти-
нах иногда с напорной стороны устраивают парапет в виде сплошной
стенки. "Этапозволяет уменьшить высоту плотины, а следовательно, и ее
объем вследстйие уменьшения запаса высоты гребня. В этом случае ве-
личину d надо считать от верха парапета, но гребень плотины должен
быть не ниже УВБ. С низовой стороны гребня для безопасности авто-
гужевого движения устанавливают, надолбы в виде деревянных или же-
лезобетонных столбрв.
Для стока воды гребень делают выпуклым со скатом 2—3% в обе
стороны от оси плотины.
Гребень плотины в пределах дороги покрывают мостовой или слоем
уплотненного щебня. -♦
133
Заложение откосов. Верховой откос устраивают более пологим,
чем низовой, так как он насыщен водой почти на всю высоту.
Заложение откосов назначают в зависимости от рода, грунта, высо-
ты плотины и свойств основания.
Для земляных плотин IV класса при грунтах в основании таких же
или более прочных, чем тело плотины, согласно СНиП Н-И.4-62, заложе-
ние откосов назначают по таблице 17.
Таблица 17
Наименование откоса Расчетная высота плотины, м
до 5 | от 5 до 10 от 10 до 15
при грунтах тела плотины
глинистых песчаных | глинистых песчаных глини- стых песча- ных
Верховой Низовой с дренажем .... Низовой без дренажа .... 2 1,5 1,75 2,5* 2** 2 2 2,5 1,75 2‘ 3,0* 2,5** 2 - 2,25 3 1,75 2,2о 3 2 2,25
* Для плотин, не имеющих экрана илн с тонким экраном.'
** Для плотин, верховой клин которых состоит из суглинков или супесей.
Для средних и высоких плотин обязательно проверяют устойчи-'
вость откосов при всех видах оснований, а при слабых основаниях — для
плотин высотой более 10 м.
С увеличением высоты плотины откосы делают более пологими,
В этом случае иногда переходят к ломаному очертанию откосов, посте-
пенно увеличивая пологость книзу.
Для предохранения низового откоса от размыва сосредоточенным
потоком дождевых и талых вод через 10—15 м по высоте устраивают
горизонтальные площадки — бермы шириной 2—3 м, а при необходимо-
сти проезда по ним — шириной до 6 м. У внутреннего края бермы уст-
раивают кювет для перехвата дождевых и талых вод и отвода их в об-
щую систему дренажа плотины (рис. 96). В некоторых случаях для упо-
ра крепления бермы делают и на верховом откосе.
Дренаж земляных плотин. Дренаж тела земляной плотины устраи-
вают для того, чтобы не допустить выход фильтрационного потока на ни-
зовой откос (в зону, подверженную промерзанию);, для отвода воды,
фильтрующейся через тело и основание, в нижнийДшеф; предотвраще-
ния возникновения фильтрационных деформаций; уменьшения заложе-
ния низового откоса и повышения его устойчивости.
Дренаж подошвы и основания земляной плотины устраивают для
снижения порового давления в толще глинистого основания и для вы-
пуска напорных вод из водопроницаемого слоя основания, прикрытого
сверху слоем водоупорного грунта.
По конструкции и расположению в, теле плотины дренажи делятся
на внутренние (рис. 98, а, в, г, д); наружны^ — насланный дренаж
(рис. 98, ж) и комбинированные (рис. 98, б, е, з). • , -
Внутренние дренажи могут быть в виде дренажной призмы
(рис. 98,а); плоского горизонтального дренажа (рис. 98,в); наклонно'
горизонтального дренажа (рис. 98, г) ; трубчатого дренажа (рис. 98, д).
Сам дренаж, как правило, состоит из двух основных частей: при-
емной — в. виде обратного фильтра из одного или нескольких слоев и'
отводной — для отвода воды из тела плотины в нижний бьеф в виде
трубы или канавы, заполненной щебнем, галькой, гравием.
Дренажную призму (рис. 98,а) устраивают из камня, щебня .
с обратным фильтром со стороны тела плотины и основания, ее приме-
134 \
няют на русловых участках плотины. Минимальная высота призмы оп-
ределяется наивысшим положением уровня воды нижнего бьефа с за-
пасом на волнение не менее 0,5 м. При дороговизне камня верхняя часть
затопляемого паводком низового откоса выше дренажной призмы может
быть покрыта наслонным дренажем с обратным фильтром (рис. 98,6).
Наслонный дренаж (рис. 98,ж) применяют на участках пло-
тины, перекрывающих затапливаемую пойму, и при отсутствии на месте
достаточного количества камня. В земляных плотинах из глинистых,
грунтов полную толщину дренажа назначают с учетом климатических
особенностей района, исходя .из глубины промерзания. Эта конструкция
наиболее проста, доступна для осмотра и ремонта. Наслонный дренаж
выполняют после возведения плотины из 2—3 слоев обратного фильтра,
пригруженного слоем каменной наброски. Он не понижает депрессион-
ную кривую, но, являясь пригрузкой, увеличивает устойчивость низового
откоса против возможной суффозии и оплывания.
При недостаточном количестве в районе строительства камня или
его дороговизне устраивают другие типы дренажа, требующие значи-
135
тельно меньшего объема камня. На рисунке 98, г представлена конст-
рукция наклонной дренажной призмы, переходящей в ос-
новании в горизонтальную дрену, из которой фильтрационная вода от-
водится в канаву, устраиваемую за подошвой откоса. Наклонная дрена
перехватывает фильтрационный поток и значительно понижает депрес-
сионную поверхность.
, При залегании в основании плотины водонепроницаемых или слабо-
водопроницаемых грунтов применяют дренаж в виде горизонталь-
ного тюфяка из камня, окруженного сверху и снизу обратными
фильтрами (рис. 98, в) и вдвинутого в глубь тела плотины до !/з ширины
по ее подошве. Такая конструкция дренажа проста и эффективна для
глубокого дренирования тела плотины и основания, но применяется при
отсутствии воды в нижнем бьефе.
Значительно меньше камня требуется для внутренних трубчатых
дренажей, укладываемых из каменных дрен или дренажных труб
(рис. 98, д) по основанию на расстоянии от низового откоса не менее
глубины промерзания. Собираемая трубчатыми дренами вода отводится
в нижний бьеф поперечными дренами — коллекторами. Последние могут
быть той же конструкции, что и сам дренаж.
Комбинированные дренажи (рис. 98, в, з) применя-
ют при необходимости защиты от волнового воздействия в нижнем
бьефе. Согласно СНиП П-И.4-62, песчаные, гравийные и щебеночные
материалы для фильтров дренажей плотин всех типов, за исключением
фильтра вертикального трубчатого дренажа, рекомендуется применять
со следующими значениями степени неоднородности:.
а) для фильтров, выполняемых насухо в песчаных плотинах на пес-
чаных основаниях, п = <10;
d10 ’
б) для фильтров, выполняемых отсыпкой в воду, т] = —— < 4;
dio
в) для фильтров дренажей, выполняемых в плотинах из суглинис-
тых грунтов и на суглинистых основаниях, ц = >10.
41о
Тип и конструкцию дренажа выбирают на основании технико-эко-
номического сравнения вариантов в зависимости от типа плотины и ин-
женерно-геологических и гидрогеологических условий в основании и
берегах, характеристик и количества имеющихся для дренажей мате-
риалов, климатических условий района и условий производства работ.
§ 3. КРЕПЛЕНИЕ ОТКОСОВ
Для защиты откосов плотины от разрушающего воздействия _водн,
льда, атмосферных осадков и прочих климатическихТфакторов применя-
ют различные виды креплений. Тип крепления выбирают на основании
технико-экономического сопоставления вариантов с учетом возможности
выполнения его с максимальным использованием средств механизации
и местных материалов и долговечности его в период эксплуатации. Для
предупреждения фильтрационных деформаций тела плотины в Зоне, при-
легающей к креплению откоса, в некоторых случаях под крепление ук-
ладывают песчано-гравелистую подготовку.
Для верхового откоса плотины в соответствии со СНиП П-И.4-62
применяют следующие конструкции креплений: каменные; железобетон-
ные из отдельных сборных плит с обычной и предварительно,напряжен-
ной арматурой и в виде сплошного покрытия; железобетонные монолит-
ные, бетонируемые непосредственно на откосе; асфальтобетонные; био-
логические. ' Г
Крепление верхового откоса состоит из основного и облегченного.
Основное крепление располагают в зоне максимальных вол новых твоз-
136
действий, возникающих в эксплуатационный период. Основное крепле-
ние делают до гребня плотины, а в случае значительного возвышения
гребня над расчетным уровнем воды заканчивают ниже гребня на от-
метке высоты наката Ли и далее до гребня доводят в облегченном виде.
Нижнюю границу основного крепления назначают ниже минимального
уровня сработки водохранилища на глубине, равной двойной высоте
волны, соответствующей условиям этого уровня.
Рис. 99. Типы креплений верховых откосов земляных гйютин:
а—каменная наброска: б— двойное мощение камнем: в— бетонные ящнкн, заполненные камнем;
г — бетонные плиты; д— биологическое крепление; е ^визовой конец крепления: ас —обратный
фильтр под швом; / — каменная наброска; 2 — отсортированный гравий; 3 — песчано-гравийная смесь;
4— песок; 5—плита; 6 —обратный фильтр; 7 — дренажные отверстия; 8 —арматура; 9 — железо-
бетонный тюфяк; 10 — пригрузка.
Каменное к р е п л е н и е-выполняют в виде наброски" камня
(рис. 99, о). или мощений (рис. 99,6) обязательно по слою , подготовки
в виде обратного фильтра или естественной песчано-гравелистой смеси
с содержанием гравия (6=10—2&мм) не менее 50—60% |30}.
Каменные материалы для крепления откосов должны бьцъ из плот-
ных изверженных, осадочных_и метаморфических пород, обладающих
необходимой прочностью, морозостойкостью и водостойкостью.
Для определения размеров камня наброски предложены различные
формулы (проф..М. Н. Гольдштейн [51], проф. Б. А. Пышкин, П. А. Шан-
кин и др.), но в связи со значительными расхождениями результатов, по-
лученных по этим формулам, проф. Е. А. Замарин составил таблиц}'
[80] для определения ориентировочных размеров, камней в зависимости
от высоты волны (табл-18).
10—1650
137
Т а б. л. и ц а 18
Высота волны с, м 1,2 1 1,0 0.8 0,6 0,4
Вес камня, кг . . 52 31 16 8 2,5
Диаметр камня, см . . 34 29 23 18 13
Ребро куба, см . 27 23 Л8,5 14,5 ГсГ
Расчетный вес отдельного камня в тоннах можно определять по фор-
муле П. А. Щанкина [226]:
з
:3
(Yk — I)3 L .
где A = 7,2 при%:с<15 и A = 8,2 при Л: 015;
ук — удельный вес камня, т/ж3;
т — заложение откоса;
с—высота волны;
% — длина волны. •
Толщину слоя каменной наброски в соответствии со СНиП П-И;4-62
следует определять из зависимости:
^набр {2,5 Л • V — чу
(122)
где у 0>б24ук: : .
Dm—диаметр Камня, приведенный к шару, м\
укобъемный вес камня, т’/л43;
Q—расчетный вес отдельного камня в наброске, т.
Каменная наброска — гибкое крепление, выполняемое механизиро-
ванным способом в любое время года.
Толщину каменнбго мощения определяют по формуле П. А. Шан-
кина:
(мощ = 1,7 —с. (123)
Yk— Y m(« + 2)
Каменное мощение требует значительно меньше камня, но при де*
формации тела плотины нарушается его конструкция. Кроме, того, тре-
буется подбор штучных камней и ограничена возможность механизации
работ. Этот вид крепления обычно применяют при небольшой высоте
волны и наличии дешевого камня. .
Бетонное .и железобетон ню. е к р е п л е н.и е выполняют в.- ,
виде монолитны'х, бетонируемых на месте или сборных конструкций из
плйт. Плиты делаются толщиной от 8—10 до 15—*20 см й-размерами от*
1,5X1,5 до 5x5 м (рис. 99,а). Их-укладывают на сплошной подготовке,
выполненной по типу обратного фильтра с шарнирным соединением
между ними. Небольшие плиты после укладки их на откос м.бжно объе-
динять в укрупненные карты путемзамоноличиванищ Монолитные же-
лезобетонные крепления выполняют плитамй'бдльшйх размеров (5x5 м
и более),, -ч * . ' ' -
На Волгоградской плотине верховые-откосы укреплены армирован-
ными плитаМй на подготовке из щебня слоем 15 см. Размеры плит сле-
дующие: верхний ряд 6,5X9,Ох6,4 м и четыре ряда29,0х9,0х0,5 м.
Швы между "большими плитами уплотняют асфальтобетоном или
фасонной резиной,'Что придает креплению известную гибкость. Если швы
между плитами остаются открытыми-, то под швами укладывают обрат-
ный фильтр (риб. 99,0»)'/
138 “..jX _
Размеры бетонных и железобетонных плит назначают по расчету.
Толщину бетонных плит, можно определять по формуле П. А. Шан-
кина [226]: • ' ' .
6 = 0,1с 1/—----(124)
V Тб—1 mb
где с высота волны;
%—длина волны;
Ь — размер плиты в направлении падения откоса;
уб — объемный вес бетона (—2,3 т/м3); -
ш — заложение откоса.
Крепление бетонными ящиками с- каменным за-
полнением [25] впервые применено на строительстве Волго-Балтий-
ского водного пути. Крепление представляет собой ячеистую конструк-
цию, выполненную из отдельных бетонных слабоармированных ящиков,
которые укладывают по поверхности откосов в шахматном порядке; по-
лосы заполняют камнем размером 20—25 см (рис. 99,в).
Достоинства этого типа крепления:
а*) возможность изготовления ящиков в заводских условиях, меха-
низированная.отсыпка каменного материала и обратных фильтров, что
снижает стоимость работ по устройству крепления; '
б)разрушение крепления откосов происходит в пределах ящик?.
Это позволяет резко снизить дорогостоящие ремонтные работы по креп-
лениям, свойственные обычным видам покрытий (каменная наброска,
мощение и др.). .. '
Для плотины высотой до 10 м применяют каменйую загрузку в плет-
невых клетках. В качестве однослойной подготовки применяют гравелис-
тый песок слоем толщиной примерно 20 см.
Асфальтобетонное крепление применяют на откосах с зало-
жением не круче 1 :2. Толщина его зависит от глубины воды над креп-
лением [79]:
напор, м . ................................................ Ю 20 50
толщина асфальта, см.................................... 6 8 12
- ' Асфальтобетонное покрытие действует на поток грунтовых вод как
экран.
Д небольших плотинах при вьгсоте волны др 1 м для защиты отко-
сор сажают кустарник, черенки тальника и др. (рис. 99, д), которые не
-'ТО&ько, хорошо скрепляют грунт корнями, но и ослабляют действие
ветра,. .
В&тех районах, где нет местных материалов для крепления, эконо-
мичесйг целесообразно строить земляные плотины малой высоты с уполо-
женным'и откосами, устойчивыми против волнобоя. Сейчас уже имеется
7 некоторый Рпыт строительства земляных плотин с уположенными от-
косами. ' ,
Таблица 19
, Материал откоса Заложение откосов прионы соте волны, м
0,5 1,0 1,5 2,0
Суглинок . . ... , . Мелкий песок . .. . . . . . . Среднезернистый песок . . . . . , . . . Крупный йе<;ок .• \ ; . . . . . . . . . . . , . Гравий ...... Талька г . . 7,5 7,0 .5,5 5 1 4,5 3,5 10,5 10,0 9,0 7,0 6,0 5,0 15 13 11 9 7е, 5 6,5 19 15 13 11 9,5 7,5
10’
139
На основании имеющихся материалов исследований (проф-
Е. А. Замарин, Б. А. Пышкйн и др.) для предварительного определения
заложения откосов можно рекомендовать заложения уположенных от-
косов, устойчивых против волнового воздействия, приведенные в табли-
це 19, при разной высоте волны и разных грунтах.
Для низового откоса применяют следующие типы креплений:
। а) покрытие слоем щебня или гравия толщиной 0,2 м;
б) покрытие растительной землей (0,2—0,3 м) с посевом трав;
в) сплошную одерновку или одерновку в клетку.
§ 4. НАСЫПНЫЕ ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
Особенности возведения насыпных плотин. Долговечность работы
земляных плотин во многом зависит от правильного распределения в те-
ле плотины грунта и его уплотнения. При возведении земляной плотины
необходимо так распределять грунты по их физико-механическому со-
ставу и укладывать по профилю плотины, чтобы препятствовать
проникновению фильтрационной воды в тело плоти-
ны до ее середины и всемерно способствовать выходу
фильтрационной воды из пределов низовой ее части.
Из этого правила следует, что в верховую часть плотины, то есть от ее
оси в сторону водохранилища, нужно укладывать менее водопроницае-
мые грунты (суглинки) с тщательным уплотнением. Низовую же часть
плотины, то есть от оси в сторону нижнего бьефа, возводят из более про-
ницаемых грунтов. Доставленный из карьера грунт разравнивают слоем
толщиной 20—25 см в рыхлом состоянии. Грунт уплотняют самоходными
или прицепными катками — гладкими или шиповыми, иногда гусенич-
ными тракторами или самоходными скреперами.
Рис. 100. Кривые зависимости объемного веса и пористости от влаж-
ности грунта (а) и кривая депрессии для суглинка (б):
/, 2 — кривые объемного веса; 3— кривая пористости.
В последнее время стали применять большегрузы на пневмоходу
(весом до 26 т), уплотняющие слой грунта толщиной до 60 см, и вибро-
катки, уплотняющие слои грунта до 0,8—1,0 м.
При уплотнении грунта большое значение имеет его влажность, так
как сближению частиц грунта препятствует-трение между ними. Наи-
лучшее уплотнение грунта происходит при оптимальной влаж-
ности, когда заданное уплотнение грунта достигается при минималь-
ной работе уплотняющих снарядов. Эта влажность, в свою очередь,
зависит от характера грунта, веса катка. ;Ее определяют опытным путем
в лабораторных и натурных условиях. Например, для .суглинков при
уплотнении 6-тонным катком она составляет 12—16% (рис. 100,а). Для
140
более тяжелых катков оптимальная влажность уменьшается, а для бо-
лее легких — повышается.
Степень уплотнения грунта в плотине характеризуется по-
ристостью или объемным весом грунта, причем величину ее задают,
исходя из компрессионных свойств грунта и высоты насыпи. Так как
нагрузка на грунт в разных частях по высоте плотины различная, то и
степень уплотнения грунта следует задавать различную, в зависимости
от ожидаемой нагрузки (вес вышележащего грунта).
Объемный вес сухого грунта должен быть равен
у0 = д(1—п), (125)
где д — удельный вес скелета грунта (2,6—2,7);
е
п — пористость, п— ----с
e-pl
в — коэффициент пористости, определяемый по компрессионной
кривой (рис. 100,б).
Деля плотину по высоте на слои толщиной 5—8 м, можно опреде-
лить наибольшую нагрузку (Р) в каждом слое: Pi=Yi^b ^2=71^2; Рз=
—Yift3 и т. д. и соответственно этой нагрузке по компрессионной кривой
находят коэффициент пористости и по формуле (125) определяют задан-
ную плотность грунта для каждого слоя.
Степень уплотнения грунта в теле плотины контролируют, определяя
лабораторным путем объемный вес проб грунта, взятых из каждого ука-
тываемого слоя в вершинах квадратов со стороной 20—40 м.
При высоких темпах возведения насыпи Для ускорения контроля,
кроме лабораторных исследований, применяют плотномеры.
Возведение земляных плотин зимой. Необходимость возведения
земляных сооружений в короткие сроки заставила строителей в некото-
рых случаях возводить земляные плотины, дамбы и перемычки в зим-
ний период [144]. В условиях сурового климата строительство ведется пу-
тем отсыпки мерзлых комьев из песчано-гравелистых грунтов (например,
плотина Иркутской ГЭС на р. Ангаре, верховая перемычка плотины
Волжского узла высотой 10 м, перемычка Угличского узла высотой 17 м
и напором 11,5 м и др.).
В условиях неустойчивых и мягких зим для строительства плотин,
. кроме песчано-гравелистых грунтов, можно применять и связные грун-
ты,' суглинки, супеси. При этом необходимо соблюдать следующие до- •
полнительные (кроме общих ТУ и Н) требования:
1. Подготовку основания плотины, включая снятие растительного
слоя, устройство зубьев, забивку шпунтов и другие работы выполнять
осенью, до морозов.
2~ Карьеры для разработки, грунта выбирать вблизи от места уклад-
ки, на склонах, обогреваемых солнцем и защищенных от господствую-
щих зимой ветров.
3. Во избежание промерзания грунта разрыхлять его до наступле-
. ния морозов, для чего грунт вспахивают тракторными плугами или спе-
циальными рыхлителями на глубину 25—35 см с последующим бороно-
ванием. Кроме того, поверхность грунта покрыть слоем теплоизолирую-
щего материала. Утеплитель снимать непосредственно перед, разработ-
кой на ограниченном участке.- _ -
В снежных районах'для утепления грунта проводят снегозадержа-
ние путем постановки щитов, плетней, снежных валов и т.д.
Чтобы предохранить связные грунты от промерзания, можно про-
водить засоление грунта в полезных выемках или в карьерах, для чего
, по поверхности грунта равномерно рассыпают техническую поваренную
соль (NaCl) или хлористый кальций (СаСЬ) И запахивают на глубину
10—20 см (за 2—4 недели до заморозков).
141
4. Разработку, перевозку и укладку талых грунтов вести ускорен-
ным темпом на суженном фронте, непрерывно — круглосуточно, с мак-
симальной. механизацией всех работ, чтобы предупредить возможное
замерзание до получения необходимого уплотнения грунта.
5. Прй температуре воздуха ниже — 12—15® С и продолжительности
цикла от погрузки до выгрузки грунта более 20—30 мин перевозимый
в автомашинах грунт укрывать сверху соломенными матами или други-
ми утеплителями.
Для предупреждения примерзания грунта к поверхности кузова ав-
тосамосвалов периодически покрывать внутреннюю поверхность кузова
раствором хлористого кальция в воде (1:10 по весу).
6. Грунты насыпать слоями толщиной 20—30 см и более. Влажность
грунтов не должна превышать 0,9 Ц7р, где Wp — влажность на границе
раскатывания грунта.
7. Для уплотнения грунта отдавать предпочтение каткам более тя-
желого типа, в том числе снарядам ударного действия и виброкаткам,
так как они позволяют отсыпать и уплотнять грунт более мощными
слоями.
8. Мерзлые комья диаметром до 15 см можно допускать в тело пло-
тины в количестве, на превышающем 10—15% общего объема грунта,
при условии их разрозненного расположения.
9. Во время снегопада работы по укладке грунта прекращаются.
После прекращения снегопада сйег и наледи перед укладкой следующе-
го слоя удаляют. ' _
Возведение земляных плотйн отсыйкой грунта в воду. .Тайной метод
постройки плотин впервые применен и получил развитие в СССР. На-
пример, Палй-Коргская плотина смешанной конструкции построена этим
способом. Грунт, отсыпаемый в воду, получает хорошее уплотнение под
действием собственного веса.
В Средней Азии получил широкое распространение так называемый
мокрый способ [34], который позволяет использовать для возведения
плотин лессовые и моренные грунты. При этом способе участки (карты)
плотины площадью от 100 до 400 м2 и более обваловывают валиками из
сухого грунта высотой 0,4—0,6 м и наполняют водой до половины вы-
соты,. затем засыпают лессовым грунтом. -Плотность грунта при этом
достигает 1,55—1,60 т/м3. «Мокрый» способ был применен на строитель-
стве Иркутской ГЭС, где карты ограждались валами высотой до 2 м
при глубине воды в пруду более 1 м. Этим способом в 1965 г. построена
насыпь объемом 240 тыс. 'м3 на Верхне-Алазанской оросительной систе-
ме в Грузинской ССР. .
Основное преимущество этого способа состоит в том, что он даеТ
возможность использовать самые разнообразные по составу и разной
влажности грунты, исключает работу уплотняющих механизмов,- дает
экономию средств и сокращает сроки строительства.
Возведение насыпных плотин взрывом на выброс. За последние
годы в Советском Союзе стали возводить насыпи путем направленного
взрыва на выброс. Так, на строительстве Нижне-Бозсуйской ГЭС № 3
взрывом с Применением заряда в 38 т образована перемычка объемом
17 400 .и3 и высотой 9,6 м; в 1959 г. направленным взрывом лессовидного
суглинка было перекрыто русло р. Терека у станицы Павлодольской[110].
Объем, уложенной массы грунта составил более 70.тыс/Л3. Объемный
вес уплотненного грунта достиг 1/,7~т/м^. Стоимость деремычки, образо-
ванной взрывом, оказалась в Два раза меньше по сравнению с проектной
стоимостью перекрытия русла обычным путем; плотина Ала-Тау (СССР)
высотой 97 м сооружается путем взрыва на выброс. В результате перво-
го взрыва (октябрь 1966 г.) образовалась плотина высотой в самой низ-
кой части 61 ж, шириной в основании 500 лг. ” После второго взрыва
(14/IV 1967) высота плотийы достигла 90м.
142
§ 5. НАМЫВНЫЕ ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
Общие положения. В связи с широким развитием и высокими тем-
пами гидротехнического строительства в СССР получили широкое рас-
пространение иамывцые плотины. Этот способ возведения плотин позво-
ляет в кратчайшие сроки при минимальном количестве рабочих и меха-
низмов выполнять земляные работы в огромных масштабах. При этом
стоимость работ обычно бывает значительно ниже, чем при сухом спо-
собе возведения плотин. Земляные плотины, составляющие основную
часть наших крупных гидроузлов (Мингечаурский, Цимлянский, Куй-
бышевский, Волгоградский и др.), выполнены намывным способом.
Рис. 101. Осредненные кривые гранулометрического состава грунтов, используемых
для намыва плотин:
I — песчаные грунты; 77 — песчано-гравелистые грунты; III — супесчаные грунты; IV — суглинистые
и глинистые грунты.
При строительстве Цимлянской намывной плотины максимальная
суточная укладка грунта достигла 218 тыс. м3, среднесуточное наращи-
вание по- высоте составляло 70 см [151].
При намыве русловой части Куйбышевской земляной плотины [194]
достигнута, суточная производительность намыва 300 тыс. м3. Такой про-
ЙЗёЮдитейъности не знает мировая практика гидростроительства.
Основное условие применения гидромеханизации — наличие на ме-
сте гранта. подходящего для намыва тела плотины, И достаточного ко-
личества водь) для-разработки грунта в карьерах, транспортировки и
укладки его в тело плотины. , '
Разработку грунта в сухих карьерах ведут гидромонитором,
который выбрасывает струю воды под большим нйпором ср скоростью
60MjceK, ц более. Под водой грунт разрабатывается землесосом и по-
дается на поверхность в виде разжиженной массы, так называемой
п у л ь п ы. Пульпа в консистенции 15—10% по объему грунта к объему
воды подается к-месту укладки по безнапорным лоткам И канавам или
по напорным пульповодам. ~
Для намыва земляных плотин лучше всего использовать песчаные
грунты I и II групп (рис. 101). Супеси (III группа), суглинки (IV груп-
па) допускаются дуя намыва плотин при. соответствующем тёхнико-
экрномическом обосновании- При этом гравийные' грунты используют
для упорных призм, а суглинки —для ядра плотины;
’ - Средние характеристики грунтов для намътва приведены на ри-
сунке 101.
143
Типы намывных земляных плотин. По конструкции поперечного
профиля земляные намывные плотины делятся на два основных типа:
плотины с водоупорным ядром (располагаемым обычно в центральной
части поперечного профиля плотины); однородные плотины без ядра.
В некоторых случаях устраивают плотины экранного типа.
Плотины из разнородного грунта. Когда для намыва плотины мо-
гут быть использованы разнородные грунты со степенью неоднородно-
сти т] ~ > 3 или супеси с содержанием пылевато-глинистых частиц
^1о
в пределах 12—20%, применяют двухсторонний намыв. В этом случае
образуется плотина с центральным ядром; Намыв плотины ведут
из двух пульповодов (лотков или трубопроводов), расположенных вдоль
откосов на невысоких эстакадах или на дамбах обвалования (рис. 102).
От лотков или пульповодов через 5—10 м по длине ответвляются особые
Рис. 102. Двусторонний намыв плотины:
1—упорные призмы; 2— фильтры; 3 — напорные пульповоды; 4 — дамбы обвалования; 5 —насыпная
часть; 6— ядро; 7 — промежуточные призмы; 8 — боковые призмы; 9 — прудок-отстойник; 10 — водо-
сбросной колодец; // — отводная труба; 12 — патрубки: I, II, /// — ярусы намыва.
выпуски — патрубки с затворами 12, через которые пульпа выливается
вблизи откосов и течет к середине плотины, образуя там прудок-отстой-
ник. Скорость движения пульпы наибольшая в месте выпуска у откоса
плотины и уменьшается к середине. При этом происходит постепенно
выпадение частиц грунта от наиболее крупных у откосов до более мел-
ких к середине; самые же мелкие фракции осаждаются в прудке-отстой-
нике 9, образуя^относительно водонепроницаемое ядро плотины 6. К ядру
примыкают промежуточные призмы 7, которые, складываются из более
проницаемых частиц грунта, а самые крупные фракции, выпадая у от-
косов, формируют наружные, или так называемые боковые, призмы 8.
Вода из прудка-отстойника удаляется частично путем фильтрации
через промежуточные и боковые призмы, но главным образом через спе-
циальные вертикальные водосбросы в виде деревянных, постепенно на-
ращиваемых колодцев — срубов 10 с горизонтальными отводами-труба-
ми в основании плотины 11. Вместе с осветленной водой из прудка-от-
стойника сбрасываются взвешенные глинистые частицы грунта d<
<0,005 мм, которые допускаются в ядро плотины в количестве не более
5% [170]. Для получения ядра в центре поперечного профиля плотины
необходимо с обоих откосов одновременно выпускать равное количество
пульпы одинакового качества, иначе ядро получается неправильной
формы, с так называемыми языками и карманами.
Плотины намывают по отдельным участкам или картам длиной
200—400 м и шириной 100—200 м (в зависимости от высоты плотины).
При двустороннем или одностороннем намыве и расположении пуль-
поводов на дамбах обвалования. (рис. 102), постепенно наращивая вы-
пускные патрубки, можно .намыть ярус плотины высотой до 3—6 м, пос-
144
ле чего пульповоды перемещают на дамбы обвалования следующего-
яруса.
За последние 10 лет широкое распространение получил безэста-
кадный намыв [145]. Он экономичнее эстакадного (исключается рас-
ход леса на эстакады, резко уменьшается потребность в рабочей
силе); намыв идет непрерывно скоростными методами с полной механи-
зацией всех производственных процессов. Пульповоды укладывают гу-
сеничным краном грузоподъемностью 3—5 т. Из труб, снабженных
быстроразъемными соединениями и укладываемых прямо по намытому
грунту, пульпа выпускается из торца пульповода. Последний наращи-
вают и разбирают без прекращения движения пульпы. После намыва
слоя высотой 20—30 см и длиной 7—8 м наращивают следующее звено
трубопровода, и так до конца карты. После этого намывают новый слой
в обратном направлении путем постепенного отсоединения труб.
Рис. 103. Односторонний намыв плотины:
—каменная призма; 2—обратный фильтр; 5 — пульповоды; 4— дамбы обвалования;
' 5 — насыпная часть.
Одной из крупных в СССР намывных плотин с ядром является Мин-
гечаурская плотина на р. Куре, возведенная безэстакадным способом из
песчано-гравелистых грунтов.
При одностороннем намыве разнородных грунтов образуется
плотина экранного типа. Такой способ намыва чаще применяют
. при возведении русловых плотин без перемычек. Предварительно у ни-
зовой бровки поперек русла отсыпают каменную призму 1 (рис. 103) до
отметки выхода ее верха из воды. По внутреннему откосу призмы от-
сыпают обратный фильтр 2. Намыв ведут из пульповодов, располагае-
; мь!х вначале на гребне призмы 3, а затем, по мере роста плотины, на
дамбах обвалования, на низовом откосе 4. При выходе пульпы из пат-
рубка пульповода наиболее крупные фракции выпадают у низового от-
коса, затем выпадают более мелкие наносы, и самые мельчайшие части-
цы отлагаются у верхнего откоса, образуя как бы экран. Намываемые
слои имеют очень пологий надводный откос (Г: 12—1 : 18), поэтому од-
носторонний намыв целесообразен при возведении нерусловых плотин
с уположенными волногасящими откосами.
Однородные (безъядерные) намывные плотины. При использовании
для намыва однородных песчаных грунтов со степенью неоднородности
Л = —т2-<3, содержащих мелких фракций d<0,05 лии не более 10% или
“10
супесей, образуется однородная земляная плотина (без
ядра).. . ..
При намыве таких плотин раскладка фракций по их крупности
практически не получается, поэтому однородные плотины намывают
преимущественно так называемым мозаичным способом, без образо-
вания прудка-отстойника, или торцовым намывом. При мозаичном
намыве пульпа выпускается из ряда отверстий пульповодов, распреде-
ленных более или менее равномерно на карте намыва. Мелкие частицы
145
грунта уносятся с водой,, стекающей между конусами намыва к отво-
дящим колодцам.
Однородные намывные плотины получили свое развитие впервые
в СССР. К ним относится Куйбышевская плотина. Максимальная высо-
та ее русловой части 45 м, общий объем 33,52 млн. м3. Плотина намыта
из мелкозернистых песков (средний диаметр частиц d = 0,22 мм) с коэф-
фициентом неоднородности равным 2.
Намыв вели торцовым способом без эстакад, по пульповодам, уло-
женным параллельно оси плотины.
Следует отметить, что при намывке грунт с повышенной влаж-
ностью обладает большей подвижностью и лучшей способностью м-
уплотнению благодаря перемещению частиц грунта. Поэтому оДнорбд-
ные намывные плотины, а также плотины с ядром после окончания еТО-
твердения й уплотнения обладают высокой степенью плотности вайы-
того грунта (1,61—1,64 т/л3 и более).
Опыт возведения Цимлянской, Куйбышевской и других плб$йн по-
казал, что намыв грунта можно вести и зимой, но для получения хоро-
шего качества намыва при отрицательной .температуре необходимо обе-
спечить высокую интенсивность и непрерывность в производстве работ.
Преимущества и недостатки намывных плотин. Преимущества на-
мывных плотин по сравнению с насыпными заключаются'!? следующем:
1) большая устойчивость вследствие свойственного им- размещения
и уплотнения намываемого грунта;
2) меньшая Потребность в рабочей силе;”’
3) высокие темпы укладки грунта (до 300 тыс. м3 в сутки);
4) возможность намы^р грунта в дождливое время и в морозный
период; .
5) возможность .возведения без откачки воды йф котлована путем
намыва в воду; ~ . -
6) простота механизмов, нет'потребности в тяжелых землеройных,
снарядах и транспорте для перевозки >рун-тй;
146
7) меньшая стоимость, особенно При больших объёмах работ и са-
мотечной подаче пульпы.
К недостаткам намывных плотин относятся:
1) большая потребность в энергии при подаче пульпы по напорным
трубопроводам;
2) значительная потребность в металле (трубы, насосы и т. д.);
3) не всегда может оказаться на месте строительства достаточно
благоприятный грунт и необходимое количество воды для применения
гидромеханизации.
Глава IX
РАСЧЕТЫ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН НА ФИЛЬТРАЦИЮ
i И УСТОЙЧИВОСТЬ
§ 1. ФИЛЬТРАЦИЯ ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
НА НЕПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ
Общие замечания. Под влиянием напора Н, создаваемого плоти-
ной, происходит фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний, через
тело плотины и основание, если оно проницаемо. При безнапорном дви-
жении фильтрационный поток ограничивается сверху свободной поверх-
ностью, во всех течках которой давление постоянно — равно атмосфер-
ному. Свободная поверхность грунтового потока называется депрес-
;с и он ной поверхностью, а линия .пересечения этой поверхности
С вертикальной плоскостью —депрессионной кривой или
кри'во*й депрессии (рис. 104,а, кривая АС).
Ниже депрессионной поверхности грунт насыщается водой и ока-
зывается взвешенным в воде, что снижает устойчивость плотины. Выше
депрессионной поверхности нахо-
дится зона капиллярного подня-
тия воды — В. Высота капилляр-
ного поднятия над депрессионной
кривой АС зависит от крупности
частиц грунта, в песчаных грун-
тах она составляет 0,1—0,4 м, в
суглинках и глинистых грунтах
достигает 0,5—1,5 м и более, а
для гравия е диаметромзерецбо-
леё 2,5 дд рна равна нулю.
"ЛВыдае- капиллярной зоны
rpyaF , обладает - естественной
влажЖтстью. зависящей от клима-
тических условий йестности. При
колебании уровней воды в верх-
нем и нижнее бьефах соответст-
венно изменяется положение де-
прессионйрй поверхности и капил-
лярной ЗОНЫ.
Положение денрёсе-яонной
кривой у низового откоса зависит,
от уровня воды в нижнем бьефе, а при отсутствии воды -— от положения
уровня грунтовых вод. Кроме того, депрессионную кривую можно зна-
чительно понизить при помощи дренажных устройств.
При наличии воды в нижнем бьефе депрессионная кривая АС выхо-
дит на низовом откосе несколько выше уровня воды в нижнем бьефе
(рис. 104,а). При проницаемом основании и отсутствии воды в нижнем
бьефе кривая депрессии может пересечь подошву плотины внутри про-
филя и соединяться с уровнем грунтовых вод: (рис. Ю4,б).
Рис. 104. Схема филтьрации и насыщения
плотины водой прн наличии (а) и отсут-
ствии (б) воды в нижнем бьефе; В — ка-
пиллярная зона.
147
Фильтрация воды через земляные плотины играет весьма важную
роль. Статистика показывает, что более половины всех аварий земляных
плотин произошло вследствие фильтрации воды. Поэтому при проекти-
ровании и конструировании земляных плотин необходимо выполнить
фильтрационный расчет, в процессе которого установить положение
кривой депрессии в теле плотины; определить градиенты фильтрацион-
ного потока и величину фильтрационных скоростей;' определить филь-
трационный расход через тело плотины и ее основание.
В настоящее время имеется мнОго предложений по методам расчета
фильтрации через земляные плотины. При этом параллельно развива-
лись гидромеханические и гидравлические методы расчета плотин как
на водонепроницаемых, так и на водопроницаемых основаниях.
Рис. 105. Расчетные схемы фильтрации через однородную
плотину.
В СССР основоположником гидравлических методов расчета
фильтрации в земляных плотинах является акад. Н. Н. Павловский
(1931 г.). Кроме акад. Н. Н. Павловского, вопросами фильтрации через
земляные плотины занимались Е. А. Замарин, А. А. Угинчус, К. X. Ми-
хайлов, Я. Т. Ненько, П. А. Шанкин и многие другие. . ,. .
Фильтрация через однородную земляную плотину на непроницае-
мом основании.по теории акад. Н. Н. Павловского. 1. Расчетная
схема и обозначения.
При гидравлическом рассмотрении фильтрации в однородной зем-
ляной плотине на непроницаемом основании акад. Н. Н. Павловский
разбивает фильтрационный поток на три характерные части: верхо-
вой клин, среднюю часть и низовой клин (рис. 105, а).
Верховой клин ограничен верховым откосом плотины и раз-
дельным сечением 7—1, которое проходит через верховую бровку греб-
ня плотины; средняя часть — от раздельного-сечения 1—1 до раз-
дельного сечения 2—2, проходящего черрз точку С выхода кривой депрес-
сии на низовом.откосе плотины; низовой клин ограничен низовым
откосом и раздельным сечением 2—2. При этом все три части составля-
ют одно гидравлическое цааое, так как каждая пропускает один и тот
же удельный фильтрационный расход q.
В расчетной схеме (рис. 105, а) приняты следующие обозначения:
Ь— ширина гребня плотины;
d—превышение гребия плотины над уровнем верх-
него бьефа;
148
Нп — высота земляйой плотины;
> • Н — расчетная глубина воды в верхнем бьефе;
а и ах — углы наклона верхового и низового откосов
плотины;
m=ctga и fflj^ctga!—коэффициенты верхового и низового откосов
плотины;
а — потеря напора в пределах верхового клина;
h — глубина фильтрационного потока в начале
средней части;
hY — глубина фильтрационного потока в конце
средней части;
S — длина средней части профиля плотины;
а0 — превышение точки С, в которой кривая депрес-
сии выклинивается на низовом откосе, над
уровнем нижцего бьефа;
/г0 — глубина воды в нижнем бьефе;
х, у — координаты;
А, В, С — основные точки депрессионной кривой;
- . К — коэффициент фильтрации грунта тела плотины;
v — средняя скорость фильтрации в некотором се-
чении.
При движении фильтрационного потока в пределах верхового клина
возникают гидравлические сопротивления, на преодоление которых тра-
тится некоторая часть напора. Поэтому кривая депрессии в пределах
верхового клина понижается от начальной’точки'Л (рис. 105,а) с на-
пором равным Н до точки В, лежащей в раздельном сечении 1—1, гфе
глубина фильтрационного потока составляет h.
Обозначая потерю напора в верховом клине через а, получим:
a = H — h.
В средней части (от раздельного сечения 1—1 до сечения 2—2) при
горизонтальном водоупоре возникает неравномерное медленно изменяю-
щееся движение фильтрационного потока и депрессионная кривая в
средней части плотины представляет кривую спада. При этом глу-
бина фильтрационного потока постепенно уменьшается от величины h
в начале средней части до h\ в раздельном сечении 2—2.
В низовом клине при наличии воды в нижнем бьефе (йо>О) филь-
трационный поток имеет две зоны (рис. 105, б):'верхняя зона — от точ-
ки С до уровня воды в нижнем бьефе, где фильтрация происходит в ат-
мосферу^ расходом и нижняя зона — от уровня нижнего бьефа до
подошвы плотины, где фильтрация происходит под уровень с расходом
-q$. При этом удельный фильтрационный расход через тело плотины:
Я = <71 + Яг- (126)
При движении фильтрационный поток преодолевает гидравличе-
ские сопротивления, для чего он должен обладать некоторым избытком
энергии по сравнению с величиной ее в выходном сечении. Поэтому и
предполагается, что выходная точка С депрессионной кривой располо-
жена выше уровня воды в нижнем бьефе на некоторую величину а0,
тогда: __~
hx = a0A-h0. (127)
В том случае, когда воды в нижнем б^ефе нет 4^о=0), все указания
относительно верхового клина и средней части плотины остаются без
изменений, но в низовом клине положение точки С определяется лишь
величиной По, необходимой для преодоления гидравлических сопротив-
лений при фильтрации в предела^ низового клина (рис. 105,в), при
этом вместо уравнения (127) будет:
Ai = a0.
149
Выводы 'основных фильтрационных уравнений
для с л уча я„Ло>0.
' 1. Уравнение для верхового клина. Линия верхового откоса :
является линией равных напоров, так как в любой точке, лежа-у
щей на этой линии, напоры будут равны Н. Например, в точке М Д
(рис. 106,а), ордината которой над горизонтальной плоскостью сравне- J
ния равна у и давление в которой равно Р, будем иметь:
г/Ч- — = Н — const. V (128)
у . . •
Поэтому, в силу известных свойств гидродинамических сеток фильтра-
ционные струйки при входе их в пределы верхового клина должны быть
нормальны к верховому откосу.
При составлении фильтрационного уравнения для верхового клина!/
акад. Н. Н. Павловский криволинейные струйки типа abc (рис'. 106, б).’/
заменяет прямолинейными и горизонтальными типа dbc, то есть удлиня-
ет струйки и тем самым как бы уменьшает пропускную способность вер-
хового клина. Это обусловливается тем, что более глубокие струйки
(например, струйка ef) близко подходят к непроницаемому Основанию >
и в определенной части верхового откоса (заштрихованная на рйс. 106, б '
зона D) происходит весьма медленная фильтрация и тех саХЫМ умень-
шается пропускная способность верхового клина. Кроме'тогб, криволи-
нейные фильтрационные струйки встречают, большее сопротивление на
единицу длины, пересекая уплотненные горизонтальные слои тела зем-
ляной плотины. Поэтому при выводе, фильтрационного уравнения для
верхового клина акад. Н. Н. Павловский нашел возможным криволиней-
ные струйки заменить расчетными прямолинейными и -горизонталь-
ными струйками. Тогда расчетная схема фильтрации для верхового кли-
на примет вид, показанный на рисунке 106, а. Длина расчетной струйки
будет: 1 , : • •
I = (d + z)ctga — (d-Y'Zjm. . т (129)
Так как в пределах верхового клина потеря напора составляет вфшчи-
ну а, то гидравлический градиент рассматриваемой струйки- г
J == —-, - - (130)
и скорость фильтрацйи v=KJ= -. (131)
150
Имея в виду, что поперечное сечение элементарной струйки равно d& —
= dz, можем определить элементарный расход dq этой струйки:
^ = ^2=—^—dz. (132)
, mld-t-z)
Интегрируя это уравнение в пределах от z=a до z=a + h, получим пол-
ный фильтрационный расход q через тело плотины на единицу ее длины:
d-}-h Q-f-h
, 7= — f—dz= — [ln(d + z)]«+\=
Jm\d-\-z) \m J d-\- z • m
a a
= *1 In d + a-+j ' . (133)
> tn d-\- a .
Из рисунка 105, а видно, что
d -f- <2-4- h — Hn, ~~~
d-!ra = Hn- h. 1
Подставляя эти значения в уравнение (133), имеем:
\ ' <7 = —1п-^-, (134)
т Нп — h
заменяя значение d==Hn—d—h,. получим окончательно> фильтрационное
уравнение для верхового-клина: . * .
х "szlIxI 1п Д • (135)
К . т _ Hn~h: 1
2. Уравнение для средней части. В средней части плотины воз-
никает неравномерное, медленно изменяющееся движение грунтового
потока при горизонтальном водоупоре. В каждом произвольно взятом
сечении средняя скорость и = const, но в разных сечениях разная, так как
уклон переменный (рис. 106, в).
dx
В каком-либо сечении А—А скорость фильтрации равна о; для не-
равномерного, медленно изменяющегося движения она определится по
формуле Дюпюи:
v а = . (136)
, Из условия постоянства расхода в л1рбом сечении, рассматривая
движение установившимся, удельный-расход будет:
- ,.f .q^va — vy-1; (137)
Подставляя значение ц Пз-уравнения (.136), имеем:
1 '• dx
Приведем к ваду, удобному для интегрирования:
~dx~—ydy,
.Интегрируя, имеем:
’' Vx==~ + c ! <138>
А. 2
Произвольней постоянная С определится из условия, что при х=0
. ордината y~h, так что из уравнения^ 138) имеем:
О = —— hs С, или С — -i- ft2.
... ’ . 2 5 2 -
• 151
При этом значении С уравнение (138) примет вид:
— х =——У2 + — h2, или 2-^~ x = h2~y2,
К 2*2 К
или
у2 г h2—2 — x.
К
(139)
(140)
Это и есть уравнение кривой депрессии для средней части. По этому
уравнению можно построить кривую депрессии, для чего, задаваясь
различными значениями х, лежащими в пределах от х=0 и x=S, можно
Рис. 107. Расчетные схемы фильтрации через низовой
. клин.
определить соответствующие значения у. При x=S уравнение (139),
когда y=^hl = ao+ho, примет вид:
2-3-x^h2-(a0 + h0)2, (141)
л
и окончательное фильтрационное уравнение для средней части:
JL = — (а° ~Г /1 491
К 2S - *
3. Уравнение для низового клина. Здесь может быть
два случая: 1) воды в нижнем бьефе нет, то есть Ло=О; 2) Ло>О.
Случай йо=0. Возьмем, как и для верхового клина, элементарную
горизонтальную расчетную струйку толщиной' dz. Длина этой струйки
t = zctgai =г/иь где г — заглубление струйки под точкой выхода С кривой
депрессий на.низовой откос плотины (рис. 107, а).
Потеря напора в данной струйке hB =z.
Гидравлический уклон для той же струйки
j=_L=_±_ = J_.
/ I zmi т±
Соответствующая скорость фильтрации
Элементарный удельный расход для струйки
dq — vd <в = udz = %- dz,
mi
152
откуда полный фильтрационный расход
J mi mi ,! mi
о 0
то есть
mi
(ИЗ)
Случай йо>О. Для этого случая, как указывалось выше, фильтра-
ционный поток имеет две зоны.
Расход qi через верхнюю зону выразится тем же уравнением, что и
для случая Ло=О, то есть
Рассмотрим фильтрацию в нижней зоне (рис. 107,6). Длина расчет-
ной элементарной струйки
I = 2ctgax = гт.1.
Потеря напора
/гв = а0 = const.
Гидравлический уклон
j __ _ Др
I гт.1
Скорость фильтрации
V = к J = .
zmi
Элементарный удельный расход для струйки нижней зоны
dq2 = vdz = -—°- dz.
zmi
Расход через нижнюю зону
q2= ( 2^dz=-^ f — dz,
J zmi mi J г
a0 a0
ИЛИ
g2 = ^llnz| (144)
v,. wi I I mi a0
°0
Нудный фильтрационный р^ход через низовой клин получим, сум-
мируя удельные расходы через верхнюю и нижнюю зоны:
Као , f(an , а0 + hn
<? = 7i + <?2=— Ч--
Шх а0
или
9==^Г1Ч_1п2!1+^'|. (145)
«11 «о J
Это и есть фильтрационное уравнение для низового клина, которое на-
пишем в таком виде:
Х = _^Г1 + 1ПМ1/М. (146)
Л ли [_ а0 J
4. Систем афильтрационных уравнений. В трех филь-
трационных уравнениях (135), (142), (146), полученных для трех частей
плотины, есть четыре неизвестные величины: ао, h, S и q.
153
Следовательно, для решения недостает одного уравнения. Четвертое
уравнение для S получается из геометрических условий (рис. 105,а);
>5 = b + /пг[/7п — (а0 4~ Ло)]. (147)
Итак, имеем следующую систему фильтрационных уравнений для
однородной земляной плотины на горизонтальном водонепроницаемом
основании *:
при h0 > 0
j _ Я ___ Нп d h 2 31g •
К ~ т ’ ё Hn — h’
Ц _ Я ___ № (др + ^,)2 .
К ~ 2S
III- /1 + 2,31g ;
К тД 1 ’ & а0 I’
IV-S = b + m1[Hn-(a0 + h0)];
при йо = 0
J__ Я __ Нп d. h 2 3 1g Нп •
К m ’ ёНп~ h ’
К 2S
JI] _ i — a° .
(148)
(149)
5. Решение фильтрационных уравнений производится
методом исключения неизвестных, для этого преобразуем четыре урав-
нения так, чтобы осталось одно уравнение с одним неизвестным (а0).
В уравнении III обозначим: 1+2,31g а~—— =А, тогда уравнение III
примет вид:
— = -^-4. (150)
К tni (X
Подставляя полученное значение — в левую часть уравнения II, по-
К
лучаем:
Др д = ~ («о + ho)2
tn-i 2S ’
или
= h2~ (а0 + ftp)2,
mi
Откуда, решая относительно h, имеем:
h = 1/+ (а. + ftp)2 . v (152)
Т mi
Заменим 3 значением из уравнения (148) и получим:
h — 1 [ 2flp41----h Нп — (flp+ ftp) j 4- (ao4~ ^o)2 (1^3)
V L mi I
Обозначая правую часть уравнения через D, имеем: h=D.
* После замены натуральных логарифмов десятичными.
154
Подставляя в уравнение I вместо h величину D, имеем:
Я _ П d — D 2 21g
К ~ т ’ ё H„ — D’
обозначая 2,3 1g ——— = Е,
5 ffn-D
имеем:
д _ (Hn — d — D)E
К т
(154)
(155)
Подставляя в уравнение (155) значение — из ^150), получим:
К
во д = (Яп ——Д)£
mi пг ’
ИЛИ
—а0А = (Н„ -d-D)E,
т.1
(156)
уравнение (156) содержит только одну неизвестную величину — «о, так
как A, D и Е — функции от ай. Все остальные неизвестные S, h и q ис-
ключены при совместном решении системы фильтрационных уравнений.
Уравнение (156) можно решить подбором и для сокращения вычисли-
тельной работы применить графическое решение.
Для этого обозначим:
левую часть F\ (я0) = — а0А,
правую часть F2(ag) — (Нп—d—D)E.
Задавшись произвольными значениями ай не менее трех раз и по-
лучив результаты вычислений, строят график этих функций и точкой пе-
ресечения кривых определяют искомую величину я0 (рис. 107,в). Опре-
делив а0, легко найти остальные неизвестные.
Из уравнения IV системы (148) определится S:
5 = b + т1 [Нп — (а0 4- й0)|.
Глубину фильтрационного потока h находят по уравнению (152),
Л=1/ —+ (ао+^о)2, и по (150) находят —.
У, - . к
-2- — —А, откуда-фильтрационный расход я=-^- А. Кривую деп-
К i mi mi
рессии в средней части плотины строят по уравнению (140):
у* = /г2 — 2 — х; '|
К ’ J
задаваясь значениями абсциссы х, получают ординату у.
При выводе фильтрационных., уравнений акад. Н. Н. Павловский
рассматривал трапецеидальный профиль плотины с откосами постоян-
ного заложения. В случае проектирования плотины с ломаными откоса-
ми проф. Е. А. Замарин предлагает в уравнения вводить значения т{,
соответствующие зоне выклинивания фильтрационных вод, и значе-
ния т, соответствующие верхней зоне фильтрации в верховом клийе.
Фильтрация в однородной земляной плотине с дренажем. Случай
йо = О. При этом в фильтрационном смысле низовой клин отсутствует, и,
таким образом, фильтрационный поток имеет две части — верховой клин
и среднюю часть (рис. 108,а). Фильтрационное уравнение для верхового
155
клина останется без изменений (135); для второй средней части оно при-
мет вид:
так как 7i]=ao=O; S=Sd— где величина Sd считается известной.
Таким образом, для однородной плотины с дренажем система филь-
трационных уравнений будет состоять из двух уравнений с неизвестны-
ми h я q:
2,31g(158)
К т H„ — h
К 2Sd
Рис. 108. Расчетные схемы фильтрации' через плотины
с дренажем.
Приравнивая правые части этих уравнений, мы получим одно урав-
нение с одним неизвестным h: .
—= Hn-d-h 2 3 } Н„_ * 159)
2Sd т Hn — h v
Из этого уравнения определим:
h = l/"2^ (Яп- d - h) 2,3 lg—. (160)
У m - Hn — h
Обозначая подкоренное выражение через F, получим h=y F. _____
Проще найти величину h графически путем построения кривой У F,
задаваясь различными значениями /г (рис. 108, б). Пересечение этой кри-
вой с прямой, проведенной из начала координат под углом 45”, дает ис-
комую величину А. Затем по уравнению (157) определяется фильтраци-
онный расход:
Kh*
Я 25ц '
156
Промежуточные точки кривой депрессии в пределах средней части
строят по известному уравнению кривой депрессии (140).
Случай йо>О. При наличии воды в нижнем бьефе (рис. 108,в)
имеем также две части кривой и два уравнения фильтрации. Пренебре-
гая гидравлическим сопротивлением дренажа, считаем hd^=h^.
Я ___ Нп 4 h g g Ну .
К ~ т ' ё Hn — h ’
д _
К 2Sd
(162)
В дальнейшем эта система уравнений решается так же, как и
для /го=0. ' ,
Фильтрация через земляную плотину с ядро?^< Для уменьшения
расхода и скорости фильтрационного потока, а также для понижения
Рис. 109. Расчетная схема фильтрации через плотину с ядром.
кривой депрессии в средней части профиля в земляных плотинах часто
устраивают ядро из маловодопроницаемых грунтов. Коэффициент филь-
трации ядра обычно бывает во много раз меньше коэффициента филь-
трации грунта тела плотины. Поэтому даже при небольшой толщине яд-
ра потери напора в нем достигают значительной величины, и, следова-
тельно, кривая депрессии в пределах ядра понижается резко (рис. 109).
Обычно ядро устраивают .трапецеидального профиля с зубом, который
заглубляют в водонепроницаемое основание.
Для упрощейия расчета трапецеидальиое ядро рассматривают как
t 4- Т
ппямошольное со средней толщиной: /ср= —-— .
Обозначим глубину фильтрационного потока перед ядром h'z, глуби-
ну за ядром hz, потерю напора при фильтрации через ядро ас и коэффи-
циент фильтрации материалов ядра Кя (рис. 109). Фильтрационный по-
ток через ядро акад. Н. Н. Павловский разбивает на две зоны. Пер-
вая зона охватывает верхнюю часть ядра, высота этой зоны равна ас.
Вторая зона расположена в нижней части ядра, высота этой зоны равна
йс. Полный фильтрационный расход q через ядро определится как сум-
ма расходов через обе зоны:
<7 = <71 + 92-
Значения 91 й .9г определяют следующим образом. Если взять эле-
ментарную горизонтальную струйку для первой зоны., длина которой
Zcp и толщина dz, то гидравлический градиент этой струйки /]= —— ;
*ср
скорость фильтрации о = КЯД= —2-1.
<ср
157
Элементарный удельный расход
dq^vdz^ dzv (163)
4р
Фильтрационный расход всей первой зоны
ас ас 1Z 2
qi = f -^dz± = f z^ = . (164)
J rcp *cp J -^cp
0 0 и
Гидравлический градиент для элементарной струйки во второй зоне /2 =
= скорость фильтрации v = K7.J2= - ”ac .
^ср ^ср
Элементарный удельный расход
dq2 = vdz2 = Кя-С dz2. (165)
4р
Расход всей второй зоны
ас+йс
?2 = С ^±-dz2 = /fggc^. (166)
J 4р 4р
ас
Полный расход через ядро
Ч = 9, + (О’ + 2ас Лс) = . (167)
Zlcp ^*ср
Система фильтрационных уравнений для плотины с ядром
акад. Н. Н. Павловским представляется в следующем виде:
= 2,3 1g —п- •
т Нп—h
h2 — h^
2Г ’
% .
2/ср
. Ас~(%+М2.
2/
= -М1 + 2,31g ;
tn \ а0 j
I-2L
К
II- -3-
К
ш-4
IV-
к
v~f
(168)
VI - $ — b 4- \Нп — (во + Йо)].
Систему этих уравнений решают аналогично системе (148) в конеч-
ном счете подбором «о-
Вместо громоздкого решения системы уравнений (168) Н. Н. Пав-
ловский предложил более простой способ расчета плотины с ядром, на-
званный виртуальным. Он заключается в том, что земляная плотина с
ядром заменяется соответствующей эквивалентной однородной пло-
тиной.
Для уяснения этого способа рассмотрим два грунтовых потока, про-
ходящих в однородном грунте с одинаковым удельным расходом, с раз-
личными коэффициентами фильтрации Ki и К2 (рис. 110, а, б) и при
одинаковом падении кривой депрессии, равном h\—h2.
Уравнение кривой депрессии для первого потока /
h2„ = h2, — 2 — или 2 —/. = Л?-/15. (169)
2 1 I ’ 112 х 7
158
Соответственно, уравнение кривой депрессии для второго потока
= ' (170)
Л2
Приравнивая левые части уравнений (169) и (170) и сокращая на
2 q, получим:
Т __ 4
K1 ~ K2 ’
(171)
то есть при одинаковых расходах и
длины участков рассматриваемых
эффициентам фильтрации.
Следовательно, первую
фильтрационную схему с коэф-
фициентом фильтрации Ку мо-
жно заменить эквивалентной
(в отношении потерь напора)
второй фильтрационной схе-
мой с коэффициентом Кг с тем
условием, чтобы длина участка
потока во второй схеме удов-
летворяла условию (171):
— = —, отсюда длина второ-
Л1 К
го эквивалентного участка бу-
дет:
= о/ь (172)
при одинаковых граничных глубинах
потоков прямопропорциональны ко-
Рис. ПО. Расчетные схемы фильтрации
через ядровую плотину.
Ki '
На основе этого плотину с ядром (рис. 109) можно заменить экви-
валентной однородной плотиной (рис. ПО, в). Если коэффициент
фильтрации ядра Кя, тела плотины К и — = о, то приведенная (вир-
А*я
туальная) ширина ядра будет tv = сг/ср. Тогда приведенная ширина
гребня
bv = 2С + К или b0 = b 4- Zcp(o- 1), (173)
Sv = bv + m1 (НП — а0 — Ло), (174)
h = 2 — ASV + (а0 + А0)2, (175)
а фильтрационный расход
-7- = —Л; <?сек = — КАсмКсек-, (176)
К - mr mi
qcyT = 8640дсек лКутка на 1 пог. м.
Далее по уравнению (140) строят кривую депрессии. Причем, если
оси координат расположены так,-как указано на рисунке ПО, в, то орди-
нату точки Е кривой депрессии получим при х=с, а принимая значе-
ние х, равное C+tv , получим ординату точки D — точки выхода кривой
депрессии из ядра. При построении ветви DC кривой депрессии, распо-
ложенной правее сечения 2—2, величиной х нужно задаваться в преде-
лах (C + Q < х < Sv.
Очевидно, при x = Sv получим ординату точки С — выхода кривой
депрессии на низовом откосе. Далее, для получения действительного по-
ложения кривой депрессии в плотине с ядром (рис. 109) сдвигаем верхо-
вую и низовую части плотины так, чтобы расстояние между сечениями
159
1—1 и 2—2 (рис. 110,в) сделалось равным tcp (рис. 109). Как видно, вет-
ви АЕ и DC построенной кривой депрессии остаются неизменными.
Предложение проф. Е. А. Замарина по расчету фильтрации через
земляные плотины. В связи с замедленной фильтрацией в нижней части
верхового клина земляной плотины на непроницаемом основании
(рис. 106,6) проф. Е. А. Замарин предлагает отбросить эту часть и рас-
сматривать фильтрацию в условной трапеции с вертикальным верховым
откосом от раздельного сечения ОУ (рис. 111, а).
Рис. 111. Расчетные
схемы фильтрации:
а—через однородную пло-
тину; б — через дрениро-
ванную плотину без под-
топления; в — дренаж с
подтоплением.
Для расчета фильтрации через однородные плотины он получил сле-
дующие уравнения, решаемые без подбора:
А1-Ао = —-1/^у-(Я-А0)2; ' (177)
где hr — ордината точки выхода кривой депрессии на низовой откос;
L — расстояние от раздельного сечения_ ОУ до подошвы низового
откоса;
— расстояние от начала координат до выхода кривой депрессии
на низовой откос. . _ _ -
Раздельное сечение ОУ располагается на расстоянии ътН* от вер-
хового откоса (по уровню воды верхнего бьефа), где в—опытный коэф-
фициент, принимаемый, по данным Е. А. Замарина, равным 0,3 -ч- 0,4;
меньшее значение в принимается при более крутых откосах.
Кривая депрессии строится по уравнению (178):
0“ т______Л —Л?-
— =-------— , или у2 = Я2---------— х. (179)
К 2х Li
* Г. К. Михайлов (121] предлагает раздельное сечение проводить на расстоянии кН,
160
Если в нижнем бьефе нет воды, уравнение (177) принимает вид:
/гх = — - 1 /——№ . (180)
«1 V т\
При расчете фильтрации в однородной плотине с дренажем, когда
в нижнем бьефе нет воды (Л0 = О) (рис. 111,6), фильтрационный расход
определяют по уравнению
-Х=^ = Л1; (181)
и кривую депрессии строят по уравнению
у2 = х = 2h±x. (182)
Начало координат (точку О) располагают на подошве плотины на
расстоянии захода линии депрессии за начало дренажа, равного е =
= 0’5 Л] = (0,05—0,06) Н от начала дренажа.
При наличии воды в нижнем бьефе (Ло>0) ось ОХ располагают на
уровне воды нижнего бьефа (рис. 111, в). Величина захода е=(0,05—
0,06) Н.
Уг=^~^Х. . (184)
Фильтрация в плотинах с экраном. В соответствии с увеличением
глубины воды в верхнем бьефе экраны обычно устраивают с постепен-
ным утолщением к нижней части откоса плотины, но для упрощения
фильтрационного расчета толщину экрана принимают средней, опреде-
ляемой из соотношения:
^ = *4^ (185)
2
где ij—толщина экрана на уровне воды в верхнем бьефе, считая по
нормали к откосу;
t2— толщина экрана у подошвы плотины.
В связи с тем, что защитный слой экрана выполняют из проницае-
мого материала, точку А можно принимать на уровне верхнего бьефа
(рис.112, а).
Акад. Н. Н. Павловский рассматривает движение фильтрационной
воды через экран в двух зонах: через верхнюю часть экрана (выше кри-
вой депрессии) и через нижнюю часть экрана (ниже кривой депрессии).
Для определения полного фильтрационного расхода через экран он по-
лучил уравнение:
где Zo=/cp cos а ; -
Н — глубина’ воды перед плотиной;
h3 —глубина фильтрационного потока в теле плотины непосредст-
венно за напорным экраном;
а— угол наклона экрана к основанию плотины.
За экраном движение фильтрационной воды происходит так же, как
и в однородной плотине с напором, равным h3 (вместо Н), следователь-
но для определения фильтрационного расхода и построения кривой деп-
ресси можно использовать уравнения общего случая.
161
11—1650
1-й случай — расчет плотины с экраном без дренажа,, при нали-
чии воды в нижнем бьефе (й0>0) (рис. 112,а). Фильтрационный расчет
ведут по уравнениям: -
q (187)
к 2tcpnsina
q hl-h2, hl-y2 _ . (188)
К 2Li 2x ’
Ai - Ло = — - 1/~ -(Лз-Ао)2 , (189)
. mi V т\
где Li = L — myhi; '
tcp — средняя толщина экрана;
п = -----отношение коэффициента фильтрации тёла плотины к
Аэ
коэффициенту фильтрации экрана. «
Рис. 112. Фильтрация через экранные плотины:
а — без 'дренажа; б — с'дренажем; в — расчет фильтрации виртуальным спо-
- собом.
Эти уравнения проще решать подбором, задаваясь, например, вели-
чиной h3 и добиваясь равенства величины в уравнениях (187*) и
(188). . - . •
Начало координат будет в точке О, от которой настроят кривую де-
прессии по уравнению.: \
i о — Лг
У = ? .1 х (190)
м
162.
2-й случай — расчет земляной плотины с экраном и дренажем *
при отсутствии воды-в нижнем бьефе (йо=О) (рис. 112, б).
Здесь фильтрационный расчет ведут по следующим уравнениям:
! 9 __ w2 /,2 НОВ
«
К 2?cpnsina
Ч _ % . (192)
К 2L ’
~х-, (193)
п = — ; заход (0,05 — 0,06) Н.
Кэ
Эти уравнения решают подбором. Задаваясь величиной h3, добива-
ются одинаковых значений — в уравнениях (191) и (192). Для этого
К
же случая при наличии воды в нижнем бьефе (Л0>0) уравнение (191)
остается без изменений, а уравнения (192) и (193) примут вид: .
ffi — h2
= (194)
К 2L ’
/ . (195)
Начало координат располагают на уровне нижнего бьефа
(рис. 111, в).
Земляные плотины с экраном можно рассчитывать так же, как и
ядровые, по виртуальному способу с заменой толщины экрана /ср вер-
туальной величиной tv = tсро, где ст == ~ ; К — коэффициент филь-
Уэ
трации тела плотины, а Кэ — коэффициент фильтрации экрана
(рис. 112, в). ’ '
Расчетный приведенный профиль 1—2—3—4 в фильтрационном от-
ношении равнозначен плотине с экраном. Все расчеты выполняют как
1 для однородной плотины По формулам (177), (178) и (179).
| § 2. ФИЛЬТРАЦИЯ ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
)^ЙАПРОНИЦАЕМОМ ОСНОВАНИИ
1 ' При рассмотрении фильтрации через земляные плотины на прони-
цаемом .основании конечной глубины акад. Н. Н. Павловский предло-
( жил упрощенный, но вполне приемлемый для практики способ опреде-
ления удельного фильтрационного, расхода qo6 как сумму удельных
• расходов —через тело плотины и qoc —через основание. Удельный
расход q определяют по формулам (149) или (178), считая основание
. непроницаемым. Фильтрационный расход через основание qQt. находят
по следующим зависимостям, считая тело плотины непроницаемым
(рис. 113, п):
9ос — v ~ KoJ-l J= —г ^ос = Ко т~ , (196)
__ nL nL г. v '
где* Т-— глубина водопроницаемого'сГснования;
' /7 — напор перед плотиной;
L — длина плотины по основанию;
п — поправочный коэффициент к длине пути фильтрации, которую
принимают равной L, в действительностидлина средней струй-
ки ввиду ее криволинейности больше L. Величину п определя-
ют в зависимости от отношения — по таблице 20.
Таблица 20
L Т 20 5 4 з. 2 1
п 1,15 1,18 1,23 1,30 1,44 1,87
Общий фильтрационный расход через тело плотины и основание
9об = 9 + 9ос- ' (197)
В том случае, когда коэффициенты фильтрации плотины и основа-
ния одинаковы, для определения фильтрационного расхода можно ис-
пользовать график, составленный А. П. Вощининым [43] (рис. 113). По
Рис. 113. Схемы и график к расчету плотины на водопроницае-
мых основаниях конечной глубины.
графику, зная Н, Т, Lx, находят величину приведенного фильтрационно-
го расхода <?пр, а по нему — действительный расход:
<7об= 1,05<7прД77, ... (198)
где К — коэффициент фильтрации грунта;
Н— напор перед плотиной. - ~ '
При пользовании графиком величину надо считать по горизонта-
ли от уреза воды в верхнем бьефе и до начала дренажа. Для земляных
плотин без дренажа за длину Ьл принимают расстояние от уреза воды
верхнего бьефа до пересечения низового откоса 6 подошвой плотины.
При проницаемом основании большой мощности устраивают водо-
непроницаемый понур. Для расчета фильтрации проф. Е. А. Замарип
предложил приближенный прием расчета, заключающийся в следующем.
164
Фильтрационный расход q в пределах понура и части плотины на дли-
не mh (рис. 114) вычисляют по формуле:
? = = КоЛо = K0 T^~h}- , (199)
n(Ln + mh)
где Ko—коэффициент фильтрации грунта основания;
п—поправочный коэффициент, берется по таблице 20, с заменой
„ L Ln /тгЛ L
в ней отношения — на отношение ----------.
Т Т
Для остальной части потока в пределах плотины тот же расход
будет:
q = (ft + КйТ , (200.)
где К — коэффициент фильтрации грунта плотины.
Рис. 114. Фильтрация через плотины с экраном и понуром:
а — без дренажа; б —с дренажем.
Для установившегося движения правые части уравнений (199) и
(200) можно приравнять, и тогда получим расчетное уравнение:
-• ? _ T(H-h) h-hp/h + ho К 20п
К n.(Ln-i-mh)- L \ 2 Ki I (
По этому уравнению подбором определяют глубину фильтрацион-
ного потока h за экраном. Дальнейший расчет сводится к расчету одно-
родной плотины с напором, равным h.
Для дренированных плотин при /г0>0 (рис. 114, б) уравнение (201)
сохраняется.
Для построения кривой депрессии можно воспользоваться уравне-
нием:
„2 _ г
_ Л.
(202)
Li
В СНиП П-И.4-62 приведено большое количество различных схем
земляных плотин и соответствующие им расчетные зависимости, кото-
рыми и рекомендуется пользоваться при проектировании.
165
§ 3. ФИЛЬТРАЦИЯ В БЕРЕГАХ В ОБХОД ПЛОТИНЫ
v При проектировании земляных плотин, кроме фильтрации через те-
ло и основание плотины, необходимо учитывать фильтрацию в обход
плотины.
Натурные исследования [225] показывают, что в некоторых случаях
происходит насыщение плеч плотины с заметным повышением депрес-
сионной поверхности. Фильтрационный поток, направляясь к нижнему
бьефу, может выклиниваться на склонах, вызывать суффозию и ополз-
ни склонов долины и создавать опасные положения для низового отко-
са плотины или сооружений при ней.
Для приближенного расчета фильтрации в обход плотины, при за-
легании мощного слоя однородного грунта под плотиной и в берегах
проф. Е. А. Замарин, рассматривая отдельно фильтрационный поток, -
обтекающий плотину, предлагает строить для него.гидродинамическую
сетку движения (рис. 115, в). По сетке определяют расход на фильтра-
цию, положение уровней грунтовых вод по отдельным поперечникам
нижнего бьефа и строят кривые депресеии. Если кривые депрессии
(рис. 115,6) выклиниваются на склонах, необходимо у подошвы скло-
нов заложить дренаж. <. / ~
Расход одной ленты . -
q = КНср АН = КН^, . ' (203)
где К — коэффициент фильтрации грунта;
- Нср — средняя мощность водопроницаемого слЬя;
Н— разность уровней воды перед плотиной и за ней. ’
Для водопроницаемого слоя небольшой мощности Е. А. Замарин
считает возможным гидродинамическую-сетку перевести в сетку гидро-
изогипс, используя; предложение' Н. Е. Жуковского о потенциальной
функции = vh в уравнении несжимаемости, применяя уравнение связи:
’ ’ н2 — Н2
= —= (204)
• - • - - .11
166
Рис. 116. График для расчета устойчиво-
сти ОТКОСОВ.
где hn — отметка гидроизогипсы, совпадающей с линией равного
напора в гидродинамической сетке того же порядкового
номера;
Hv и Нк — начальная и конечная отметки уровня грунтовых вод,
то есть перед плотиной и в тальвеге, за плотиной
(рис. 115,6);
п — число поясов гидродинамической сетки. Расход одной
ленты сетки гидроизогипс находят из уравнения:
<7 = 0,5/<Д(№), (205)
§ 4. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
Земляные плотины имеют настолько значительный вес, что нет не-
обходимости делать поверку устойчивости на сдвиг. Неустойчивыми мо-
гут оказаться откосы плотины.
Для расчета устойчивости откосов земляных плотин предложено не-
сколько способов, основанных на
1) «теории предельного равно-
весия», согласно которой считает-
ся, что во всех точках сдвигаю-
щегося отсека обрушения сущест-
вует предельное равновесие грун-
та;, :
2) теории; основанной на ис-
пользовании расчетной модели;
которая может быть названа мо-
делью отвердевшего отсека обру-
шения (ограничена снизу круГло-
цилиндрической поверхностью
сдвига или поверхностью сдвига,
образованной рядом плоскостей)
[223].
В производстве расчет устой-
чивости откосов чаще выполняют
все многообразие условий, при этом поверхности обрушения принимают
круговыми цилиндрическими.
. Приближенный расчет устойчивости откосов однородных земляных
плотин можно вести по графику, предложенному ВНИИ ВОДГЕО
(.рис, 1в зависимости от характеристик грунтов. Зная объемный вес
грунта Ух г/ж3, угол внутреннего трения <р°, удельное сцепление с т/м2
и высоту откоса’-/? м, можно определить угол устойчивого откоса ~ 0. Для
предварительных расчетов значения ф и с можно принимат1Гпо табли-
це 2Т- [80]. _. ....----------—------—- -
Таблица 21*
по второй теории, позволяющей учесть
Грунть) при естест- • веяной влаж- ности срэ при иасы- • щении водой с,
Глинистые 40—45 12—18 9—10
Суглинистые ,35—40 - 19—25.. 2-5
Песчаные . - — I-Т.—II. . 1 Ч 30—35 20—27 X)—0,5
* Значения <р и с'для песчаных и глинистых грунтов устанавливают согласно ука-
заниям главы СНиП ILB. 3-62 и таблицы 2— СНиП П-И.4-62.
Проверка устойчивости откоса сводится к определению коэффици-
ента устойчивости К, который равен отношению момента удерживаю-
• ' С ' 167
щих сил к моменту сдвигающих относительно некоторой произвольно
выбранной точки. На тело обрушения в пределах контура DLEAKMD
действуют такие силы: вес грунта в пределах этого контура; силы тре-
ния и силы сцепления, приложенные по поверхности скольжения
(рис. 117), и гидродинамическая сила фильтрационного потока, учиты-
ваемая как объемная в пределах контура СВАКМС.
При расчете устойчивости откоса необходимо провести несколько
кривых скольжения из разных центров и соответственно определить
коэффициенты устойчивости. Минимальный из них определяет устойчи-
Рис. 117. Расчетная схема устойчивости низового откоса земляной плотины.
вость откоса и должен быть не менее требуемых его значений по
нормам. ft v '
При расчете откосов из грунтов, обладающих трением и Сцеплеии- '
ем, центры кривых скольжения доц. В/В. Фандеев рекомендует распо-
лагать в прямоугольнике bfdc. Для построения этого прямоугольника из
середины откоса (точка а на рис. 117$ проводят вертикаль ad, затем-из
этой же точки а под углом 85° к отцрсу проводят линию ас. Из точки а,
как из центра, проводят окружности радиусами ab и ас, принимаемыми
в зависимости от отношения ab : Н и ас : Н по таблице 22. Для про-
межуточных значений откосов значения ab : Н и ас : Н определяют пу-
тем интерполяции.
Таблица 22
Откбсы 1:1 1:2 1:3 1:5 1:6
ab-.H ас:Н 0,75 1,5 . 0,75 \ 1,75 1,0 2,3 "1,5 3,75 • f 2,2 4,8 3,0 5,5
Выбрав произвольную точку О, проводят из нее как из центра дугу
окружности радиуса R = ОА = ОМ = OD, захватывающую примерно по-
168
ловину гребня плотины вверху и часть основания внизу. Область, огра-
ниченную поверхностью откоса и кривой скольжения, разбивают вер-
тикальными линиями на отсеки шириной 6 = 0,17?. Нулевой отсек разме-
щают под центром кривой скольжения, остальные отсеки нумеруют по-
рядковыми номерами влево и вправо. При выбранной ширине отсека
6 = 0,17? получается, что sin а1=0,1; sin а2=0,2; sin а3 = 0,3, то есть
синус равен порядковому номеру отсека, разделенному на 10, a cos <хх,
cos а2, cos <xa и т. д. определяют по формуле:
cosa = V^ 1 — sin2 а. (206)
Для отсеков, расположенных от нулевого отсека влево, значения
sin a — положительные, а для отсеков, расположенных вправо, — отри-
цательные. Далее составляют уравнение моментов сил, действующих на
отсеки, относительно центра кривой скольжения.
Силы бокового давления грунта, действующие на вертикальные гра-
ни отсека, не учитывают, так как они являются внутренними.
Силу веса G по направлению ее действия переносят на кривую
скольжения и раскладывают ее на две составляющие — нормальную
7/ = Geos а и касательную 7'=Gsin а, где a — угол наклона подошвы
отсека к горизонтали; тогда' сила трения 77=iVtgq> = G cos atgy, где
<p —угол внутреннего трения грунта откоса; сила сцепления S = cl, где
с — удельное сцепление в т/#2; /-— длина подошвы отсека.
Для определения гидродинамической силы, действующей в зоне
фильтрации в пределах тела обрушения по контуру СВКМС (рис. 117),
нужно рассмотреть действие той же силы на отдельный отсек
(рис. 117, б). Величина этой силы равна tai, где <о = 6/, а i — средний
гидравлический градиент на площади ®. -
Гидродинамическая сила в зоне СВКМС равна сумме сил 2<oi или
£2icp, где £2 площадь СВКМС, а icp—средний градиент этой зоны.
Сила £2tcp приложена в центре тяжести площади £2 и направлена по
среднему уклону.
Для дренированных плотин проф. Е. А. Замарин рекомендует филь- Cs
трационный поток в зоне СВКМС до начала дренажа учитывать по-
прежнему, а от начала Дренажа до конца кривой скольжения (площадь
£2Ь рис. 117), где направление потока близко к вертикальному, прини-
мать это направление за вертикальноегсо средним градиентом Ц (нахо-
димым по гидродинамической сетке).[Тдмда вертикальное усилие от
фильтрационного потока будет равно £5j7\ и приложено в центре тяже-
сти площади £2Х.
Коэффициент устойчивости откоса, равный отношению момента
'удерживающцд^йД к моменту сдвигающих сил, определяется по фор-
мул е:"’ ..
% _ X Gcosa tg<p-4- 2 с/ (207)
- S G sin 1 1
где г н 7i—плечи соответствующих гидродинамических сил фильтра-
ционного потока. .
- Значение коэффициента устойчивости нормам принимают в за-
висимости от класса сооружений равный 1,2—1,5. /\.
Силы трения и сцепления суммируют с учетом ^качества грунта и
его состояния (с^хой или мокрый).
Для отсекоц, расположенных выше кривой депрессии, принимают
фактическую высоту Асух, измеренную по чертежу (рис. 117). Для от-
секов, состоящих частично из грунта естественной влажности и частично
из грунта, насыщенного водой, определяют приведенную высоту Ащ,.
Приведенную высоту необходимо определять ив том случае, если отсек
12—1657
169
состоит из разнородных грунтов, имеющих различные объемный вес и
сцепление.
Приведенную высоту отсека определяют по формуле:
йпр = /Чх + АМОКР, (208)
Ycyx
где /гпр— приведенная высота отсека, м;
йсух — часть высоты отсека с грунтом естественной влажности, м;
йМОКр—часть высоты отсека с грунтом, насыщенным водой, м;
Ycyx — объемный вес грунта естественной влажности, т/м3;
Умокр — объемный вес мокрого грунта, т/м3.
Объемный вес мокрого грунта (ниже кривой депрессии) находят по
формуле:
Умокр = (l-«)(s~Yo)> (209)
где п и 6—порозность и удельный вес грунта;
у0-—удельный вес воды.
Р. Р. Чугаев [222], применяя способ весового давления, рассматри-
вает отсек грунта обрушения как отвердевшее тело. При этом принима-
Рис. 118. Расчетная схема к способу
Р. Р. Чугаева.
ется, что алгебраическая сумма эле-
ментарных нормальных сил, то есть
величина N, равна внешней (объем-
ной) силе, то есть силе тяжести грун-
та G.
Уравнение предельного равнове-
сия для рассматриваемого отсека об-
рушения будет:
2 G sin а = SGtgcp-p cL. (210)
Силы гидродинамического давления,
действующего на поверхности обруше-
ния BMNC, выражаются эпюрой дав-
ления BMNCCiB, ординаты которой
нормальны к окружности скольжения
(рис. 118). Равнодействующая этих сил давления Ро проходит через
центр окружности скольжения О и дает момент относительно этого цент-
ра, равный нулю.
При наличии воды в нижнем бьефе на поверхность откоса E'D бу-
дет действовать сила Р'— гидростатическое давление, изображенное
эпюрой E'DD', а также сила Р" — гидростатическое давление в виде
эпюры DD"C'CD, действующее на горизонтальную поверхность DC.
Вычитая из момента активных сил момент сил веса воды-в -объеме
MC"NM (этот момент относительно центра О равен нулю), Р. Р. Чугаев
получает в окончательном виде момент активных сил:
Mjk = G1 а -Г О2 + GB3B а2, (211)
где' Gx—вес грунта выше кривой депрессии (площадь AFEBA);
G2—вес насыщенного грунта в зоне, ограниченной кривой
депрессии, отрезком кривой скольжения и продолжени-
ем линии уровня воды в нижнем бьефе (площадь
В ЕЕ'МВ);
GB3B—вес взвешенного грунта в зоне, ограниченной уровнем
ME' и кривой скольжения (площадь ME'DCNM);
а, а.!, а2 — плечи соответствующих сил.
Момент удерживающих сил, или, как его называет Р. Р. Чугаев,
пассивный момент, определяется по формуле:
^пасс= (Овзз + Gl) igtf R + cLR, (212)
170
где ^взв —вес взвешенного грунта, расположенного между кривой де-
прессии и кривой скольжения.
§ 5. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКРАНА
При расчете устойчивости экрана против сползания по откосу рас-
сматривается 1 пог. м экрана.
При этом предполагается, что часть экрана CC'BD (рис. 119, а) ве-
сом G может сползти по наклонной плоскости DC под действием состав-
ляющей веса r=Gsin0, чему препятствует сила трения F=Ntgq> —
= 6 cos 0 tg ф (<р —угол трения материала экрана и реакция грун-
та— призма АСС').
Рис. 119. К расчету устойчивости экрана.
Пренебрегая реакцией грунта, действующей на сечение СС' слева
(что увеличивает запас-расчета), коэффициент запаса на устойчивость
экрана находят по формуле:
Л) = G? (213)
G sin 0
Такой расчет, конечно, приближенный, так как не учитывает сцеп-
ления грунта экрана с грунтом плотины и реакции грунта.
Устойчивость грунтового экрана большой мощности рассчитывают
методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения, проводимых
внутри экрана (рис. 119, б); при этом наиболее опасным случаем будет
быстрое снижение уровней водохранилища, вызывающее появление гид-
родинамических сил, действующих на экран со стороны тела плотины.
§ 6. ОСАДКА ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
При возведении земляных плотин, в основании которых залегают
сжимае-мые грунта, необходимо определять величину и продолжитель-
ность осадки плотины. -Осадка насыпных плотин складывается из
осадки тела плотины и осадки ее-основания.
Если плотину возводить так, чтоб результате уплотнения грунт до-
стигнет заданного объемного веса, то тело плотины не должно давать.
осадки. Однако осадка может произойти вследствие уплотнения грун-
тов основания весом плотины.
Если слой грунта равномерно сжимается в условиях невозможно-
сти бокового расширения, то полную осадку S можно определить как
разность начальной Т^.и конечной Тг высоты сжимаемого слоя грунта:
S = 77-T2. (214)
Очевидно, чем больше пористость, тем больше будет осадка, поэтому ве-
личину осадки можно установить по компрессионной кривой грунта ос-
нования в зависимости от коэффициента пористости в. Если принять
п — пористость (то есть объем пор в единице объема грунта),
12*
171.
т — объем частиц грунта (скелета) в единице объема грунта, то мож-
но написать следующие зависимости:
п + т=1; п — 1—т; т=\—п.
Коэффициент пористости е, равный отношению —, будет:
т
п п 1 — т
8 = — =------ = -----.
т 1—п т
(215)
Толщина сжимаемого слоя Т известна, а величину осадки можно
определить из условия, что объем скелета грунта остается при осадке
постоянным, а осадка происходит вследствие уменьшения объема пор,
то есть можно написать:
FT\ FT% 1
--— =----— ИЛИ Г, = 7\ —!—-,
1 + е1 1 + еа 1 + Si
(216)
где F — площадь слоя грунта.
Подставляя значение Т2 в формулу (214), получим:
__у у 1 ~Ь у 11 1 Ч~ 88\
1 + 81 \ 1 + 81/
или после преобразования окончательно имеем:
Формуле (217) можно
давление: —----- =tga =а,
Pi — Pl
вид. Заменим
(217)
8J —е8 через
где а называется коэффициентом сжимае-
мости. Отсюда 8! —е2 —а(Р2—Pi); подставляя это выражение в формулу
(217), получим:
(218)
1 + 81
где Рх — нагрузка грунта основания до постройки плотины, кг]см2;
Ра — нагрузка грунта после постройки плотины, кг!см2.
Эти формулы можно применять для расчета осадки, если толщина
сжимаемого слоя равна не более половины ширины плотины -по осно-
ванию.
Продолжительность осадок рассчитывается по формуле £217]: :
= ~ <219>
где е — 2,718 — основание натуральных логарифмов; • _
Л = 2500^^1);
аТ*
К.— коэффициент фильтрации, см)год;
а— коэффициент сжимаемости (или уплотнения)
Т — толщина сжимаемого слоя грунта, см;
t — время в годах; считая от начала загрузки грунта;
St— осадка в конце /-го года, см;
S — полная осадка, см.
В СНиП П-И.4-62 приведены примерные схемы для расчета осадок
тела плотины однородной, с ядром, экраном и формулы, которыми ре-
комендуется пользоваться при проектировании.
172
Глава X
КАМЕННЫЕ И КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Строительство каменнонабросных плотин распространено на гор-
ных участках рек в районах, богатых камнем.
Крупные гидроузлы целесообразно размещать в горных районах по
следующим соображениям: во-первых, для постройки плотины возмож-
но использовать ме£таше--маф^иалы,-получаемь1е на месте в карьерах
или в результате разработки полезных выемок (водосбросных каналов,
туннелей, котлованов сооружений), и, во-вторых, можно создавать вы-
сокие напоры и емкие водохранилища. ’ .....
" Для набросной плотины наиболее благоприятны ущелья с пологи-
ми склонами, без резких изменений их уклона.
Особенно широко развернулось строительство каменнонабросных
плотин в XX веке. По данным С. Н. Моисеева [125], в прошлом столетии
было построено всего 10 каменнонабросных плотин высотой более 20 м
(максимальной высотой 41 м Лоуэр Отэй в Калифорнии), с 1901 по
1940 г. построено 40 плотин высотой более 20 м с максимальной высо-
той 114 м (Сан-Габриэль в Калифорнии) и 16 полунабросных и из су-
хой кладки. После 1940 г. построены и строятся 89 каменнонабросных
плотин высотой более 20 м, в том числе плотина Гешёненальп высотой
155 м (Швейцария), построенная в 1960 г.
В связи с быстрым развитием гидротехнического строительства в
Советском Союзе, в частности в Сибири, Средней Азии и на Кавказе,
этот тип плотин находит широкое применение. После 1940 г. построен
ряд набросных плотин: Храмская высотой 32 м в Грузинской ССР,
Уртотокойская — 59 м в Узбекской ССР, Ириклинская — 43 м на Урале
и другие, строятся Кочконарская плотина высотой 46 м на Урале, Ви-
люйская — 71 м в Якутской АССР и самая высокая в мире Нурекская —
300 м на р. Вахш в Таджикской ССР.
§ 2. ТИПЫ ПЛОТИН, МАТЕРИАЛЫ И ИХ УКЛАДКА
Классификация плотин по конструкции поперечного профиля. По
конструкции поперечного профиля каменнонабросные плотины подраз-
деляются на следующие типы:
х 1) набросные с экраном из негрунтовых материалов (рис.
120, а) или с экраном из грунта (рис. 120, б);
2) набросные с ядром из грунта (рис. 120, в) или с диафраг-
мой из негрунтовых материалов (рис. 120, г);
3) н-0 л у набросные, в которых верховая часть выполнена из су-
хой кладки, аоиизовая— из каменной наброски (рис. 120, д) или с бе-
тонной напорной стенкой (применяются рейко) (рис. 120,а);
4) к а й-ен н о г з е м л я н ые (рис. 120, ж);
5) из с ух о й каменной кладки (рис. 120, з). Эти плотины
как неиндустриальные в последнее время в СССР применяют редко.
Камениоцабросные и каменно-земляные плотины устраивают преи-
.му-Щественно^глухими, не допускающими перелива' воды через их гре-
бень. В последнее, время разработаны конструкции невысоких водослив-
ных й фильтрующих каменнонабросныд плотин (§ 7 этой главы).
Материалы для каменнойаброскрых и каменно-земляных плотин.
Камень для наброски должен быть .достаточно прочным, водостойким,
морозостойким, „адакже. устойчивым; против.выв§триванця.Поэтому для
набросных плотин пригодны камни йзверженныхппЬрод (гранит, сиенит,
габбро, диорит и др.) и частично осадочных—кварциты, плотные извест-
няки н Доломиты (для плотин ограниченной высоты).
173;
Камень, применяемый для набросных плотин, должен удовлетво-
рять требованиям СНиП П-И.6-62 [170]. Пригодность камня по его пре-
делу прочности при сжатии и морозостойкости устанавливается в зави-
симости от высоты плотны, местоположения камня в профиле согласно
указаниям СНиП I-B.8-62. Важное значение имеют размермЛ-федма
камнят-получаемого в карьере или из полезных выемок. Они влияют на
пористость наброски, величину осадКи тела плотины и крутизну отко-
Рис. 120. Типы каменнонабросных и каменно-земляных плотин:
/ — негрунтовый экран; 2 — подэкрановая кладка; 3 — каменная наброска; 4— защитная пригрузка;
5 — пластичный экран; 6 — обратный фильтр; 7 — пластичное ядро; 8 — диафрагма; 9 — бухая кладка;
10 — бетонная стенка; И — пригрузка из грунта.
сов. Чем крупнее камень, тем более крутой откос получается при на-
броске. Лучшим камнем для наброски считается рваный камень такой
формы, когда отношение наибольшего его размера к наименьшему не
превышает 3—4.
В каменнонабросных и каменно-земляных плотинах используют ка-
мень разных размеров, что способствует более плотной щю-укладке.
Каменные материалы, получаемые от взрывания горных пород, можно
применять без сортировки при наличии не менее 50% общего объема
кусков камня размером от 200 лиги выше. Согласно СНиП II—Д.2—55,
содержание мелких камней весом до 10 кг в плотине должно быть не
более 5%, а весом 10—30 кг — не Чолее 25%. В современные плотины
укладываются камни весом 0,5—1 т и более. Для подЭкрановой кладки
и для плотин из сухой кладки камни должны быть постелистыми,
174
по возможности правильной формы, с минимальной толщиной кам-
ня 20 см.
Способы укладки каменных материалов в плотины. Плотины из
камня строят путем наброски камня, отсыпки камня слоями и
укладки его (подэкрановая кладка, плотины из сухой кладки).
Состав различных по крупности камней в наброске и кладке под-',
бирают так, чтобы пористость в наброске и кладке была минимальной/
Размеры камней в теле плотины должны возрастать от середины к
откосам и основанию. Особенно крупные камни, иногда весом в несколь-
ко тонн, укладывают у основания низового откоса, где создают упор-
ную призму, которая повышает устойчивость откоса.
Наброску камня выполняют путем сбрасывания его с эстакад,
которые наращивают по мере роста наброски, оставляя в теле плотины,
ипод откос (пионерным способом).
Высота сбрасывания камня в современных набросных плотинах из-
меняется в широких пределах. Она ограничивается требованиями без-
опасности для работающих и сохранения камня от разрушения при
сбрасывании с большой высоты. Многие строители набросных плотин
считают, что при гидравлическом уплотнении наброски следует прини-
мать высоту сбрасывания 20—25 м.
По данным С. Н. Моисеева [125], высота сбрасывания камня для
плотины с экраном колеблется от 8—12 до 25—50 м и более, а в плоти-
нах с ядром она более стабильна и близка к 10 м, что объясняется усло-
виями отсыпки промежуточных зон и материала фильтра.
При возведении плотин из крупного камня уплотнение ведут гидро-
мониторами с давлением у сопла от 3 до 10 ат, одновременно пустоты
заполняют каменной мелочью. Расход воды при этом составляет от 1
до 3 .и3 на 1 лг3 наброски в теле плотины. Кроме того, в последние годы
начали применять специальные тяжелые (до 20 г) вибраторы, которыми
можно уплотнять каменную наброску с размером камней до 0,6 м.
Пористость в наброске для высоких плотин не должна превышать
30—35%, для невысоких плотин — 35—40%.
При возведении плотин из мелкого камня отсыпку его ведут
автосамосвалов, думпкаров и других транспортных средств небольшими
слоями — до 2,5 м, с механическим уплотнением тяжелыми катками,
виброкатками, вибраторами. Пористость в этом случае может быть сни-
жена- до 25%.
Рекомендуется замывать поры каменной наброски песком. Обра-
зующееся при этом каменно-песчаное тело плотины обладают в два раза
меньшей водопроницаемой способностью.
. Таким способом впервые в мировой практике по проекту и при уча-
стии. в строительстве советских инженеров построена крупная Асуан-
ская плотина в Египте [102]. В середине профиля устроено ядро и понур
из асуанских глин. Высота плотины 111 ж, высота ядра 82 м, под ядром
создана противофильтрационная цементно-глинистая завеса на глуби-
ну 180 м, длина плотины по гребню 3,6 км. Объем тела плотины
40 млн. мэ, в том числе каменная наброска составляет 21,7 млн м3, на-
мыв песка — 15,2 млн. т и укладка глины — 3,0 млн. м3.
Сухую кладку выполняют тщательно из хорошо подобранных
постелистых камней, укладываемых с перевязкой швов и с тщательной
расщебенкой вертикальных швов. Пористость в такой кладке не должна
превышать 20—25%.
§ 3. НАБРОСНЫЕ ПЛОТИНЫ И ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Профиль плотин. Ширину гребня принимают так же, как и для
земляных плотин, в зависимости от класс| дороги, но не менее 5 м. От-
косам плотины придают уклоны, обеспечивающие их устойчивость,
175
обычно их принимают равными углу естественного откоса каменной на-
броски, который зависит от размеров и форм камней, степени однород-
ности и тщательности их уплотнения.
При устойчивом основании верховой откос каменнонабросных пло-
тин обычно имеет заложение от 1 : 1,1 до 1 : 1,35 и низовой — от 1 : 1,2
до 1 : 1,4; при недостаточно устойчивом основании откосы уполаживают.
В сейсмических районах оба откоса принимают с уклоном от 1 : 1,6 до
1 : 1,8.
Основания плотин. Для каменнонабросных и каменно-земляных
плотин пригодны все виды скальных оснований, а из нескальных — гра-
Рис. 121. Сопряжение экрана
со скалой:
1 — экран; 2 — зуб; 3 — слой из мел-
кого камня или щебня; 4 — прони-
цаемый грунт; 5 — скала; 6 — цемен-
тация.
велисто - галечниковые, крупнопесчаные,
плотные глинистые и суглинистые грунты.
При неглубоком залегании скалы водоне-
проницаемая часть плотины (экран, диаф-
рагма) сопрягается с основанием бетонным
зубом, заглубляемым в скалу (рис. 121).
Трещиноватую скалу под зубом цементи-
руют.
Для защиты нескального грунта осно-
вания от повреждений сбрасываемыми кам-
нями или возможного контактного размыва
фильтрационным потоком, текущим вдоль
основания, перед началом наброски укла-
дывают достаточный Слой мелкого камня
или щебня.
Противофильтрационные устройства.
Противофильтрационные устройства долж-
ны быть водонепроницаемы, прочны, гибки,
устойчивы против механической и химиче-
ской суффозии, экономичны. Они могут быть
выполнены из бетона и железобетона, связ-
ных грунтов, дерева, стали, асфальто-бетона, пластмассовой плен-
ки и др.
Каменнонабросные плотины устраивают с экраном и с ядром
или с диафрагмой.
Экраны из негрунтовых материалов располагают по плоскости вер-
хового откоса (рис. 120, а); пластичные экраны должны быть прикры-
ты защитным слоем из крупнозернистого материала (рис. 120, и
рис. 124). Пластичное ядро и жесткую диафрагму располагают в сред-
ней части плотины, желательно ближе к верховому откосу (рис?'
120, в г).
Экраны из негрунтовых материалов укладывают обычно на подэк-
рановую кладку, выполняемую из постелистого камня горизонтальны-
ми или нормальными к откосу рядами с тщательной расклиновкой и
сглаживанием слоем бетона, который покрывают несколькими слоями
битума. Таким образом, создается выровненная постель для экрана,
обеспечивается свободное смещение отдельных его плит при осадке пло-
тины и температурных деформациях, а также более-равномерная пере-
дача давления на кладку. ..
В последнее время, особенно в сейсмических районах, в набросных
плотинах вместо подэкрановой кладки устраивают подэкрановую под-
готовку из слоя гравия или щебня. Такая подготовка сделана на
Уртотокойской плотине (СССР, 1952), Монтгомери (Колорадо, 1957)
и др.
Толщину подэкрановой кладки принимают в1 зависимости от мате-
риала экрана, крутизны откоса, ожидаемой осадки каменнонабросной
призмы, но не менее 1 М поверху (сЗйтая нормально к откосу) и 0,05—
0,08 Н понизу, где Н — высота плотины.
176
Бетонные и железобетонные экраны устраивают трех типов:
жесткие — монолитные; полужесткие — скользящие; гибкие—
слоистые.
Жесткие конструкции экрана представляют железобетонную -
плиту, разделенную температурными швами на отдельные панели раз-
мером 10—20 м. Плиты армируют одиночной или двойной арматурой.
Насыщенность арматурой принимается; от 0,5 до 1,0%. Чтобы исклю-
чить возможность отслаивания экрана от подэкрановой кладки, армату-
ру связывают с анкерами, заделанными в кладку через 1,2—1,5 м. Тол-
щину железобетонного экрана по конструктивным соображениям при-
нимают у гребня от 0,20—0,30 м, а в нижней части от 0,005—0,006/7 до
Рис. 122. Конструкции швов жесткого экрана:
а — осадочного; б — температурного; 1 — подэкраиовая кладка; 2 — выравнивающий бетонный слой;
3 — опорная горизонтальная балка; 4 — слой асфальта толщиной 5 см; 5 — медная пластинка;
6 — асфальт; 7 — слой битума с паклей толщиной 2 см; 8 — арматура.
0,017/ (Н — высота плотины). Швы между плитами располагают на за-
деланных в подэкрановую кладку железобетонных балках, на которые
опираются концы плит (рис. 122, а). Жесткие экраны применяют в на-
бросных и полунабросных плотинах небольшой высоты, имеющих ма-
лую осадку тела плотины и построенных на скальных основаниях.
Полужесткие скользящие экраны применяют главным
образом в набросных плотинах. Они отличаются от жестких тем, что
разрезаны.не только температурными, но и осадочными гибкими и во-
донепроницаемыми швами. Плиты укладывают на выравнивающий бе-
конный слой, покрываемый битумом. Это позволяет экрану перемещать-
ся (скользить по слою битума) независимо от осадки подэкрановой
кладки (рис. 122, б).
Гибкие экраны могут воспринимать значительные деформации
от осадки тела набросной плотины, основания, влияния температуры и
возможных- сейсмических явлений. Они состоят из нескольких слоев
железобетонных плит размером сторон 3—9 м и толщиной 8—18 см.
Швы между плитами заполняют битумом. Внутренние поверхности плит
тдкже покрывают горячим битумом в несколько слоев, что увеличивает
водонепронипаемость экрана, уменьшает трение между отдельными сло-
ями плит в экране. Плиты укладывают в слоях, соблюдая перевязку
швов (рис. 123, а).
-Слабое место в каменнонабросных плотинах — сопряжение желе-
зобетонного экрана с жестким зубом, так как в месте сопряжения при
осадке в экране могут появиться трещины.
Лучшим считается гибкое шарнирное сопряжение (рис. 123, б). Ос-
нованием такого сопряжения служит упругая подушка из хорошо ока-
танной гальки, покрытой толстой железобетонной плитой, опирающейся
177
нижним концом в корытообразное углубление зуба. Вся конструкция в
целом допускает значительные- деформации, при этом водопроницае-
мость ее не нарушается.
Металлические экраны выполняют из листовой нержавею-
щей стали. Размеры листов берут максимальные, стандартные по длине
и ширине, чем достигается уменьшение общей длины швов. Толщина
листов в среднем 8—10 мм. Экран прикрепляют анкерными болтами,
заложенными в подэкрановую кладку. Металлические экраны отлича-
Рис. 123. Сопряжение слоистого экрана с зубом:
/—верхняя плита постоянной толщины; 2 — асбесто-асфальтовые швы; 3— непрерывная арматура;
-/ — нижняя плита переменной толщины; 5 — поверхность плнт, покрытая тонким слоем битума;
6 — медная протнвофильтрационная пластинка; 7 — дренажные отверстия; 8— слоистый экран;
9 — асфальтобетон; 10 — опорная железобетонная плита; 11— упругая подушка из хорошо окатанной
гальки; 12 — скважины для цементации.
Рис. 124. Поперечное сечение плотины Кенни:
/ — глиняный экран толщиной 7,5—15 м, прикрытый слоем песка 1,5 м (под экраном — трехслойный
обратный фильтр); 2—наброска из камня различной крупности (у экрана — наиболее мелкий, у
низового откоса — наиболее крупный); 3 — каменно-гравийная отсыпка; 4 — бетонная подушка;
5 — цементационная завеса; 6 — отсыпка крупным камнем; 7 — перемычка; 8 — скала.
ются большой Гибкостью, но они значительно дороже экранов из других
материалов. В СССР металлический экран из нержавеющей стали тол-
щиной 8 мм применен в набросной плотине Храмской ГЭС, построенной
в 1947 г.
Деревянные экраны отличаются достаточной гибкостью, поз-
воляющей воспринимать значительные осадки. Наиболее приемлема
многослойная конструкция, состоящая из двух или трех рядов горизон-
тальных досок толщиной 6— 7 см, уложенных с зазорами. Доски при-
бивают к вертикальным брусьям, которые заделывают в подэкрановую
кладку. Чтобы обеспечить водонепроницаемость, между рядами досок
прокладывают битумные маты. Для предупреждения загнивания дере-
вянного экрана, находящегося в условиях переменной влажности (коле-
178
бание уровня верхнего бьефа), рекомендуется деревянные элементы
пропитывать нерастворяющимися в воде антисептиками.
Пластичные экраны устраивают из суглинка, глины, глино-
бетона, асфальтобетона, а в последнее время стали применять пласти-
ческие материалы на полиэтиленовой основе. Экраны из глинистых
грунтов мало отличаются от таких же экранов в земляных плотинах,
только в данном случае между экраном *и наброской обязательно укла-
дывают переходной слой в виде обратного фильтра (рис. 124). С напор-
ной стороны экрана укладывают защитный слой из пористого мате-
риала.
Противофильтрационные устройства в средней ча-
сти плотины делают в виде жесткой железобетонной диафрагмы
или пластичного ядра. Железобетонные диафрагмы бывают сплошными
и полыми. Диафрагму обычно жестко заделывают в скальное основание
(рис. 120, г), поэтому деформации низовой части наброски могут при-
вести ее к прогибу и срезыванию. Во избежание образования трещин
сплошные диафрагмы разрезают водонепроницаемыми вертикальными
температурными и осадочными швами. Существенные недостатки, обна-
руженные при эксплуатации каменнонабросных плотин с жесткими диа-
фрагмами, привели к тому, что строительство таких плотин почти пре-
кратилось.
§ 4. КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫЕ ПЛОТИНЫ
В последнее время получили широкое распространение каменно-
земляные плотины с пластичным экраном или ядром [128]. Почти все до-
клады на VIII Международном конгрессе по большим плотинам, про-
ходившем в Эдинбурге в 1964 г., были посвящены каменно-земляным
плотинам [61].
Каменно-земляные плотины менее требовательны к основанию, по-
тому их можно возводить на более сжимаемых грунтах и породах. Эти
плотины строят при наличии на месте достаточного количества камня,
водонепроницаемых грунтов для устройства ядра или экрана, а также
грунтов, пригодных для создания переходных зон в теле плотины около
экрана или ядра.
После 1950 г. построены и строят около 40 высоких каменно-земля-
ных плотин, из которых 20 с пластичным экраном и 19 с пластичным
ядром.
Уклоны откосов этих плотин более пологие по сравнению с камен-
нонабросными, и почти всегда напорные откосы положе низовых. Напор-
ные откосы плотины с пластичным экраном обычно имеют заложение
1:2,2—1:2,5, иногда 1:3 (Браунли в Калифорнии, Ириклинская в
СССР на Урале); плотины с вертикальным ядром — 1 : 1,75—1 : 2,25, но
некоторые плотины имеют заложение 1 : 2,5—1 : 3 (Марморера в Швей-
царии, Парадис в Калифорнии). Низовые откосы плотин с экраном
имеют заложение от 1 : 1,3 до 1,75, а при вертикальном ядре для созда-
ния большего упора со стороны низовой призмы откосы делают поло-
же— 1 : 1,75—1 : 2,0, иногда 1 : 2,5. С
- Для предварительного назначения уклонов откосов каменно-земля-
ных плотин можно пользоваться графиком В. Н Поспелова [149] (рис.
125), составленным им по данным встроенных и запроектированных
плотин.
Противофильтрационную конструкцию выбирают с учетом ожидае-
мой ее осадки, наличия материалов для строительства плотины, произ-
водства работ, условий эксплуатации и ожидаемого порового давления
в насыпи.
Плотины с экраном и наклонным ядром имеют некоторые преиму-
щества перед плотиной с вертикальным ядром; они устойчивее против
179
сдвига, поскольку сдвигу сопротивляется основная масса наброски; бо-
лее равномерно передается нагрузка на основание, возможно опереже-
ние в выполнении наброски или отсыпки по сравнению с возведением
экрана и защитного слоя. Однако плотина с вертикальным ядром мо-
жет оказаться экономичнее плотины с экраном, так как имеет меньший
объем материала, менее чувствительна к неравномерным осадкам на-
броски, то есть менее требовательна к основанию плотины и качеству
наброски. Плотины с вертикальным ядром лучше обеспечивают сопря-
Рис. 125. График для назначения заложения верховых (а) ' и низовых (б) откосов
каменно-земляных плотин:
/ — плотины с пластичным ядром; // — плотины с пластичным экраном; III — плотины с широким
пластичным ядром; IV — плотины с верховым откосом из грунта; V — плотины с пластичным ядром
и пластичным экраном; VI — плотины с широким ядром и с верховым откосом из грунта.
Рис. 126. Нурекская каменнонабросная плотина:
/ — верховая строительная перемычка; 2 — ядро из суглинка; 3— каменная наброска; 4 — двухслой-
ный фильтр; 5 — площадная цементация глубиной 8 м; б — слой шприц-бетона толщиной 10 см.
жение с крутыми склонами ущелья, где было бы затруднительно обес-
печить надежное сопряжение наклонного экрана.
После 1960 г. строятся около 10 каменно-земляных и камеино-на-
бросных плотин высотой более 100 м с вертикальнымтТластичным яд-
ром, в том числе: Фурнас (Бразилия) высотой-120 м, Дербенди Кхан
(Иран) — 135 м, Гепатч (Австрия) — 150 м, Нурек (СССР)—300 м
(рис. 126) и др.
Построены и строятся высокие каменно-земляные и каменно-наброс-
ные плотины с экраном, как, например: Миборо (Япония, 1961) высо-
той 131 м, Трангслет (Швеция, 1960) —122 м, Браунли (США, 1959) —
122 м, Бинги (Филиппины, 1960) — 104 м и др. '
§ 5. ДЕФОРМАЦИИ И УСТОЙЧИВОСТЬ КАМЕННО-НАБРОСНЫХ
ПЛОТИН
Каменно-набросные плотины деформируются вследствие осадки ос-
нования и уплотнения наброски под действием собственного веса и дав-
ления воды на плодину. Осадка основания зависит от сжимаемости
грунтов в основании и высоты плотины. Уплотнение наброски (отсыпки)
в плотине происходит главным образом в период строительства и при
заполнении водохранилища. Величина вертикальной осадки составляет
180
(при надлежащем уплотнении) около 1% высоты плотины (без учета
осадки сжимаемого основания). В плотинах, построенных в последнее
время с применением новейших методов уплотнения наброски и отсып-
ки, осадка не превышает 0,45—0,55%.
Вертикальная осадка плотины сопровождается смещением гребня
в сторону нижнего бьефа под действием горизонтальных составляющих
давления воды. Эти деформации зависят от крутизны откосов и обычно
равны половине величины вертикальной осадки.'
Для компенсации осадок и смещений рекомендуется оси плотины
придавать некоторую криволинейность в плане в сторону верхнего
бьефа, а гребень ее возводить к середине несколько выше проектного.
Рнс. 127. К расчету устойчивости
каменнонабросной плотины на
сдвиг. Схемы действия сил на
плотины:
а — общая: б — с экраном; в — с диаф-
, рагмой.
На рисунке 127, а представлена общая схема действия сил на ка-
менно-набросную плотину с экраном. Здесь W„— гидростатическое дав-
ление воды на напорную грань плотины: Gn—вес вышележащей части
плотины; Рп — равнодействующая сил 17п и G„. Из схемы видно, что
на плотину с экраном действует, кроме собственного веса плотины, дав-
ление воды, причем зона низового откоса находится под нагрузкой,
главным образом от собственного веса. В плотине с экраном основание
плотины напряжено более равномерно, чем в плотине с вертикальной
диафрагмой,
~ Коэффициент устойчивости на сдвиг для плотины с экраном (рис.
127, б) определяют по формуле:
Лс == (220)
или
_ HyiHfO.bHctga + b + O^Hctgai) -f-0,5 у Я2 cig а] „
k 0,5 уН2 ’ 1 ’
Для плотины с диафрагмой (рис. 127, в) и при одном и том же угле
наклона откосов а коэффициент устойчивости будет:
= /Yig_(M-.0_.5/7.ctga) (222)
' 0,5у№ ’ 1 ’
где Н— высота плотины, м;
b — ширина плотины по гребню, м;
у — объемный вес воды, т/м3;
Yi— объемный вес наброски, равный 1,75-^1,8 т/м3;
’ f — коэффициент трениядааброскй по основанию;
а и ах—углы заложения верхового и низового откосов плотины.
181
Для сравнения устойчивости набросных плотин с экраном и с вер-
тикальным ядром приведем пример: пусть Я=25 м, Ь = 6 м, уг =
= 1,75 т/jit3, m = = f = 0,5, тогда для плотины с экраном по формуле
(221) (при a = aj) значение цс = 2,61, а для плотины с диафрагмой по
формуле (222) г]с = 1,3.
Как видно, плотина с экраном при одинаковых исходных данных в
два раза устойчивее на сдвиг, чем плотина с диафрагмой. Это объяс-
няется тем, что в данном случае, кроме веса плотины Р2 (рис. 127, б),
на основание передается вертикальное давление воды Р\. В плотине
же с диафрагмой принимает участие в сопротивлении сдвигу только
низовая ее часть (за диафрагмой).
Поэтому в плотине с экраном возможны более крутые откосы, а в
плотине с диафрагмой для увеличения объема низовой части наброски
низовой откос следует делать более пологим.
§ 6. ПОЛУНАБРОСНЫЕ ПЛОТИНЫ И ПЛОТИНЫ ИЗ СУХОЙ КЛАДКИ
Полунабросные плотины представляют собой сочетание
сухой кладки (или бетонной стенки) с напорной стороны и каменной на-
броски в остальной части тела плотины (рис. 120, з и 128).
Рис. 128. Широковская плотина:
/ — каменная наброска; 2 — сухая кладка; 3— бутобетонные блок» н кладка на растворе; 4 — дере-
вянный экран; 5 — бетонный зуб; 6 — фильтр; 7 — низовая перемычка; 8 — песчано-гравелнстый грунт;
- 9 — крепление откоса; 10 — аллювий; 11— артилит; 12 — понур; 13 — песчаники.
Основное преимущество такой плотины по сравнению с набросной
заключается в экономии камня, поскольку сухая кладка позволяет при-
давать верховому откосу более крутой наклон (1 : 0,5— 1 : 0,75). Кроме
того, в связи с незначительной осадкой стенки из сухой кладки можно
ограничиться жестким монолитным экраном, хотя применяются и дере-
вянные и железобетонные экраны.
Полунабросные плотины строят там, где на месте есть постелистый
камень для сухой кладки.
На рисунке 128 представлена Широковская полунабросная плотина
высотой 40 м, построенная на Урале в 1948 г. Напорная часть ее выпол-
нена из сухой кладки постелистых камней. С верховой стороны кладки
уложены бутобетонные блоки на растворе и на них положены деревян-
ный экран, состоящий из двух рядов досок по 6 см, и два слоя битум-
ных матов. Верховой откос 1 : 0,7, низовой 1 : 1,1.
Плотины из сухой кладки можно выполнять с более кру-
тыми откосами, то есть они требуют меньше камня по сравнению с на-
бросными. Однако процесс возведения набросных плотин в настоящее
время полностью механизирован, в то время как работы по строитель-
ству плотин из сухой кладки выполняют в основном вручную. Это об-
стоятельство привело к тому, что в последнее время в СССР и других
странах, где широко развита механизация производственных процессов,
182
плотины из сухой кладки строятся редко. Их возводят в Италии, в Се-
верной Африке и в других странах, где недостаточно развита механиза-
ция и строительство ведется ручным способом.
§ 7. ВОДОСЛИВНЫЕ И ФИЛЬТРУЮЩИЕ ПЛОТИНЫ
Основные типы плотин. Каменнонабросные и каменно-земляные
плотины, как правило, строят глухими, недопускающими перелива воды
через гребень. Водосбросные сооружения располагают преимущественно
вне тела плотины.
Водосливные набросные плотины для небольших напоров строились
уже давно (например, индийского типа). Они имели распластанный про-
филь с уклоном водосливного откоса 1 : 8—1 : 12 и верхового 1 :2—1 : 3.
Рис. 129. Тишинская водосливная плотина:
/ — сухая кладка из рваного камня; 2 — ряжи с каменной наброской; 5 —устой; 4 — обшивка из
досок; 5—суглинок; 6 — бутобетонная стенка.
Проф. Н. П. Пузыревский предложил укреплять водоскат и тем са-
мым сокращать объем наброски. По его идее была построена Тишин-
ская водосливная набросная плотина высотой 10 м. на одной из рек
Алтая [55] (рис. 129). Каменная наброска низовой (водосливной) части
этой плотины укреплена водопроницаемым ряжевым каркасом, который
обшит досками. Сбрасываемая вода пропускается не только по поверх-
ности низового откоса, но часть ее проходит через каменную наброску,
как через фильтрующую дамбу.
После некоторой реконструкции в 1938 г. плотина хорошо работает,
пропуская расходы до 3—4 м2)сек, на 1 пог. м водослива.
Основной недостаток плотины — засорение верхних слоев каменной
наброски после пропуска паводка, что снижает поглощающую способ-
ность наброски и ее значение как гасителя энергии. Неудачно также со-
четание строительных материалов (дерева и камня), имеющих различ-
ные сроки службы.
Лабораторные опыты П. И. Гордиенко [54] показали, что перелив
воды через гребень каменно-набросной плотины не опасен для нее, пока
удельный расход переливающейся воды не достигнет некоторой крити-
ческой величины <7кр, которая зависит от диаметра камней, уклона водо-
сливного откоса, глубины воды в нижнем бьефе и практически не пре-
вышает 2,25—3 мг1сек на 1 пог. м длины водослива.
Для увеличения критического расхода требуется соответствующее
(расходам) укрепление водосливной грани плотины. Применение в ка-
честве крепления сквозных щитов или ряжей позволяет увеличить удель-
ный расход до 15 м3/сек.
Улучшенные типы каменно-земляных водосливных плотин высотой
до 10 м на скальных и плотных нескальных основаниях разработаны
проф. П. Н. Беляшевским [14].
183
На рисунке 130 представлен поперечный профиль плотины Минько-
вецкой ГЭС на р. Ушица (УССР), построенной на аллювиальных отло-
жениях мощностью 4—5 м. Высота плотины 6 м.
Особенность плотины этого типа состоит в том, что для предохра-
нения наброски от разрушения льдом и водой гребень плотины выполня-
Рис. 130. Водосливная плотина Мнньковецкой ГЭС:
/ — каменная наброска; 2 — сухая кладка; 3 — наброска щебня; 4— экран из суглинка; 5 — мостовая
на слое щебня и песка; 6 — оголовок; 7 — плиты; 8— дополнительный упорный блок; 9— рисберма;
10 — двухслойный обратный фильтр; I— тяжелый аллювиальный суглинок средней плотности:
II — илистые суглинки с линзами песка: III — галька с песком.
ют в виде массивного бетонного оголовка безвакуумного профиля, а
сливную наклонную часть плотины облицовывают бетонными плитами
толщиной 0,4—0,6 м, связываемыми между собой редкой конструктивной
арматурой диаметром ; 5—20 мм.
fl
Рис. 131. Схема возведения плотин на-
броской камня в текущую воду.
Сливная часть плотины заканчи-
вается упорным блоком из бетона
или бутобетона.
В связи с использованием мест-
ных материалов стоимость строи-
тельства этих плотин на 20—50%
меньше по сравнению с другими ти-
пами водосливных плотин.
Наброска камня в текущую во-
ду. В настоящее время этот .метод
широко применяют при устройстве
перемычек, банкетов, плотин и пере-
крытий проранов.
По лабораторным данным проф.
С. В. Избаша [84]* поперечное се-
чение профиля наброски изменяется
в определенной последовательности.
Вначале отсыпаемый камень образу-
ет треугольный профиль-с уклоном
откосов, близким к 1 : Г(рис. 131,а),
затем низовой откос начинает при-
обретать большую пологость, про-
филь приближается к трапецеидаль-
ному (рис. 131,6). В дальнейшее
увеличивается перенад, и под влия-
нием возросшей -скорости потока
происходит скатывание камней, ни-
зовой откос еще более уполаживает-
ся, приобретая форму быстротока (рис. 131, в). При боковом водосбросе
вследствие уменьшения расхода, переливающегося через наброску, умень-
шаются скорости потока, низовой откос становится круче, каменная от-
сыпь растет интенсивнее по высоте и выходит из воды (рис. 131,г).
184
Для расчета различных стадий наброски необходимо учитывать, что
камни, находящиеся на поверхности низового откоса, будут в равновесии
до тех пор, пока гидродинамическое давление переливающегося потока
не станет больше силы сопротивления камня. Величина скорости, при
которой происходит сдвиг камней, определяется по формуле С. В. Из-
баша:
v = А 2g ——- у D cos а , (223)
где А—коэффициент, принимаемый равным 0,86 при передвиже-
нии камня по площадке, близкой к горизонтальной, и рав-
ный 1,2 при сдвиге камня, находящегося на поверхности
низового откоса;
Yi и у — объемный вес камня и воды;
D — диаметр камня, приведенного к шару;
а — угол наклона низового откоса наброски к горизонту.
По формуле (223), задаваясь скоростью потока, можно приближен-
но определить размер камня.
Для уменьшения фильтрации через плотину, возведенную путем
наброски камня в текущую воду, на верховом откосе устраивают сна-
чала обратный фильтр, а затем намывают глинистый экран и защитный
слой из щебня и мелкого камня (рис. 131, д).
Преимущества набросных и каменно-земляных плотин. Эти плотины
по сравнению с гравитационными и железобетонными имеют следующие
преимущества:
. 1) максимальное использование местных материалов, что значи-
тельно снижает стоимость строительства;
2) возможность возведения плотины в течение всего года при ши-
рокой механизации производства работ;
3) иногда допускается возводить без перемычек путем наброски в
текущую воду;
4) возможность пропуска воды через тело плотины в период про-
изводства работ; !
5) менее строгие требования к качеству основания.
Глава XI
ДЕРЕВЯННЫЕ ПЛОТИНЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ТИПЫ ПЛОТИН
Деревянные плотины строят для проведения лесосплава, улучшения
судоходных условий, создания небольших водохранилищ для орошения
полей, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения и дру-
гих целей.
Деревянные плотины наиболее распространены в районах, богатых
лесом, а также там, где возможен сплав леса к месту строительства.
В России деревянные плотины применяли много веков назад. Созда-
ны оригинальные конструкции, среди которых знаменитая русская ряже-
вая плотина. В послереволюционный период конструкции деревянных
плотин получилй дальнейшее усовершенствование.
Много деревянных гидротехнических сооружений, в том чис'ле ори-
гинальной конструкции, высотой более 12 м, было возведено при строи-
тельстве Беломорско-Балтийского канала.
Преимущества деревянных плотин: простота конструкций и легкость
обработки деталей; малая чувствительность к колебаниям температуры;
возможность предварительной заготовки стандартных деревянных эле-
ментов в заводских условиях и, наконец, сравнительная дешевизна.
185
Недостатком их является недолговечность (15—20 лет), особенно
надводных частей, находящихся в условиях переменной влажности. Для
предупреждения загнивания древесины и увеличения срока службы со-
оружения до 25—30 лет и более дерево пропитывают антисептиками, не-
растворимыми в воде (например, маслянистыми — креозот, антрацен
и др.). Части деревянных плотин, находящиеся постоянно под водой, со-
храняются неопределенно долгое время. Удлиняют срок службы плотин
правильная эксплуатация и своевременный ремонт.
Для устройства деревянных плотин широко применяют сосну.
Она легко поддается обработке и устойчива против загнивания в усло-
виях переменной влажности. Лиственница также устойчива про-
тив загниваний, но труднее в обработке. Ель легко поддается загнива-
нию, ее следует применять в верхних частях плотины. Дуб — весьма
прочная и стойкая против загнивания порода, но из-за дороговизны и
трудной обработки ее используют лишь в особо ответственных частях
^сооружений.
Рис. 132. Общий вид деревянной плотины:
/ —- предпонурная подушка; 2 — понур; 3 — устой; 4— контрфорс; 5—.водобой; 6—-бык,; 7—стойки
и щиты; 8 — мост; 9 — слив; 10— рисберма; 11 — земляная дамба. -
Применяемый в деревянных плотинах круглый й пиленый'лес дол-
жен удовлетворять требованиям ГОСТ 9463—60.
Деревянная плотина, общая схема которой представлена на рисун-
ке 132, состоит из флютбета, устоев, быков и промежуточных опор (контр-
форсов, стенок). Устои.сопрягаются с естественными берегами 3 или -с
земляными дамбами 11. ' \;...
Отверстие плотины при ширине более 8—12 м разбивают промежу-
точными быками 6 на два и более пролетов. При необходимости пролеты
делятся постоянными 4 или съемными стойками на более мелкие про-
леты, перекрываемые деревянными щитами 7. Для перехода эксплуа-
тационного персонала и маневрирования затворами устраивают служеб-
ный мост 8.
Деревянные плотины обычно подразделяются по следующим основ-
ным признакам: . ' .
1) по способу пропуска воды в нижний бьеф;
2) по конструкции флютбета;
3) по конструкции надфлютбетных частей.
186
По способу пропуска воды различают: щитовые плотины
с затворами на флютбете и водосливные плотины без затворов на греб-
не водослива.
5По конструкции флютбетов различают плотины со свай-
ными флютбетами; плотины с ряжевыми флютбетами и плотины со свай-
но-ряжевыми флютбетами.
По конструкции надфлютбетных частей плотины раз-
деляются на свайно- или стоечно-обшивные, ряжевые и контрфорсные.
§ 2. ФЛЮТБЕТЫ ДЕРЕВЯННЫХ ПЛОТИН
Флютбет состоит из понура, водобоя и сливной части (рис. 133). Для
увеличения пути фильтрации перед понуром часто устраивают пред-
понурную подушку толщиной 0,5—0,75 м из глины или суглинка, укреп-
Рис. 133. Свайный флютбет с повышенным порогом:
/ — глиняная подушка;, 2 — глиняный понур; 3 — водобой; 4 —слив; 5 — рисберма;
б —понурный шпунт; 7 королевый шпунт; 8 — водобойный шпунт или свайный
частокол; 9— деревянная заборка; /0—сваи.
ленную сверху мостовой или фашинами.'Длину подушки принимают от
0,5 до 1 Я (напор) при тщательном сопряжении ее с понурным шпунтом
(рис. 134,о).
Подземный, водонепроницаемый контур флютбета образуется: пону-
рной частью (включающей предпонурную подушку и понур), водобоем
(при загрузке водонепроницаемым грунтом) и шпунтовыми рядами —
понурным, королевым и водобойным (если он нужен по расчету).
Для уменьшения давления воды на затворы часто устраивают флют-
бет приподнятым над дном реки. В этом случае поверхности понура при-
дают уклон otJ/6 до 7ю в сторону верхнего бьефа, а поверхности сли-
ва — от Vs до 912 в сторону нижнего бьефа (рис. 133).
Понур устраивают водонепроницаемым из глины или 'тяжелого
суглинка толщиной 0,6—0,75 м вначале и не менее 1 м у примыкания
его к водобойной части (рис. 134,6). Для предупреждения размыва по-
нур сверху покрывают двойным полом из досок или двойной мостовой.
Водобой воспринимает удар поверхностного потока и противо-
стоит его разрушающему действию. Для напоров более 2—2,5 м водобой
устраивают водонепроницаемым, подпольную его часть заполняют гли-
ной или глинобетоном толщиной не менее 0,5—0,8 лс Выше глины укла-
дывают обратный фильтр из песчано-гравелистого грунта толщиной 0,3—
0,4 м для предупреждения вымыва глинистого, слоя через щели
187
пола поверхностным потоком, а также для отвода профильтровавшейся
воды.
Сливная часть состоит из слива и рисбермы и предназначен^
для отвода поверхностного потока. В связи с ее расширением происхо-
дит гашение избыточной кинетической энергии.
Слив делают водопроницаемым в виде обратного фильтра: внизу
слой крупного песка, затем щебень или гравий и сверху булыжный ка-
мень. Поверхность загрузки покрывают бревенчатым полом из накат-
ника. Такой.пол увеличивает шероховатость и лучше противостоит ле-
доходу.
Рис. 134. Присоединение глиняной подушки к шпунтовому ряду (а)
и понура к водобойной части (б):
пол; 5 — королевый шпунт.
а
1 — насадок; 2 — шапочный брус; 3 — король; 4 — двойной
Рисберма предназначена для предохранения русла реки от раз-
мыва и выравнивания скоростей потока от повышенных в конце слива к
бытовым в нижнем бьефе. Рисберма должна быть проницаемой. Ее вы-
полняют в виде каменной наброски в плетневых клетках, из деревянных
ряжей, заполненных камнем, или же из каменной наброски на слое об-
ратного фильтра.
В плотинах с низким порогом сливная часть служит и рисбермой,
примыкающей непосредственно к водобою.
Фильтрационный расчет флютбета выполняют по методам, приве-
денным в главе III. Для предварительных расчетов длину отдельных
.частей флютбета принимают в следующих пределах: понурной части от
1,5 до 2,5//; водобоя от 2 до ЗН, сливной части (слива и рисбермы)
от 3 до 7Н, где Н — расчетный н^пор на плотине.
При проектировании подземного контура флютбета рекомендуется
иметь в виду следующее:
а) общая протяженность всех вертикальных участков должна со-
ставлять около половины общей длины флютбета;
б) королевый шпунт должен быть забит на возможно большую глу-
бину, но не менее величины напора, при этом должна быть обеспечена
достаточная водонепроницаемость;
в) глубину понурного шпунта принимают на 0,5—1,0 м меньше глу-
бины королевого шпунта; \
г) водобойный шпунт в целях снижения фильтрационного давления
на водобой делают щелистым, заменяя его свайным частоколом или же
деревянной заборкой из пластин на глубину 0,6—1 м.
Глубина забивки шпунтов зависит от рода грунта и сопротивления
его забивке. При установлении глубины забивки следует руководство-
ваться условием, чтобы достижение предела забивки не шло в ущерб
плотности шпунтового ряда. Особенно тщательно следует забивать ко-
ролевый и понурный шпунты, так как их водонепроницаемость служит
гарантией продолжительного срока службы плотины.
188
Предельная глубина забивки шпунтов в зависимости от рода грунта
и толщины шпунтины указана в таблице 23 [147].
Практическую глубину забивки во избежание расстройства шпунто-
вых рядов не доводят до предельной
и ограничивают для дощатых (тол-
щиной 7—10 см) глубиной 3—3,5 м,
а для брусчатых (толщиной 15—
18 см) глубиной 4,5—5 м.
Понурный 6 и королевый 7
шпунтовые ряды (рис. 133) служат
основной преградой против фильт-
рации воды под флютбетом из верх-
него бьефа в нижний, поэтому они
должны быть непрерывны на всем
Таблица 23
Грунт Г лубияа дзабивки шпунтов (л) прн толщине шпун- тины (см)
7 10 15 18
Песок и супесь . . Суглинок, мягкая 2 3 4 5,5
глина .... 3 4 5 6,5
своем протяжении, как в пределах отверстий, так и под всеми промежу-
точными опорами и под всей шириной устоев: понурный вдоль фасадной
лицевой стены, а королевый вдоль простенка устоев.
Рис. 135. Сопряжение шпунтовых стенок,' ряжей с основанием:
/ — шпунтовые стенкн; 2 — продольная стенка; 3 — анкер; 4 — бетонный зуб.
Свайный флютбет устраивают, когда грунт допускает забивку свай,
при напорах, не превышающих 3—3,5 м над дном реки и не более 2—
2,5 м над порогом флютбета, если он приподнят до 1 м. При напорах
до 5—6 м, а также в тех случаях, когда порог флютбета приподнят свы-
ше 1 м, целесообразно устраивать свайно-ряжевый флютбет, у которого
ряжевая нарубка располагается на забитых в грунт сваях (рис. 138).
При грунтах основания, не допускающих забивку свай, устраивают ря-
жевые флютбеты (рчс. 135), состоящие из тех же основных элементов,
что и свайные. Шпунтовые ряды заменяются шпунтовыми стенками из
горизонтальных брусьев; которые заглубляют в траншеи и забивают
глиной (рис. 135, а), или заанкеривают в бетонные зубья (рис. 135, б).
§ 3. СВАЙНО- ИЛИ СТОЕЧНО-ОБШИВНЫЕ
ПЛОТИНЫ
Стоечно-обшивные плотины отличаются от свайно-обшивных лишь
тем, что в них стенные сваи заменены стойками, устанавливаемыми на
специальный брус, уложенный вдоль стенки устоя или быка (рис. 136).
В этих плотинах лицевые стены устоев или быков делают из пластин
или досок, прибиваемых к забитым-в грунт сваям 4 или к стойкам. Для
устойчивости лицевых стен устоя применяются анкерные схватки из плас-
тин или брусьев 1, прикрепляемых одним концом к стеновой свае 4
или стойке, а другим — к специальной анкерной свае 2, забитой в грунт
на расстоянии 4—6 м от лицевой стены. При высоких стенках давление
189
земли настолько велико, что приходится располагать две схватки по
высоте сваи или стойки, что значительно усложняет конструкцию.
Стены быков устраивают таким же образом, причем сваи или стой-
ки, поддерживающие лицевые стены быка, вверху соединяют стяжками.
Пространство, огражденное. лицевыми стенами устоев и быков, засы-
пают грунтом.
Рис. 136. Свайно-обшивная плотина:
а — продольный разрез: б —фасад; / — анкерная схватка: 2 — свая; 3 — служебный мост: 4 —стен* ,
ная свая: 5 — флютбетные сваи; 6— продольный брус. .
< Рйс. 137. Свайный флютбет:
/ — паз для щита; 2 — шпунтовый простенок; рзЖевый береговой устой; 4— пол водобоя;
5 — Шпунтовые стенки; 6 — маячные ‘сван; 7 — связывающий продольный брус; 8 — ряжевый ящик.
190
На рисунке 136 представлен фасад и продольный разрез свайно-
обшивной плотины. Порог плотины расположен на уровне дна реки/
все части флютбета горизонтальны.
Понурный и королевый шпунты, а также все сваи понура и водобоя
соединены продольными связывающими брусьями 7 (рис. 137), которые
заставляют работать все элементы флютбета при действии горизонталь-
ного давления воды, < передаваемого на флютбет.
Свайно- и стоечно-обшивные плотины по сравнению с ряжевыми тре-
буют меньше лесоматериалов (примерно на 30—40%) и меньшего объе-
ма земляных работ по выемке котлована под устои.
К недостаткам этого типа плотин можно отнести следующее: а) они
сложнее в исполнении из-за большего количества соединений, требуют
большого количества железных поковок; б) при работе сооружения в ус-
ловиях переменной влажности соединения сравнительно быстро рас-
страиваются, анкерные схватки загнивают; в) постройка свайно- и сто-
ечно-обшивных устоев высотой более 4 м значительно осложняется
вследствие необходимости устройства двух рядов анкерных схваток. По-
этому этот тип плотин применяется для напоров до 2,5—3 м.
§ 4. РЯЖЕВЫЕ ПЛОТИНЫ
Один из наиболее старых и надежных типов деревянных сооружён
ний — русская ряжевая плотина, которая получила широкое распростра-/
нение. По конструкции ряжевая плотина представляет собой срублен/
ные из бревен ящики (без дна), загруженные камнем' или грунтов
(рис. 137). Ряжевые плотины обычно строят при, напорах 4—6 м, но)
встречаются плотины и для напоров 7—12 м и более. На рисунке 13§/
представлена ряжевая плотина русского типа из вертикальных ряжей,
со свайно-ряжевым флютбетом.
Ряжевые плотины сопротивляются сдвигающим усилиям от давле-
ния воды и грунта преимущественно собственным весом, а также с по-
мощью забитых свай в грунт и шпунтов. Поэтому ряжевые быки, устои
и флютбеты плотин загружают грунтом и камнем и устраивают таких
размеров, чтобы они обладали необходимым весом для обеспечения
устойчивости сооружения.
На грунтах, не допускающих забивки свай, для поддержания сколь-
ко-нибудь значительного напора плотиной приходится развивать флют-
бет в длину и заглублять в основание.
Преимущества ряжевых плотин: простота производства работ, а так-
~же надежность их и большая долговечность по сравнению с другими
типами деревянных плотин. Недостатком ряжевых плотин является
большая потребность в лесоматериалах й значительный объем земляных
работ по отрытию котлованов под устои и загрузке ряжей грунтом и.
камнем. Для уменьшения количества лесных материалов применяют по-
лусквозные конструкции ряжей, наружные стены которых сплошные,
а внутренние сквозные, через одно бревно, с креплением их в пересече-
ниях деревянными нагелями или глухарями.
Расчет ряжевых устоев и быков. Ряжевые устои и быки рассчиты-
вают на устойчивость и прочность.
При расчете ряжевых устоев необходимо установить: вертикальную
силу, передающуюся от загрузки в ряже непосредственно на грунт осно-
вания, — Ps; вертикальную силу Pt, возникающую от трения загрузки
и передающуюся деревянным стенкам ряжа; горизонтальное давление
(распор) грунта за ряжем Е. Полный вес загрузки ряжа:
Q3 = V3HF, ' - - (224)
где уз — объемный вес Засыпки ряжа, т/м3;
Н — высота ряжа;
F — площадь поперечного сечения клетки ряжа (в свету).
191
Рис. 138. Ряжевая плотина русского типа:
/ — понурный шпунт: 2 — королёвый шпунт; ,3 — обратный фильтр; 4 — загрузка камнем; 5 — подготовка из крупного песка.
Величина вертикальной силы ps (рис. 139, а), передающаяся от за-
грузки ряжа на 1 м2 основания, составляет часть от общего веса и опре-
деляется по формуле:
Рз = Ън 0 -«)>
(225)
где п — коэффициент передачи нагрузки.
Полное давление загрузки на грунт основания для одной клетки:
Рис. 139. Расчетная схема ряжевых устоев (а) и график для определения коэффи-
циента передачи (б).
Величину коэффициента передачи п определяют по графику
(рис. 139,6) [147], на котором по вертикальной оси отложены значения
ЛГ г г
отношения —, где п — высота ряжа и а — длина стороны квадратной
клетки ряжа в свету. Величина п зависит от рода загрузки, характери-
зуемой коэффициентом К. Для песка /(=0,2—0,26, для супеси К =
= 0,25—0,3, для глины /(=0,29—0,35 и для каменной загрузки /(=0,16—
0,2. Вертикальная сила Pt, передающаяся от трения загрузки ряжа
деревянному каркасу, будет:
Pt = Q3 - Ps- (227)
Расчет устоев обычно выполняют на длину одной клетки ряжа ши-
риной, равной ширине устоя, и высотой, определяемой от верха насадок
(при свайном основании) или от грунта основания (при ряжевом
флютбете) до верхнего венца ряжа. Устойчивость и прочность устоя
обычно проверяют для участка водобойной части шириной в одну клетку
(на рис. 140 эта площадь заштрихована, У).
Устойчивость устоя на сдвиг будет обеспечена, если сдвигающая си-
ла Е (рис. 140) будет меньше сил трения, возникающих по подошве
устоя.
Горизонтальная сдвигающая сила Е будет:
Е== ~ у^ЬН2т,. (228)
где угр — объемный вес грунта за ряжем, т/л3;
13—1650
193
b — длина рассчитываемой ряжевой клетки, л;
т = tg2(45 — <р/2)—коэффициент, зависящий от рода грунта и
равный для песка 0,356—0,37, для супеси
0,328—0,54, для глины 0,65—0,79 и для камня
0,25—0,27, причем меньшие значения коэффи-
циента соответствуют сухому, а большие —
влажному грунту;
Ф—угол внутреннего трения грунта за ряжем.
Устойчивость ряжевой конст-
рукции против сдвига определяется
коэффициентом устойчивости:
Рис. 140. Схема к определению устой
чивости устоя на сдвиг.
__ flPs + fl (Qk + -Pf)
где и /2 -— коэффициенты трения
грунта засыпки и де-
рева ряжей по плос-
кости сдвига (табл.
24) [178];
QK — вес стенок ряжа с при-
ходящейся на них
временной нагрузкой.
Если коэффициент устойчивости
на сдвиг получился более допускае-
мой величины т] > 1,2, то расчет
устойчивости на опрокидывание и
поверку на перекашивание ряжа не
выполняют.
Напряжения по горизонталь-
ным плоскостям брусьев или венцов ряжа, а также грунта основания
определяют по формуле:
N
<*см г
-Г1
+
- J ’
(230)
где
N = ZPt + QK-
Fr — площадь сечения ряжевых стен (заштрихована на рисун-
ке 140);
М — момент вертикальных и горизонтальных сил относительно оси
О—О;
I — расстояние от оси О—О до даиболёе удаленного волокна се-
чения;
J— момент инерции площади F\ относительно оси О—О.
Если величина оСм получилась больше допускаемого напряжения
на смятие поперек волокон [<тсм], то необходимо увеличить диаметр бре-
вен для нижних венцов лицевой ряжевой стены, где возникают макси-
мальные напряжения <тмакс.
Расчет свайного основания выполняют по СНиП П-Б.6-62.
Плотины из наклонных ряжей. Деревянные ряжевые плотины строят
не только из вертикальных ряжей, но и из наклонных, продольные
стены которых расположены под углом 45° к горизонту. В наклонно-
ряжевых плотинах направление давления воды совпадает с направле-
нием ряжевых стен, и поэтому бревна работают главным образом на
сжатие поперек волокон. Такие плотины обладают лучшей устойчи-
194
востью на сдвиг благодаря наличию вертикальной составляющей давле-
ния воды на наклонную напорную грань. Однако в них затруднено
устройство врубок сопряжения вертикальных и наклонных ряжевых
стен, а также с вертикально-ряжевыми устоями и быками.
На рисунке 141 представлена ори-
гинальная конструкция Шаваньской
водосливной плотины высотой 12,9 м
из наклонных ряжей, построенной на
Беломорско-Балтийском водном пути.
Напорная водонепроницаемая
грань плотины наклонена под углом
45° к горизонту; давление воды, нор-
мальное к напорной грани, передается
вдоль всех ряжевых стен на скальное
основание, в котором сделаны канавки
для нижних венцов ряжевых стен, за-
ливаемых бетоном. Оголовок плотины
очерчен по кривой подающей струи и
выполнен из двух рядов брусьев. Для
предохранения гребня от повреждений
плавающими телами и льдом по греб-
Таблица 24
|Коэффи- I
циентДтре-
НИЯ]/ |
Дерево по дереву вдоль волокна насухо . . . Дерево по дереву попе- рек волокон в воде . . Ряжи по песку в воде . То же, насухо .... То же, по каменной на- броске , Ряжи с глинобетоном по суглинку То же, по глине .... То же, по скале .... 0,50 0,70 0,35 0,45 0,60 0,30 0,20 0,35
ню плотины уложены изогнутые по профилю оголовка рельсы. Два ниж-
них ряда ряжевых клеток упираются в бетонный массив, заанкеренный
в скалу. Примерно на середине плотины устроена водонепроницаемая
Рис. 141. Шаваиьская водосливная плотина нз наклонных ряжей:
а — поперечный профиль плотины; б —разрез водонепроницаемой диафрагмы; 1 — слоистая песчано-
торфяная диафрагма; 2 — круглые отверстия в напорной грани; 3, 4 — круглые отверстия в сливной
грани; 5 — квадратные отверстия в стенках ряжей внутри плотины; 6 — анкеры; 7 — бетонный зуб;
8 — прокладка из войлока на смоле; 9 — понур из грунта.
горизонтальная диафрагма 1 толщиной 0,75 м из двух слоев торфа, раз-
деленных слоем песка с обратными фильтрами сверху толщиной 40 см
и снизу толщиной 1 м (рис. 141,6). Назначение диафрагмы — удержи-
вать внутри верхней части плотины воду, поступающую через небольшие
круглые отверстия 2 в напорной грани и выходящую через отверстия 3
вверху и через отверстия 4 внизу сливной грани; внутри профиля вода
поступает в ряже через квадратные отверстия 5. Это позволяет держать
дерево ряжей постоянно смоченным, что предохраняет его от гниения;
вода, заполняющая тело плотины выше диафрагмы, увеличивает вес его
и, следовательно, сопротивление сдвигу.
13*
195
<&&&&&&&
3fU^-30
41
Рис. 142. Контрфорсная плотина:
в — разрез по оси; г — разрез по контрфорсу устоя; д — простой стоечный контр-
а — фасад и разрез I—I; б —план: с , - г—г— — -------
форс; е — пролетный контрфорс, обшитый пластинами с двух сторон; / — лицевой контрфорс; 2 н 3 — береговые контрфор-
сы; 4 — внутренний контрфорс; 5 — подкос; 6 — стойка; 7 —связывающие брусья. ‘

xtb
7-1

и-п
§ 5. КОНТРФОРСНЫЕ ПЛОТИНЫ
Контрфорсные плотины состоят из отдельных опор, располагаемых
на определенном расстоянии одна от другой. К таким опорам, называе-
мым контрфорсами, прикрепляют горизонтальные упорные брусья
и вертикальные стойки, на последние опираются затворы (рис. 142).
Контрфорсы воспринимают горизонтальные усилия от затворов и
передают их упорному брусу флютбета или непосредственно на- грунт
основания. Кроме того, контрфорсы воспринимают вертикальную на-
грузку от служебного и проезжего мостов, являясь их промежуточными
опорами. Они меньше стесняют живое сечение реки, чем быки (ряжевые
или стоечно-обшивные), рационально используют лесоматериал и вы-
держивают значительные нагрузки.
Контрфорсы располагают по линии королевого шпунта на расстоя-
нии от 3 до 5 м в отверстии плотины, а в промежутках устанавливают
стойки. Береговые контрфорсы располагают через 2—3 м от лицевой
грани, причем по мере удаления от лицевой грани устоя длина и высота
контрфорса уменьшается (рис. 142,6).
По конструкции различают контрфорсы сквозные (свайные и стоеч-
ные) и сплошные. Свайный контрфорс состоит из 3—4 свай </ = 24—
26 см, забиваемых вблизи свай флютбета на расстоянии 1,5—2,5 м
друг от друга и соединенных между собой подкосами </ = 20—24 см, а
сверху горизонтальной насадкой (рис. 142, г).
Стоечные контрфорсы возводят как на свайных, так и на ряжевых
флютбетах. В этих контрфорсах высокие сваи (вызывающие трудности
при их забивке) заменены стойками, врубаемыми в упорные брусья
(рис. 142, д). Стойки могут быть одиночными и двойными, в зависимости
от величины напора.
Для того чтобы придать большую жесткость контрфорсу, а также
избежать повреждения льдом или плавающими телами, пролетные
контрфорсы обшивают пластинами с двух сторон (рис. 142, е), а бере-
говые— только со стороны отверстия. Находящиеся в дамбах или бере-
гах контрфорсы не обшивают. Ширину контрфорса принимают от 0,3
до 0,7 м.
Контрфорсные плотины устраивают обычно для напоров 2,5—3 м
и, как исключение, для напоров 5—6 м. Они требуют лесоматериалов
примерно на 50% меньше, чем ряжевые, и на 25—30% меньше, чем
свайно-обшивные, а также меньшего объема земляных работ.
Недостаток плотин этого типа — трудность создания водонепрони-
- цаемой напорной стенки, опирающейся на береговые контрфорсы, и
надежного соединения с берегами. Контрфорсные плотины строят
теперь сравнительно редко.
Глава XII
ВОДОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ПРИ ГЛУХИХ
ПЛОТИНАХ
§ 1. СОСТАВ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ
При глухих плотинах для пропуска излишних паводковых вод, для
полезных попусков из водохранилища, а также для спуска воды с целью
полного или частичного опорожнения водохранилища устраивают водо-
пропускные сооружения.
Сооружения, устраиваемые при глухих плотинах для сброса излиш-
них паводковых вод, называются водосбросными или водосбро-
сами.
197
Накопленная в водохранилище вода используется в народном хо-
зяйстве на орошение, водоснабжение, обводнений, получение гидроэлек-
троэнергии и т. д. Для забора воды из водохранилища при плотинах
устраивают водозаборные сооружения (водовыпуски), при
Рис. 143. Водохранилищный узел сооружений:
/ — земляная плотина; 2 — водонаборное сооружение; 3 — водоспуск; 4 — подводящий канал; 5 — мост
через сбросной канал; 6 —сбросной канал; 7 — сопрягающее сооружение (быстроток); 3 —отводящий
канал; 9— тальвег; 10 — лиманнь® канал; II — водозаборное сооружение лиманного канала; —ле-
доудерживающие свай; 13 — водосливной порог; 14 — магистральный канал.
помощи которых вода подается в оросительные, обводнительные или де-
ривационные каналы (рис. 143).
Для полного или частичного опорожнения водохранилища в связи
с осмотром или ремонтом сооружений, расположенных в верхнем бьефе,
198
для промыва или очистки наносов, отложившихся в водохранилище, а
также для освежения воды в рыбоводных прудах устраивают водо-
спуски (донные выпуски). Отметку порога водосиуска>_ра.сполагают
на самой пониженной части тальвега долины.^
В. отдельных случаях некоторые типы’водопропускных сооружений
одновременно могут быть водосбросными, водозаборными и водо-
спускными.
На рисунке 143 представлен водохранилищный узел сооружений, на
котором показан береговой водосброс в виде канала 6 с сопрягающим
сооружением в конце 7, водозаборное сооружение 2 с магистральным
каналом 14, водоспуск 3, соединенный каналом с тальвегом 9, и лиман-
'ный канал 10.
Водосбросы при глухих плотинах устраивают, как правило, вне тела
плотины. Их разделяют на водосбросы управляемые с затворами
и автоматические.
§ 2. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВОДОСБРОСЫ С ЗАТВОРАМИ
Водосбросные сооружения должны обеспечивать пропуск расчетных
максимальных расходов половодья и ливневых паводков в периоды, ког-
да водохранилище наполнено до расчетного уровня воды. За критерий
при назначении расчетной величины максимального расхода, который
должен быть пропущен через водозаборные сооружения, принимают
ежегодную вероятность превышения этой величины (СНиП Н-И.7-65):
Класс капитальности сооружения I II III IV
Расчетная ежегодная вероятность превыше- ния, % • • 0,01 0,1 0,5 1
На управляемых водосбросах порог располагают ниже нормального
подпорного уровня воды верхнего бьефа, водослив оборудуют затвора-
ми, позволяющими регулировать величину пропускаемого расхода и,
следовательно, уровни воды в водохранилище.
На всех крупных гидроузлах с большими паводковыми расходами
устраивают управляемые водосбросы. На рисунке 144 представлен водо-
заборный узел сооружений Кубань-Калаусской обводнительно-ороси-
тельной системы. В состав гидроузла входят: земляная плотина 1 высо-
той 34 м, катастрофический сброс-быстроток 2, 3, 4, водозаборное соору-
жение, подающее воду в магистральный канал 6.
Катастрофический сброс состоит из регулятора 2, быстротока 3 и во-
добойного колодца 4, Он рассчитан на пропуск расхода 1440 м31сек,
имеет четыре пролета по 12 м, которые перекрываются сегментными за-
творами. Напор перед затворами 5,3 м.
Водозаборное (головное) сооружение имеет четыре пролета по 8 м,
перекрываемых сегментными затворами с напором перед ними 4 м.
Порог водозаборного сооружения возвышается над дном криволинейно-
го подводящего канала 7 на 2,7 м. Водозаборное сооружение и ма-
гистральный канал рассчитаны на пропуск расхода 180 м3[сек.
На фотографии показан катастрофический сброс-быстроток в ра-
боте. •
Автоматические водосбросы имеют некоторые преимущества перед >
управляемыми: при эксплуатации они не требуют наблюдения за изме- (
нениями уровня воды в верхнем бьефе и регулирования величины сбра-
сываемого расхода. В автоматических водосбросах водосливной порог
199
Катастрофический сброс-быстроток головного узла Кубань-Калаусского канала
(вид с нижнего бьефа).
сооружения располагают на отметке нормального подпорного уровня
верхнего бьефа и перелив воды происходит автоматически при превыше-
нии уровней в водохранилище — уровня порога. Пропуск паводка сопро-
вождается повышением верхнего бьефа обычно в пределах 0,75-—1,25 м.
При этом происходит временное дополнительное затопление прибреж-
ной полосы водохранилища.
Рис. 144. Головной узел Кубань-Калаусского канала:
/ — земляная плотина; 2 —регулятор: 3 — быстроток; 4 — водобойный колодец: 5 — водозаборное
сооружение; 6 — магистральный канал; 7 — криволинейный подводящий канал.
200
§ 3. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ
ВОДОСБРОСНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Береговые водосбросные каналы. При постройке невысоких земля-
ных плотин (3—5 л«) на суходольной балке в качестве водосброса можно
использовать естественную седловину между балками (рис. 145). Если
отметка поверхности седловины совпадает с отметкой нормального под-
порного уровня водохранилища, то паводковые воды будут стекать
в обход плотины через задернованную седловину в соседнюю балку ни-
же плотины. В других случаях по трассе сброса делают искусственный
канал, дно которого соответственно заглубляют и укрепляют местными
материалами: камнем, хворостом, фашинами, плетнями и др.
Для средних и крупных водохранилищ водосбросный канал распо-
лагают чаще всего вблизи или непосредственно в примыкании плотины
к берегу'(рис. 143). Наиболее благоприятны для этого водосброса по-
логие берега и широкие террасы.
Водосброс состоит из подводящего канала 4 и водосливного порога
/3, сбросного канала 6, сопрягающих сооружений 7 и отводящего кана1
ла. Сопрягающие сооружения в конце сбросного канала в зависимости
от рельефа местности делают в виде быстротока, перепада или консоль-
ного сброса (см. главу III).
Подводящий канал имеет большое сечение, обеспечивающее про-
пуск расчетных расходов воды при относительно небольших скоростях
течений, что позволяет обойтись без крепления откосов и дна канала, за
исключением сужающегося участка, прилегающего к водосливному по-
рогу, где начинается увеличение скоростей потока. Дно подводящего
ка'нала горизонтально или имеет незначительный обратный уклон.
Водосливный порог выполняют из бетона или каменной кладки на
растворе. Он представляет собой водослив с широким порогом или во-
дослив практического профиля, плавно сопрягающийся с подводящим
и сбросным каналами.
Траншейные водосбросы. При больших сбросных расхода^ и кру-
тых склонах долины устройство фронтального автоматического водо-
сброса затруднено, так как связано либо со значительным развитием
14—t65O 201
длины водосливного порога и ширины водосбросного канала, либо с уве-
личением напора на пороге до 2,5—4 м, что повысило бы высоту плоти-
ны и, как следствие, ее стоимость.
В тачрх случаях, особенно если берега сложены скальными или по-
лускальными породами, выгодно применять траншейные водосбросы.
У таких водосбросов водосливной порог расположен вдоль горизонталей
берегового склона (рис. 146), и на участке водослива поток движется
с увеличением расхода вдоль пути. Из траншеи 1 водный поток поступа-
ет в сбросной канал 2, по которому движется к сопрягающему соору-
жению 3 и сбрасывается через отводящий канал 4 в тальвег.
Рис. 146. Траншейный водосброс:
/ — траншея; 2 — сбросной канал; 3 — сопрягающее сооружение; / — отводящий канал;
5 — плотина; 6 — мост; 7 — сливной порог.
Переливающаяся вода, попадая в сбросную траншею, меняет на-
правление движения (примерно на 90°), образуя довольно'сложное
винтовое движение в самой траншее.
Вследствие сложности движения воды в траншее имеются лишь при-
ближенные методы гидравлического расчета такого сооружения [1].
Проф. Е. А. Замарии предложил простой способ расчета траншеи,
заключающийся в проверке и уточнении предварительно выбранных ее
размеров. Из экономических и эксплуатационных условий устанавлива-
ют величину подъема паводкового уровня Н над нормальным подпор-
ным; уровнем водохранилища. Уровень воды в траншее не поднимают
выше 0,4 Н, иначе будет происходить подтопление водослива и снижение
его пропускной способности. _
Длину водосливного порога определяют из уравнений истечения че-
рез свободный или затопленный водослив: “
L — или £ =------_ (231)
mojYig Н3/г qhV2g г
где Н — напор на .пороге водослива, м\
ср — коэффициент скорости;
h — глубина воды на Пороге водослива в конце входного участка, Л;
г — разность уровней воды перед порогом и на пороге водослива, м.
202
Размеры траншеи намечают, исходя из допускаемой скоростихече-
ния. Скорость течения в траншее .^близка к величине, определяемой по
формуле v= ф]/ 2gz, где z разность уровней в водохранилище
и в рассматриваемом створе траншеи.
Водослив по длине, разделяется на створы (участки х). Предвари-
тельно задаваясь величиной средней скорости и шириной траншеи по
дну, постепенно расширяющейся к ее концу, расходы, проходящие через
соответствующий створ, определяют по формуле;
Qx = тй х У 2g Нг/‘м3/сек, ' (232)
где т6—коэффициент расхода, равный 0,36;
х—расстояние от торца траншеи до соответствующих створов, м.
Средние глубины в каждом створе находят по формуле:
Л = —,
bv
где b — ширина траншеи в створах, м;
v — скорость течения в створах, м)сек.
Далее определяют гидравлические радиусы и гидравлические
уклоны:
к2па
(233)
п— коэффициент шероховатости; значение его принимают повышенное,
равное 0,02, учитывая весьма бурные формы потока в траншее.
Зная уклоны в каждом створе, находят средние значения их между
створами icp=0,5(i„ + in+i), определяют потери напора hw между ними
(hw = Иср м, где I — расстояние между створами, м), по которым строят
очертание дна траншеи.
Земляные водосбросы с боковым сливом. Сопрягающие сооруже-
ния (быстротоки, перепады и др.) — наиболее дорогая и сложная часть
водосбросов, поэтому при невысоких плотинах стали применять земля-
ной водосброс с боковым сливом, где отсутствует сопрягающее соору-
жение (132].
Этот тип водосбросов получил широкое распространение при не-
больших прудах сельскохозяйственного назначения (в Краснодарском
крае,,в центрально-черноземной полосе и Заволжье).
Земляной водосброс с боковым сливом основан на принципе рассре-
доточения потока, когда паводковый расход тонким слоем (10—15 см)
выводится на естественный склон балки и затем с малыми скоростями
при удлийенном-фронте слива сбрасывается в тальвег по естественно
задернованному или облесенному склону (рис. 147).
Водосброс с боковым сливом состоит из входной части, подводяще-
го канала, сливного порога и сливного склона.
Ширину входной части, как и ширину подводящего канала, опреде-
ляют гидравлическим расчетом.
Концевую часть подводящего канала в пределах сливного порога
делают переменной ширины с обратным уклоном дна.
Сливной порог представляет собой горизонтальную площадку ши-
риной 2—3 л и длиной Вп, размещенную параллельно горизонталям
склона балки и закрепленную одерновкой или каменной отмосткой. По
всей длине сливной порог имеет одинаковую отметку, равную отметке
нормального подпорного уровня или немного меньше нее.
Длину сливных порогов назначают в пределах 20—80 м, в зависи-
мости от поперечного уклона и задернованности сливного склона.
14-
203
Земляные водосбросы с боковым сливом можно применять при пру-
дах, имеющих разность бьефов не свыше 4—5 м- ровных и пологих, хо-
рошо задернованных склонах с поперечными уклонами не свыше
0,15—0,2 и продольными — не более 0,01; сбросных расходах до 10—
12 м3!сек.
Рис. 147. Земляной водосброс с боковым сливом:
а — разрез по оси водосброса; б — план; в — поперечный разрез сливиой части; г — план слнвиой
i части; / — входная часть; 2 — подводящий канал; 3 — сливиой порог; 4 — сливиой склок.
При водосбросах с боковым сливом обязательно устраивают при
пруде донный водоспуск для сброса малых послепаводочных_.расходов и
своевременного выключения из работы земляного водосброса.
Ковшовый водосброс. Этот тип водосброса работает в таких же
условиях, как и траншейный водосброс? Водосливная кромка образуется
устройством ковша, в который с трех сторон сливается вода (рис. 148).
Водослив устраивают по типу тонкой стенки, чем обеспечивается боль-
ший коэффициент расхода (р = 1,86 против 1,6—1,62 для донного поро-
га), а следовательно, меньшая длина водослива. Вода отводится из
ковша по напорным трубам или по быстротоку-[80].
Спокойная работа (без срывов) напорного трубопровода обеспечи-
вается плавно расширяющимся входом в него, с превышением уровня
в ковше над входом в трубы на 30—50 см.
Водослив рассчитывают по формуле (231), а трубы при истечении
воды под уровень — по формуле:
Q = |ш V2gz0 , (234)
204
где со—живое сечение труб;
г0—разность уровней в ковше и за трубами;
р,— коэффициент расхода, определяемый по сумме величин коэф-
фициентов местных потерь £ трубы (на вход, на повороты, на
выход и на трение):
-Ь,. (235)
V S5
В конце труб устраивают различной конструкции гасители энергии.
Рис. 148. Ковшовый водосброс:
а — план входной части; б — общий план водосброса; 1 — земляная плотина; 2 — сбросные трубы
или быстроток; 3 — ковш; 4—направляющая ныряющая стейка; 5 — водослив; 6 — крепление дна;
7 — плавный переход.
Сифонный водосброс. Сифонные водосбросы находят все большее
применение в гидротехнике, так как обладают большей удельной про-
пускной способностью по сравнению с открытыми водосбросами. Сброс
воды сифоном производится автоматически, с фиксацией отметки уровня
верхнего бьефа с точностью 10—20 см.
На рисунке 149 представлен сифонный водосброс при земляной пло-
тине. Водослив сифона 1 располагают на отметке нормального уровня;
передняя часть трубы имеет расширенный вход 4 и для предупреждения
захвата воздуха и мусора козырек заглубляется под уровень на 0,7—1 м\
в козырьке нли в раздельных стенках между трубами сифонов на уров-
не водослива делают так называемые воздушные отверстия 2, а на внут-
ренней сливной стенке сифона — носик-отражатель 5.
Принцип действия сифона заключается в следующем; при поднятии
уровня выше водослива затапливаются воздушные отверстия 2 и тем са-
мым полость сифона разобщается с наружным воздухом сверху; стекаю-
щая струя носиком-отражателем 5 отбрасывается к противоположной
стенке, образуется водяная пленка, которая разобщает полость сифона
с наружным воздухом снизу. Струя воды постепенно всасывает воздух,
205
и, когда вакуум достигает высоты водяного столба, равного высоте тру-
бы над водосливом, происходит внезапное включение (зарядка) сифона
в работу полным сечением. Включение сифона происходит при поднятии
уровня верхнего бьефа над гребнем водослива на 0,15—0,25 м.
По мере сработки уровня верхнего бьефа обнажаются воздушные
отверстия в козырьке, происходит разрядка сифона, то есть прекращает-
ся его работа.
В больших плотинах при истечении в атмосферу для изоляции внут-
ренней полости сифонов с наружным воздухом устраивают водобойный
колодец (рис. 149,6). Сифон проверяют на допустимый в нем вакуум,
который не должен превышать 8,0—8,5 м вод. ст.
Рис. 149. Сифонный водосброс:
а — при земляной плотине; б — прн бетонной плотине; /— гребень водослива сифона; 2 — воз-
душные отверстия; 3 — козырек; 4 —входное отверстие; 5 — отражатель; 6—сбросная труба;
7 — водобойный колодец.
Расход сифона определяют по формуле:
Q = цю V2gH0, (236)
где р — коэффициент расхода, равный 0,65—0,85;
< ® —площадь выходного сечения трубы;
Но— разность уровней воды перед входом в сифон и выходом из не-
го с учетом скорости подхода.
Чтобы не создавать большой волны попуска за сифоном, его делают
из нескольких труб (батарея сифонов), у которых отметки водосливов,
как и воздушных отверстий, разнятся на 5—10 см, при этом сифоны
включаются в работу последовательно, сначала сифон с водосливом на
отметке нормального подпорного уровня, затем с водосливом, отметка
которого выше на 5 см, и т. д. Выключаются сифоны тоже постепенно,
когда обнажаются воздушные отверстия.
Из недостатков сифонов следует указать на возможность замерза-.
ния воды над козырьком в воздушных отверстиях, относительную слож-
ность конструкции, ее закрытые формы, затрудняющие осмотр.
Шахтный водосброс. Шахтные водосбросы обычно устраивают при
узких скальных ущельях с крутыми склонами, их можно применять при
значительных напорах й больших расходах. ,
206
Шахтный водосброс представляет собой кольцевой водослив (во-
ронку), сбрасывающий воду в нижний бьеф через вертикальную шахту
и отводящий туннель (рис. 150). Отводящий туннель вначале исполь-
зуют для пропуска строительных расходов, а при возведении плотины
устраивают шахтный водо-
сброс 3, который присоеди-
няют к туннелю 1, входную
часть его, перед шахтной, за-
делывают бетонными проб-
ками 4.
Входную"воронку в пла-
не следует размещать так,
чтобы был обеспечен плав-
ный и равномерный подвод
воды по всему периметру
гребня кольцевого водосли-
ва. Лучше всего центр шах-
ты располагать на естест-
венной площадке берега во-
дохранилища. Чтобы не до-
пустить винтовое движение
воды в шахте, на гребне во-
ронки по радиусам ставят
железобетонные, бычки, на-
правляющие движение пото-
ка. В некоторых сооружени-
ях между бычками на греб-
не устанавливают затворы,
действующие обычно авто-
матически.
г
Рис. 150. Шахтный водосброс:
Для водосливов больших
размеров, если (6-J-7) Н
(Н — напор на гребне водо-
слива), воронку устраивают
с плоским наклонным греб-
нем (рис. 150,е). Длину ко-
нической части гребня, счи-
тая по .течению, принимают
в пределах:
L = (3 4) Н или L = (0,4 н-
^5)7?,
а угол наклона;а=6-^-9°.
а — разрез; б — план; в-—всронка с плоским наклон-
ным гребнем; г —воронка с плавным очертанием без
конической части; 1—туннель; 2—иеремычка; 3—шахт-
ный водосброс; 4 — бетонные пробки; 5 — земляная
плотина.
Расход через шахтный водосброс определяют по формуле свобод-
ного водослива:
Q = mb У2g Н41 — т2яЯ V~2g Н’/г,
(237)
где т—коэффициент расхода, при наличии плоского участка т = 0,36;
7?—радиус водослива;
Н—напор’ на водосливе.
Радиус воронки при отсутствии быков на гребне определяют для
заданных Q и Н по формуле;
Q
(238)
а при наличии на гребне быков по формуле:
=------+ n0 s), (239)
2lr \ em H3f‘ /
где п0 — число быков;
S — ширина быка в верхней части гребня;
е — коэффициент сжатия, равный в среднем 0,90.
Для увеличения пропускной способности шахтного водосброса
иногда воронку устраивают с плавным очертанием без коцической части
гребня (рис. 150,г), в этом случае будем иметь:
2Н < R < 5 Н.
(240)
Коэффициент расхода в формуле (237) /п = 0,46.
Радиус воронки определяют по формуле (239).
§ 4. ВОДОВЫПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
При земляных плотинах водовыпускные сооружения строят двух
видов: 1) водозаборные сооружения (водовыпуски) для забора воды на
орошение, водоснабжение и для других целей и 2) водоспуски, предна-
значенные для частичного или полного опорожнения водохранилища.
Рис. 151. Водовыпуск по типу напорной трубы:
/ — крепление верхового откоса; 2 — входной оголовок трубы; 3 — диафрагмы; 4—смотровой коло-
дец и задвижка; 5 — водобойный колодец.
Водовыпуски рассчитывают на расход, требуемыйг потребите-
лем. .При небольших напорах водррыпуск.можно устроить, уложив под
плотштпйпид"хотфяжение-цб“со склоном балки металлическую трубу.
Ее укладывают на плотный естественный грунт и для предупреждения
фильтрации вдоль трубы ставят несколько диафрагм 3\из глинистого
грунта или бетона (рис. 151). Затвор или задвижку обычно ставят в
конце трубы, но при неполной сработке водохранилища целесообразно
затвор ставить в начале трубы с устройством приспособлений для управ-
ления затвором. В. конце водовынуска предусматривают гасители
энергии.
" При сработке водохранилища до 6—7 м применяют водовыпуски
по типу безнапорных труб из бетонных или железобетонных звеньев
(рис. 152).
При напоре более 8 м применяют башенные водовыпуски. Башни
трубчать1Х~Бо‘Дбвьшусков могут служить не 'только для управления за-
творами, но часто используются и для забора воды с разных уровней,
через щитовые отверстия, располагаемые на различной высоте башни и
открываемые по мере сработки водохранилища. Это особенно важно при
подаче воды на водоснабжение, так как позволяет забирать воду из наи-
более чистых слоев.
208
Рис. 152. Входная часть водовыпуска по типу безнапорных труб:
а —продольный разрез; б — план; в — фасад; / — входная часть; 2—бетонный оголовок;
3 — труба; 4 — служебный мост; 5 — затвор.
Рнс. 153. Башенный водовыпуск:
/ — входной оголовок; 2—подводящая труба; $ —башня; £ —служебный «ост; 5 —отвод-
ная труба; 6 — водобойный колодец.
Сбросное сооружение ОтказнеискогО водохранилища.
На рисунке 15В показан башенный водовыпуск с глубиной воды пе-
ред башней не более 8—10 м. Подводящая труба напорная, отводная
труба безнапорная; она забирает воду из башни из-под щита и без
прыжка пропускает ее с большими скоростями, которые гасятся в водо- 1
бойном колодце за плотиной.
Трубы чаще применяют сборные железобетонные; в примыкании к
башне они должны иметь возможность независимой от башни осад-
ки. Это достигается устройством конструктивно-осадочного шва, до-
пускающего различные осадки башни и трубы без нарушения проти-
вофильтранионного уплотнения. Трубы укладывают на подготовку из
тощего бетона толщиной 30—50 см; для предупреждения опасной фильт-
рации вдоль труб на них устраивают ребра-диафрагмы высотой 0,4—1 м,
располагая их в местах стыков отдельных звеньев труб. -
Для возможности периодического осмотра и своевременного ремон-
та иногда трубы укладывают в особой галерее (рис. 154)., которую в
период постройки плотины используют как строительный водосброс.
Укладка труб в галерее значительно облегчает их монтаж и последую-
щую эксплуатацию. Внутреннее сечение галереи—должнО' обеспечивать
размещение прокладываемых внутри металлических труб и возможность
свободного прохода.
Водоспуски обычно устраивают в теле плотины, и па конструк-
ции они могут быть открытыми и закрытыми (трубчатыми).
Открытые водоспуски располагают чаще всего в наиболее понижен-
ной точке тальвега или ручья. Они представляют собой водосливные от-
верстия в теле плотины с низким порогом, перекрытые затворами, пред-
назначенными для регулирования расходов, а также для полного опо-
рожнения водохранилища. Открытые водоспуски применяют при
плотинах небольшой высоты (до 5—6 м), напор на пороге водоспуска
не превышает 3—4 ж
210
При водохранилищах больших объемов с плотинами высотой бо-
лее 5—6 м устраивают закрытые (трубчатые) водоспуски с затворами.
По конструкции трубчатые водоспуски не отличаются от водовыпускрв,
Рис. 154. Башенный водовыпуск с напорными трубами
в галерее:
/—подводящий канал; 2— башня; S — затворы; 4 — трубы;
S — галерея.
только порог водбспусков располагают в наиболее пониженной точке
тальвега и диаметр трубы водоспуска подбирают с таким расчетом, что-
бы обеспечить спуск оставшегося объема воды в водохранилище посте-
пенно, в течение заданного срока (30—40 суток).
Раздел 5
БЕТОННЫЕ
И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ПЛОТИЦЫ
Глава XIII
ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН.
ПЛОТИНЫ НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
$ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ
Гравитационной называется плотина, устойчивость которой против
сдвига обеспечивается силой тяжести. Сдвигу плотины препятствуют
силы трения и сцепления, возникающие по контакту между подошвой
плотины и основанием.
Гравитационные плотины возводят водосливные (рис. 155, а, в) и
глухие (рис. 155,6).
Основным материалом для современных гравитационных пЛотин
служит бетон. В различных зонах профиля плотины бетон испытывает
различные напряжения и физико-механические воздействия,- поэтому
для экономии цемента следует предусматривать зональное распределе-
ние различных марок его по поперечному профилю.
Требования морозостойкости предъявляются к бетону, расположен-
ному в пределах переменных уровней воды и выше. Водонепроницаемым
должен быть бетон наружного контура профиля плотины в пределах
переменных уровней воды и ниже, включая подошву сооружения. Бе-
тон внутренней зоны должен быть низкотермичным во избежание зна-
чительного разогрева этой зоны плотины вследствие экзотермии бетона
и последующего трещинообразования. Отказ от зонального распреде-
ления бетона допускается только при небольшой высоте плотины и ма-
лом объеме бетонных работ.
Водонепроницаемость и морозостойкость обеспечиваются приготов-
лением плотного бетона при предельно возможном малом водоцемент-
ном отношении, равном 0,55—0,60. Морозостойкость повышается введе-
нием воздухововлекающих добавок. Для экономии цемента в бетон
втапливают камни размером 20—40 см.
Бетонные гравитационные плотины рекомендуется располагать на
скальных основаниях, обладающих однородной по площади основания
деформируемостью и фильтрационной прочностью.
К скальным породам относятся изверженные, метаморфические и
осадочные породы, обладающие пределом прочности при сжатии в водо-
насыщенном состоянии не менее 50 кг/см2 [131].
Поверхность скалы, на которую укладывается бетон, должна быть
здоровой, без трещин. С этой целью последние 0,5—0,8 м выемки скалы
удаляют вручную. Сильнотрещиноватые зоны основания цементируют.
Глубина скважин составляет 5—15 м. Цементация — наиболее эффек-
тивное и распространенное средство упрочнения и уплотнения скальных
пород. Перед укладкой бетона основание очищают струей воды, метал-
лическими щетками, иногда сжатым воздухом.
В большинстве случаев гравитационные бетонные плотины проек-
тируют треугольного профиля. Учитывая значительную протяженность
плотины по сравнению с размерами поперечного сечения, при статиче-
212
ских расчетах работу сооружения рассматривают в условиях плоской
задачи.
Для определения напряжений в теле плотины пользуются методами
сопротивления материалов. При расчете выделяют в направлении оси
Рис. 155. Отдельные части и элементы бетонной гравитационной плотины:
а — массивная водосливная плотина средней высоты на слабом скальном основании; б — массивная
глухая плотина средней высоты на прочном скальном оснований; в — высокая плотина с расширен-
ными швами на прочном скальном основании; 1 — водосливной оголовок; 2 — верховая (напорная)
грань плотины; 3 — низовая грань водосливной плотины (водосливная грань); 4 — подошва плотины;
5 — основание плотины; 6 — верховой зуб; 7— противофильтрационная завеса; 8 — цементационная
галерея; 9— дрены тела плотины; 10— дренажные скважины основания плотины; // — смотровые
галереи; 12 — дренажная галерея; 13 — промежуточный бык водосливной плотины; 14 — береговой
устой; 15 — водосливной носок трамплина; 16 — шандорные пазы; /7 — паз рабочего затвора; 18 — вре-
менное водопропускное отверстие (строительный водосброс); 19— пазы верхнего затвора строитель-
ного водосброса; 20— пазы низового заграждения строительного водосброса; 21 — температурные
швы; 22 — расширенные температурные швы; 23 — смотровой колодец; 24— противофильтрационные
шпонки; 25 — водобой; 26— плогцадный дренаж основания; 27 — гасители энергии; 28 — гребень глу-
хой плотины; 29— низовая грань глухой плотнны; 30— низовой водосливной носок с расщепителем;
31 — служебный мост; 32 — железнодорожный мост; 33 — автомобильный мост.
сооружения участок длиной 1 м. Для плотин с расширенными швами
(рис. 155, в) при расчете рассматривают целиком одну секцию между
смежными швами.
При проектирований экономичного поперечного профиля плотины
следует исходить из условий: 1) отсутствия растягивающих напряжений
в плотине и 2) обеспечения устойчивости ее против сдвига.
Для определения ширины плотины по первому условию рассмотрим
[60] участок плотины длиной 1 пог. м, сечением в виде треугольника
ACD (рис. 156), высотой//, прн заложении верховой грани т^В и низо-
вой^!—т^В, где В — ширина плотины понизу. На плотину действуют:
сила тяжести плотины G; горизонтальная Wj и вертикальная 1Г2 состав-
ляющие давления воды верхнего бьефа; фильтрационное давление С/ф
с эпюрой в виде треугольника высотойах Н, причема1<1.
Нормальнее краевые напряжения в горизонтальных сечениях
где М— момент всех сил относительно центра тяжести сечения;
Р — сумма вертикальных сил, приложенных к плотине.
Величины сил, указанных/на рисунке 156:
КН тм ___ Н2 пп ____ КН г г Qi КН
6-Yi —; — = (/ф = у-!у-, (242)
213
где у и Yi—объемные веса воды и тела плотины.
Из условия отсутствия растягивающих напряжений на напорной
грани (о< =0) определим минимальную ширину плотины В при верти-
кальной напорной грани (mi = 0):
4
В =--- 11 , (243)
V4-
Рис. 156. Схема к расчету
треугольного профиля пло-
тины (О0 и <Т0—краевые
напряжения при опорож-
ненном водохранилище).
Таким обпазом. лл
то есть В зависит от фильтрационного давле-
ния в основании. При ai = 0,5 и yi=2,4 т/м3,
значение В — С,73Н. При снятии противодавле-
ния (ai = 0 и В = 0,65 Н) ширина В сокращает-
ся и уменьшается вес плотины.
Условие устойчивости плотины протцв
сдвига выражается уравнением:
KcW^fP, (244)
где Кс—коэффициент запаса устойчивости
против сдвига;
f— коэффициент трения.
..........Воспользовавшись зависимостями (242), из
^||Щ^ ' . Уравнения (244) найдем:
В = - - Kci1---. (245)
' f [ —
\ Y I
Для скальных оснований при т^ — О; [=0,7;
Yi = 2,4 т/м3; ai = 0,5 иХс = 1 (предельное рав-
новесие) получаем В = 0,75 Н. При ai = 0 шири-
на В~0,6Я.
скальных оснований экономичная по условию
отсутствия растягивающих напряжений величина В достаточна и по ус-
ловию устойчивости против сдвига. i
Для нескальных оснований (при f = 0,4—0,5 для песка и /=0,2—0,3
для глины) ширина В возрастает и превышает требуемую по условиям
прочности материала плотины, профиль плотины получает распластан-
ную форму с наклонной напорной гранью. Конструируя профиль пло-
тины, следует исходить только из условия устойчивости против сдвига,
добиваясь более равномерного распределения напряжений по основа-
нию для эксплуатационного и строительного периодов.
Устойчивость сооружения следует обеспечивать ле только за счет
собственного веса бетона, но и путем: а) использования водных и грун-
товых пригрузок и анкерных понуров; б) устройства противофильтраци-
онных завес; в) выноса противофйльтрационных устройств подземного
контура сооружений на нескальных основаниях в сторону верхнего бье-
фа; г) применения дренажных устройств в основании сооружений; д) ан-
керовки сооружений к скальному основанию.
Реальные профили несколько отличаются от теоретических. Глухая
плотина не может оканчиваться острым углом, ширину гребня устанав-
ливают в зависимости от использования его для проезда, размещения
крановых путей и т. п. При значительном давлении "льда ширину гребня
определяют расчетом прочности.
214
§ 2. КОНСТРУИРОВАНИЕ БЕТОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ
ПЛОТИН НА СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ
Выбор типа гравитационной плотины. Тип плотины выбирают на
основании технико-экономического сравнения вариантов компоновки уз-
ла сооружений в целом с учетом назначения плотины, инженерно-геоло-
гических, климатических и других условий.
В массивном типе гравитационных плотин прочность бетона исполь-
зуется не полностью. Поэтому целесообразно применять облегченные ти-
пы гравитационных плотин: с расширенными швами, с продольными по-
лостями в основании, с анкеровкой к основанию и обжатием верховой
границе заменой бетона внутренних зон местными материалами.
Рис. 157. Конструкция уплотнений температурных швов плотины (размеры даны в ем):
а — схема размещения уплотнений в шве; б—д — типы шпоиок; 1 — холодная асфальтовая штука-
турка (8=1 см); 2 — окраска горячим битумом (8 =0,3 см); 3 — цементация; 4—смотровая шахта;
5 — труба для нагнетания цемента; б — пруток (d=16 мм, см, шаг 30 см); 7 — латунный лист
8 =1 мм); 8 — стальной лист (8 =2 мм); 9 —- асфальтовые маты; 10 — оцинкованная сталь (8—1 мм);
11 — брус из бревна диаметром 34—Зв см (антисептированный); 12 — напорная грань (размеры для
шпонок типов бив даны в мм, а для шпонок г и д в см).
Тип плотин с анкеровкой к основанию и обжатием верховой грани
целесообразен при малой и средней их Высоте. Скальные основания в
этом случае должны обеспечить надежную заделку тяжей. Анкеровка
к основанию повышает устойчивость плотин, улучшает распределение
напряжений, что приводит к уменьшению объема кладки.
Для плотин с расширенными поперечными швами (рис. 155, а) и
продольными полостями в основании благоприятны скальные водостой-
кие основания, не подверженные механической или химической суффо-
зии. При этом типе плотин уменьшается противодавление по подошве
сооружения; улучшается дренаж тела плотины и ее основания;, умень-
шается объем бетона.
Общие вопросы конструирования. Температурные швы и
их уплотнения. Для уменьшения усилий, вызываемых темпера-
турными д усадочными напряжениями, а также осадками, до значений,
безопасных для бетонных сооружений, эти сооружения разрезают темпе- i
ратурными швами — постоянными и временными. Постоянные темпера- >
турные швы устраивают для предупреждения трещинбобразования в
связи с воздействием температурных колебаний окружающего воздуха
и воды в бьефах в эксплуатационный период. Временные температур-
ные (строительные; блочные) швы уртраиваю^для той же цели в
215
a — с перевязкой швов; б — столбчатая: / — грань
паза охлаждения; I, h — размеры блоков бетони-
рования; Ьо — перекрытие шва.
связи с явлением экзотермии и рассеиванием тепла свежеуложенным бе-
тоном в строительный период.
Расположение постоянных швов увязывают со схемой пропуска стро-
ительных расходов и расположения донных отверстий. Расстояния меж-
ду постоянными швами составляют от 9 до 20 м. Расстояние между вре-
менными температурными швами определяется системой разрезки бе-
тонной кладки на блоки бетонирования и размерами блоков.
Конструкции постоянных поперечных швов, помимо заполнения,
должны иметь уплотняющие, дренажные и контрольные устройства, обес-
печивающие водонепроницаемость швов и свободу перемещений секций
плотины по отношению друг к другу.
Ширину постоянных температурных швов назначают в пределах
1:10 мм. В зависимости от ширины швов применяют окрасочное, шту-
катурное или оклеенное запол-
нение. На рисунке 157 показа-
ны уплотняющие устройства
деформационных швов плоти-
ны на скальном основании.
Разрезка на блоки
бетонирования бывает:
а) с перевязкой вертикаль-
ных продольных швов (рнс.
158, а);
б) столбчатая (рйс. 158,6);
в) секционная (длинными
блоками), при которой блоки
имеют в плане те же размеры,
что и секция между темпера-
турными швами. Иногда при-
меняют разрезку наклонными
швами, примерно совпадающими с направлением главных напряжений.
Первый вид разрезки применен у нас на многих плотинах: Днепров-
ской, Усть-Каменогорской и др. Столбчатый тип разрезки с плотными
цементируемыми швами применен на плотине Братской ГЭС.
Разрезка на длинные блоки имеет ряд существенных преимуществ:
отпадает необходимость в цементации продольных швов, сокраща-
ется расход опалубки и т. д. Однако применение длинных блоков
усложняет регулирование температуры в нижней части плотины.
Смешанная разрезка, при которой столбчатые блоки в нижней части
сменяются длинными в верхней части плотины, сопрягаясь с помощью
мощного арматурного пояса, применена на Красноярской плотине.
Метод расчета гравитационных плотин со столбчатой разрезкой с
учетом раскрытия вертикальных межстолбчатых швов предложен
В. В. Казанковым.
Сопряжение с основанием. Для обеспечения устойчивости
плотины на слабых скальных основаниях можно предусматривать общий
подъем средней отметки основания в сторону нижнего бьефа.
При прочном, практически нетрещиноватом или слаботрещинрва-
том скальном основании верховой зуб плотины устраивать не рекомен-
дуется. В условиях трещиноватой скалы верховой зуб или небольшое
и плавное заглубление подошвы в ее верхней части можно применять
для сопряжения тела плотины с противофильтрационной цементацион-
ной завесой в основании.
Дренаж тела плотины. Для перехвата и отвода воды, про-
фильтровавшей через бетон тела плотины и строительные швы, вдоль
верховой грани устраивают, дренаж в виде вертикальных скважин (дрен)
диаметром 15—20 см, выходящих в продольные галереи (рис. 155). Рас-
стояния между осями дрен 2—3 м.
216
Продольные галереи используют для осмотра и цемента-
ции бетонной кладки плотины, контроля и очистки дренажных скважин,
сообщения внутри плотины, закладки контрольно-измерительной аппа-
ратуры (пьезометров, щелемеров, термометров, вибрографов и т. д.).
П р о т и в о ф и л ь т р at( и о н н а я завеса глубиной (0,5—1,0) Н
устраивается в верховой части основания для уменьшения величины
противодавления фильтрационного потока на подошву плотины, ослабле-
ния и предотвращения механической и химической суффозии грунтов.
На участке сопряжения завесы с подошвой плотины, в зоне наиболь-
ших градиентов фильтрационного потока, рекомендуется предусматри-
вать местное усиление завесы («сопря-
гающая цементация») дополнительны-
ми рядами неглубоких скважин
(рис. 159).
Дренаж основания устраи-
вают для снятия или уменьшения
фильтрационного противодавления на
подошву плотины. В случае пород, под-
верженных химической или механиче-
ской суффозии, дренаж не устраивают.
Диаметр скважин принимают не менее
25 см при расстоянии между ними 2—
5 м. Глубина скважин составляет 0,5—
0,75 глубины противофильтрационной
завесы. Ось дренажной линии распо-
лагают возможно ближе к низовой
грани (цементационной завесы, но не
ближе 4 м (рис. 159).
Глухие плотины. Для глухих
участков напорного фронта следует
строить плотины из местных материа-
лов при наличии на месте необходи-
мых грунтов и камня. Глухие бетон-
ные гравитационные плотины возводят
только при специальном технико-эко-
номическом обосновании.
Основной формой поперечного профиля глухой плотины является
треугольник с вершиной на отметке НПУ (рис. 155,6). Верховая грань
плотины вертикальна или слабо наклонена (mi = 0—0,1) в сторону верх-
него бьефа. Низовая грань принимается также в виде плоскости, иногда
с переломами. Обычные значения коэффициента откоса низовой грани
т2 = 0,67—0,73.
Конструктивные особенности водосбросных плотин. Согласно
СНиП П-Й.1-62 для водосбросных участков напорного фронта рекомен-
дуется принимать преимущественно бетонные и железобетонные плоти-
ны облегченных конструкций.
К специальным элементам и конструкциям водосбросных плотин от-
носятся (рис. 155, а, в): водосливной оголовок; водосливная низовая
грань; уступ, сопрягающий водосливную грань с нижним бьефом; водо-
бойные устройства и крепления в нижнем бьефе; глубинные отверстия;
затворы и их подъемные устройства; площадки для монтажа и крепле-
ния затворов; служебные и проезжие мосты.
Водоспускные отверстия, работающие по типу донных отверстий,
служат для сброса воды при прохождении больших паводков, промыва
наносов и т. д. Водосливные устройства, работающие с переливом во-
ды через гребень плотины, служат для пропуска паводковых и других*
расходов, сброса плавающих тел, льда, бревен, требуют менее сложных
конструкций затворов и механизмов для маневрирования ими.
217
Длину водосливного фронта устанавливают с учетом допустимых
для данных геологических условий удельных расходов воды, например
при здоровых скальных основаниях 120 м31сек и более. Размеры водо-
сливных отверстий определяются величиной удельного сбросного рас-
хода, типом затворов и схемой маневрирования.
Оголовки водосливных плотин разделяются на безвакуумные и ва-
куумные, у которых на водосливной поверхности возникает вакуум, по-
( ________ вышающий коэффициент рас-
хода. Выбор типа оголовка во-
Рис. 160. Вакуумный профиль водосливной
плотины:
П-0 32 Н; г2—0,55 Я; ,г3-1,5Н; а, = 110°; а2-70°;
а3-Н0°; 8—20° (сплошной линней обозначен про-
филь Кригера — Офицерова).
досливной плотины следует
обосновывать технико-экономим
ческими сопоставлениями ва-
риантов.
Безвакуумный профиль
очерчивается по форме свобод-
но падающей струи с консоль-
ным смещением начальной час-
ти водосливного оголовка в сто-
рону верхнего бьефа. При
проектировании вакуумного
профиля для предотвращения
срыва вакуума следует: а) па-
зы затворов в устоях и быках
располагать за пределами зо-
ны вакуума; б) режущие гра-
ни устоев и быков выносить в
сторону верхнего бьефа за на?
порную грань на величину не.
менее 0,4 максимального напо-
ра над гребнем водослива;
в) устои и быки выносить в сторону нижнего бьефа за пределы зоны ва-
куума.
На рисунке 160 пунктиром показан профиль вакуумной плотины,
позволивший на строительстве ряда плотин за счет обжатого профиля
существенно сократить длину водосливного фронта.
Водосливная грань плотины, служащая продолжением водосливно-
го оголовка, имеет обычно прямолинейное очертание и сопрягается с ого-
ловком по касательной.
Водосливная грань имеет наклон, определяемый аналогично накло-
ну низовой грани глухих плотин, в нижней части она сопрягается круго-
вой поверхностью с водосливным носком или дном водобоя.
Применение носка-трамплина обеспечивает трамплинный тип сопря-
жения бьефов, рекомендуемый для высоких плотин на скальных основа-
ниях. При отбросе струи на безопасное расстояние (принимаемое при
прочной скале 0,47/ и при слабых скальных основаниях. 0,5—0,677) водо-
бойные устройства в нижнем бьефе не предусматриваются. Носки-трамп-
лины имеют обычно круговое очертание при угле схода 25н-35°
(рис. 159). Чтобы был обеспечен доступ воздуха под струю, отметку
носка-трамплина назначают выше максимального уровня нижнего бьефа.
Низовые водосливные носки-уступы плотины по очертанию подобны
носкам-трамплинам, но располагаются ниже расчетного уровня нижнего
бьефа н имеют небольшие углы схода струи порядка 5—10°. Носки-усту-
пы обеспечивают незатопленный поверхностный режим, который ре-
комендуется только при необходимости пропуска лада и других плаваю-
щих тел. Плавное сопряжение водосливной поверхности с дном водобоя
обеспечивает донный режим, который по. сравнению с незатопленным
поверхностным режимом допускает более высокое расположение пода
водобоя. j
218
Водобойные устройства в нижнем бьефе водосливных
плотин служат для предотвращения опасных размывов русла в непосред-
ственной близости от плотины.
При донном или поверхностном типе сопряжения при слабой нли
трещиноватой скале плотина снабжается водобоем с низовым зубом
(рис. 155, а). Для облегчения затопления прыжка при донном сопря-
жении бьефов, а также для борьбы со сбойностью потока рекомендуется
располагать на водобое гасители энергии, выполняющие также роль
растекателей (рис. 155, а). При назначении их высоты следует учиты-
вать условия пропуска,плавающих тел (льда, бревен).
Отметку поверхности водобоя при донном режиме назначают из ус-
ловия затопления прыжка, а также подтопления водобоя со стороны
нижнего бьефа в зимний холодный период для предохранения от про-
мерзания. От тела плотины водобой отделяется швом.
При воздействии наносов, ударов льда предусматривается облицов-
ка водобойных устройств армированным торкретным слоем и т. п.
В водосливных плотинах устраиваются: быки, располагаемые меж-
ду отдельными водосливными пролетами; раздельные устои, отделяю-
щие плотину от соседних бетонных сооружений; устои, сопрягающие во-
досливную плотину с земляной плотиной нли с берегами. Назначение их,
конструирование и расчет аналогичны соответствующим элементам во-
досливных плотин на нескальных основаниях.
§ 3. РАСЧЕТ БЕТОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН
НА ПРОЧНОСТЬ
Расчетные случаи. Проверка прочности плотин. Статические рас-
четы бетонных гравитационных плотин в стадии нормальной эксплуата-
ции следует выполнять для двух сочетаний воздействий и нагрузок: ос-
новного и особого; при расчете на особое сочетание воздействий и
нагрузок допускаются пониженные коэффициенты запаса. Помимо экс-
плуатационных расчетных случаев, прочность и устойчивость плотины
оценивают также для строительного и ремонтного случаев.
Расчет прочности плотин выполняют по формулам сопротивления
материалов. Для детального анализа напряженного состояния пользу-
ются методами теории упругости. При расчетах прочности бетон в соору-
жении обычно рассматривают как упругий однородный материал.
К напряженному состоянию тела гравитационных плотин предъяв-
ляются следующие требования [131]: а) в теле плотины не допускаются
растягивающие напряжения; б) на напорной грани плотины минималь-
ные главные напряжения должны быть сжимающими о'н 0,25 у у,
где у — заглубление данной точки под УВБ; в) максимальные главные
сжимающие напряжения не должны превосходить допускаемых в любом
сеченин.
В процессе статического расчета плотин определяют: а) главные
напряжения.на гранях плотины; б) нормальные и касательные напряже-
ния в характерных сечениях плотины; в) напряжения в отдельных эле-
ментах плотин (в оголовке, быках, носке и пр.); г) в необходимых слу-
чаях—местные напряжения в районе ослаблений (галерей, водоводов,
отверстий й пр.).
Нормальные краевые напряжения в горизонтальных сечениях вы-
числяют по формуле (241). Для определения скалывающих напряже-
ний Т на гранях профиля выделим элементарный треугольник на на-
порной грани (рис. 161, а). Из уравнения проекций всех ,сил на ось У:
, y = (W-^)tgar (246)
Аналогично получим для низовой грани
T' = a;tga2. (247)
219
Так как в плоскости граней профиля касательных напряжений нет,
то по этим плоскостям и перпендикулярным к ним площадкам будут
действовать главные напряжения. Рассмотрим равновесие выделенного
на напорной грани элементарного треугольника (рис. 161,6). Из урав-
нения проекций всех сил на вертикаль получим:
ст„ — уу sin2 а,
ДГ = -£___—------
1 CQS2 «1
где N[ — главное нормальное напряжение.
Главные напряжения, действующие перпендикулярно напорной гра-
ни, N^ = yy.
Рис. 161. Схемы к определению напряжений на гранях плотины:
а — скалывающих; б — главных.
Подобно предыдущему, получим
для низовой грани:
ау
cos2 а2
и = 0.

(249)
Из уравнения (248) следует, что при о^<у У sin2ai главное напря-
жение на напорной грани N'x отрицательно, то есть является растяги-
вающим. Чтобы воспрепятствовать этому, нужно уменьшать угол аг
(стремиться к вертикальности напорной грани).
Из равенства (249) ясно, что напряжение N\ всегда сжимающее
и для его уменьшения следует увеличивать угол а2 в нижней части пло-
тины.
Прочность массивных плотин определяется величиной главных нор-
мальных (сжимающих) напряжений на низовой грани в самом нижнем
сечении [60].
Напряжения в плотине при разной жесткости бетона в различных
частях профиля (зональный бетон) определяют вышеизложенным спосо-
бом путем замены фактического сечения плотины приведенным, в кото-
ром площади зон более жесткого бетона увеличиваются пропорциональ-
но отношению модуля упругости более жесткого бетона к модулю упру-
гости наименее жесткой зоны [131].
Для детального анализа напряженного состояния пользуются мето-
дом теории упругости. Однако и в этом случае часто не учитываются та-
кие факторы, существенно влияющие на напряженное состояние, как
неоднородность бетона в пределах профиля, межблочные швы, последо-
вательность возведения и загружения плотины, податливость основа-
ния и т. д.
220
Расчет устойчивости. Устойчивость бетонных гравитационных пло-
тин на скальном основании против сдвига рассчитывают в предположе-
нии возможности сдвига плотины по поверхности сопряжения ее с осно-
ванием (рис. 162). При наличии заглубленных в основание верхового и
низового зубьев плотины за расчетную плоскость скольжения принимает-
ся плоскость, проходящая через их по-
дошвы. Д
При расчете устойчивости на сдвиг '
учитывают как трение, так и сцепле-
нйе бетона со скалой основания [131].
Коэффициент запаса устойчивости для
расчетной плоскости сдвига:
Рис. 162. Расчетные плоскости сдви-
V- _ f (Р — ^) + CF га плотины на скальном основании
у ’ ' (пунктир).
где Р — сумма проекций всех сил на нормаль к плоскости сдвига;
Т — сумма проекций всех активных сил, действующих на плотину,
на направление расчетной плоскости сдвига;
с — удельное сцепление;
F— расчетная площадь подошвы плотины;
U — полное противодавление воды в расчетной плоскости:
(/-{/ф + ^взв, (251)
где (7ВЗВ—взвешивающее давление, определяемое заглублением по-
дошвы плотины под уровень воды нижнего бьефа:
[7ВЗВ = Я2Вуа2, (252)
где Н2— напор воды со стороны нижнего бьефа (над уровнем подошвы
плотины), отвечающий НПУ в верхнем бьефе;
а2— коэффициент площадной пористости, а2^ 1,0.
Фильтрационное противодавление на подошву плотины существенно
снижается при наличии противофильтрационной завесы и дренажа осно-
вания. На рисунке 163 приведены расчетные эпюры фильтрационного
противодавления на подошву плотины, рекомендуемые СН 123—60, где
через а0Н обозначены гидравлические потери напора при движении
фильтрационного потока из верхнего бьефа до верховой грани завесы
в связи с заглублением подошвы плотины в скальный грунт основания;
Н — напор на плотине. Величину а0 определяют на основании фильтра-
ционных расчетов или натурных наблюдений на плотинах, находящих-
ся в аналогичных условиях.
Для определения (7Ф надо подсчитать площадь расчетной эпюры
фильтрационного противодавления и умножить ее на размер участка
плотины в направлении, перпендикулярном чертежу, объемный вес воды
и коэффициент площадной пористости а2. Таким образом, на основании
рисунка 163, а получим для плотины высотой Я<25 м:
(7ф = 0,5 у/Д (1 — а0) а,, (253)
где I — расстояние по горизонтали от передней грани подошвы плотины
до дренажных устройств.
При 25 м < Н < 75 м (рис. 163, б):
(Уф = 0,5уН [/ (1 -а0) + Ва]] а2, (254)
где коэффициент а] принимают согласно СН 123—60 равным пример-
но 0,2.
Параметры f и с, а также значения коэффициентов запаса устойчи-
вости в формуле (250) принимают по СН 123—60.
221
На монолитность и трещиноустойчивость массивных бетонных соо-
ружений существенно Влияет термонапряженное состояние. В процессе
гидратации цемента повышается температура бетона. Остывание тела
бетонных сооружений может привести к раскрытию межблочных швов
или образованию трещин в блоках. В массивных бетонных сооружениях,
Рис. 163. Эпюры фильтра-
ционного противодавления
на подошву плотины при
наличии противофильтраци-
онной завесы и дренажа
для плотин высотой:
а — до 25 м; б — от 25 до 75 м.
возводимых на скальных основаниях, чаще
всего образуются вертикальные трещины. Это
объясняется тем, что жесткое основание пре-
пятствует свободным температурным деформа-
циям. В удалении от скального основания при-
чиной образования трещин служит различие в
температурных режимах поверхностных и внут-
ренних зон. Температурно-усадочные деформа-
ции бетона возрастают с увеличением содер-
жания вяжущего и удельного тепловыделения
цемента. Поэтому для массивных конструкций
необходимо применять низкотермичный цемент
и бетон с возможно меньшим содержанием вя-
жущего. Предельные нормы расхода цемента
на 1 м3 бетона принимаются для наружной
зоны напорной грани и на водосливе 260 кг,
для фундаментной части плотины 230 кг, для
внутренней зоны 160 кг [131].
Кроме клинкерных портландцементов, в
гидротехническом строительстве применяют
шлако-портландцемент, обладающий более
низким тепловыделением и повышенной ползу-
честью, что улучшает трещиностойкость соору-
жений. Шлако-портландцемент применен, на-
пример, на строительстве Каховского гидроуз-
ла. Бетон на шлако-портландцементе укла-
дывают во внутреннюю зону массивных соору-
жений. Для повышения трещиноустойчивости
массивных бетонных сооружений прибегают
к регулированию их температурного режима
путем искусственного охлаждения бетона с помощью заложенных в-
кладку труб, понижения температуры бетонной смеси, охлаждения за-
полнителей, воды и т. д. *' .
Глава XIV
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПЛОТИНЫ НА НЕСКАЛЬНОМ
ОСНОВАНИИ
§ 1. НЕСКАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ И ИХ ПОДГОТОВКА
Различают грунты несвязные и Связные, обладающие сцеплением
между частицами.
Несвязные грунты (галечниковые, гравелистые, песчаные и их
смеси) имеют несущую способность, достаточную-для возведения бетон-
ных и железобетонных плотин с напором до 20—40 я.
К связным грунтам относятся глины различной плотности, су-
глинки, лёсс, илы. Низкие коэффициенты внутреннего трения глинистых
грунтов (от 0,35 до 0,1 и ниже) приводят к необходимости утяжелять
сооружения и выполнять различные мероприятия по повышению сопро-
тивляемости их сдвигу^ Глинистые грунты обладают значительной сжи-
маемостью, что вынуждает устраивать осадочные швы, допускающие
взаимные смещения сопрягаемых частей сооружения. Лёссовые грунты
222
характеризуются потерей прочности и значительными осадками («про-
садками») при замачивании их водой под нагрузкой. Это может приве-
сти к аварии сооружений, для предотвращения чего необходимо пред-
варительное замачивание, выполнение конструктивных швов и т. д. Или-
стые грунты и торф обладают значительной сжимаемостью — до 20—
30 см.]м. Несущая способность этих грунтов позволяет возводить на них
лишь земляные плотины. На уплотненных илах ограниченной мощности
возможно строить низкойапорные бетонные плотины (плотина Кахов-
ской ГЭС).
Между грунтом основания и бетоном самого сооружения не допу-
скается образования облегченных путей фильтрации. Поэтому не сле-
дует устраивать подготовку для бетонирования в виде слоя щебня или
гравия. Постоянные сквозные деформационные швы нужно конструиро-
вать так, чтобы при неодинаковой осадке смежных секций не могла по-
явиться контактная фильтрация.
Характер подготовки, .основания напорного гидросооружения выби-
рают в зависимости от рода грунта, наличия грунтовых вод и условий
производства работ.
Если уровень грунтовых вод находится ниже дна котлована, бетон
укладывают непосредственно на основание. Если уровень грунтовых вод
выше дна котлована, то после водоотлива при крупнозернистых
песках поступают аналогично предыдущему, при мелкозернистых или
пылеватых песках предварительно укладывают подготовку слоем
8—15 см из тощего бетона, при глинистых грунтах разжиженный
слой удаляют, заменяя его слоем бетона пониженной прочности, или в
поверхностный слой втрамбовывают щебень или гравий.
Мелкозернистые пески в насыщенном водой состоянии, обладающие
свойством текучести (плывуны), при ограждении по контуру шпунтовы-
ми стенками становятся пригодными в качестве основания низконапор-
ных плотин. При рыхлом сложении мелкозернистые пески дают резкие
осадки и приходят в разжиженное состояние. Уплотнение их достигается
глубинными, поверхностными и подводными взрывами, забивкой свай,
вибрированием.
§ 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛОТИН НА НЕСКАЛЬНЫХ
ОСНОВАНИЯХ И СХЕМЫ ИХ ПОДЗЕМНОГО КОНТУРА
Конструктивные особенности. На нескальных основаниях бетон-
ные гравитационные плотины являются, как правило, водосливными.
Глухую часть плотин возводят из местных материалов. Очертание водо-
слива определяется условиями устойчивости плотины на сдвиг (видом
грунтов основания) и типом затворов. Экономичный-профиль получается
при вертикальной стенке и развитой в сторону верхнего бьефа фунда-
ментной плите (рис. 164), что обеспечивает пригрузку этой плиты весом
воды и снижает объем бетона.
Вопросы выбора марок бетона и их распределения по профилю пло-
тины, устройства галерей внутри плотины, очертания и облицовки водо-
сливных граней, сбора и отвода фильтрующейся через бетон воды и т. п.
решают так же, как и для плотин на скальных основаниях.
Разрезку плотины поперечными осадочно-температурными шва-
ми обычно делают по быкам. Для уменьшения расхода бетона и числа
осадочных швов с противофильтрационными уплотнениями в них приме-
няют разрезку на двух- и трехпролетные секции (рис. 165).
Конструкция противофильтр анионных уплотнений межсекционных
швов плотины на нескальных основаниях должна обеспечить их надеж-
ную работу при возможных смещениях смежных секций.
На рисунке 166 в качестве примера показаны конструктивные ре-
шения противофильтрационных уплотнений швов Цимлянской плотины
223
224
Рис. 164. Поперечный разрез Цимлянской плотины:
/ — суглинок; 2 — пески, супеси и суглинки; 3— металлический шпуит; 4карьерная мелочь и камень; 5 — бетонное покрытие; 6 — гибкая часть понура; 7— железнодо-
рожный мост; 8 — автодорожный мост; 9 — хворостяной тюфяк; 10 — разгрузочные скважины (через 20 л); // — мергелистые глины; 12 — дренажные колодцы 1,0X1,0 м,
13—железобетонные плиты; 14 — два ряда гибких железобетонных плит на обратном
трехслойном фильтре; /5 — загрузка камнем.
в виде шахты в случае вертикальных уплотнений (рис. 166, б) или ванны
при уплотнении горизонтальных швов (рис. 166,а), заполненных битум-
ной смесью. Против вытекания битумной смеси устанавливав бетонные
шандоры или листы нержавеющей стали.
Примыкание водосливных плотин к берегам и земляным плотинам
выполняют с помощью сопрягающих устройств (рис. 167).
Береговой устой (рис. 167,1) защищает берег или земляную
плотину от действия сбрасываемого потока воды; снижает до безопасных
пределов фильтрацию воды в обход водосброса; служит опорой затворов
и мостов плотины. Продольная стена может составлять одно целое с со-
Рис. 165. Продольный разрез секции водослива Цимлянской плотины;
/ — бетоновозная эстакада; 2 — шпонка; 3 — температурные швы; $ —смотровая галерея; 5—бетон-
ная подготовка; 6 — мергелистые глины.
седним пролетом водослива (при нескальных основаниях) или отделять-
ся от водослива швом (при скальных или плотных основаниях). Лице-
вую грань продольных стен устоев, примыкающих к водопропускному
отверстию плотины, выполняют аналогично граням быков. Во избежание
обходной фильтрации по контакту внутренней поверхности устоя с грун-
том земляной плотины следует тщательно уплотнять грунт в месте при-
мыкания; задней грани устоя придавать уклон не менее 1 : 10-н1 : 12 в
сторону засыпки; в необходимых случаях устраивать поперечные ребра
и диафрагмы в верховой части устоя, заходящие в тело земляных пло-
тин или смыкающиеся с их диафрагмами (рис. 167,4).
Раздельный устой между водосливной плотиной и смежным
бетонным сооружением устраивают аналогично полубыку с плавным ого-
ловком и удлиненной низовой частью для защиты основания примыкаю-
щего сооружения и по гидравлически соображениям.
Верховая сопрягающая подпорная стенка
(рис. 167,2) обеспечивает плавный подход потока воды к водосливу и
защищает соответствующий участок берега или земляной плотины от
15 1650 ппг
размыва. Подпорные стенки, показанные на рисунке 168, а, б, в, приме-
няют при малых напорах или ^незначительных скоростях подхода воды
к водосливу; схемы бив луч-
ше по гидравлическим услови-
Рис. 166. Противофильтрационные шпонки
водосливной плотины Цимлянского гидро-
узла:
а — горизонтальная донная шпонка между секция-
ми плотины; б — основная вертикальная шпонка
осадочных швов между секциями плотины (сече-
ние в пределах бычка); а —то же (сечение в пре-
делах фундаментной плиты); / — бетонная подго-
товка; 2 — два слоя толя; 3 — листовая сталь;
4 — битум е песком;^ — битумные маты (3=»1 глс);
-канаты (05 еле); 7— фанера (0,4 ел); 8—вой-
лок, пропитанный в битумно-керосиновом растворе
(» “0,5 сж); 9 — анкеры; 10 — покраска битумно-
бензиновым раствором; 11 — труба (0 219 мм) для
разогрева битума.
основания. Консольные (угол-
ковые) стенки (рис. 1W, б) возводят из железобетона или армирован-
ного бетона. Контрфорсные стенки (рис. 471, в) устраивают из железо-
бетона. Конструктивными элементами являются: фундаментная плита,
ям, угол а =10-т-30°. Для
крупных сооружений применя-
ют подпорные стенки, приве-
денные на рисунке 168, г, д, е.
Тип и размеры верховой под-
порной стенки для крупных со-
оружений окончательно выби-
рают на основе лабораторных
исследований и технико-эконо-
мического сравнения вариан-
тов.
Верховые подпорные стен-
ки могут быть затопляемыми
(.рис. 169, а) или незатопляе-
мыми (рис. 169, б). Незатоп-
ляемые стенки лучше по гид-
равлическим условиям и более
распространены в практике
строительства, чем затопляе-
мые.
Н и з о в а я сопрягаю-
щая подпорная стен-
ка (рис. 170)* обеспечивает
плавное растекание потока в
нижнем бьефе для снижения
скорости потока на сходе с
рисбермы. Продольную часть
низовой стенки располагают
обычно в пределах водобоя под
углом а=6-:-12° (рис. 170,6,
в, г). При большей величине
угла а на водобое необходимо
устраивать пирсы-растекатели.
Низовые стенки обычно устра-
ивают незатопляемого типа,
очертание их гребня подобно
профилю_низового откоса пло-
тины (рис. 170).
Типы жестких подпорных
стенок показаны на рисунке
171. Массивные бетонные стен-
ки (рис. 171, а) устраивают на
нескальном основании высотой
до 10—15 м и на скальном ос-
новании высотой до 40—50 м.
Размеры поперечного сечения
определяются условиями устой-
чивости на сдвиг и отсутствия
растягивающих напряжений в
любой точке профиля стенки и
226
Рис. 167:. Схема сопрягающих
. устройств:
/ — береговой устой; г —верховая
подпорная стенка; 3 — низовая под-
порная стенка; 4 — противофильтра-
цноииая диафрагма или завеса;
5 — дренаж; 1В — соответственно
длина понура и водобоя; В — шири-
на подошвы плотины.
Рис. 169. План и фасад верховой подпорной стенки, сопрягающег
бетонную плотину с земляной;
а — затопляемой; б — незатопляемой.
15*
Рис. 170. Схемы низовых подпорных стенок {а—д); про-
филь и план стенки, сопрягающей бетонную плотину с
земляной (е, ж).
Рис. 171. Типы жестких подпорных стенок:
1 — контрфорс.
плоская вертикальная стенка и треугольные контрфорсы, расположеН--
ные на расстоянии 2,5—5,5 м друг от друга. Выступ с лицевой стороны
подпорной стенки /в = (0,1—0,2)/г, где h — высота стенки (рис. 171, а,
б, в}, устраивают для того, чтобы обеспечить более равномерное распре-
деление напряжений в основании. Ячеистые подпорные стенки (рис.
171, г, д) состоят из ряда прямоугольных колодцев, заполняемых мест-
ным грунтом. Размеры ячеек от 3x3 до 5x5 м. Фундаментную плиту
или свайный ростверк устраивают при слабых грунтах основания. Высота
ячеистых подпорных стен 15—20 м.
Сопрягающие подпорные стенки делятся температурно-усадочными
швами на секции длиной 15—40 м. Швы между секциями уплотняют
шпонками во избежание фильтрации и выпора грунта.
Быки воспринимают давление воды от затворов и служат опорами
для служебных и проезжих мостов. Размеры быков определяются типом
и размерами затворов, водосливных отверстий и пролетных строений
мостов. Толщина быков определяется глубиной пазов для затворов,
а также расчетом прочности. Минимальная толщина шейки быка в зоне
пазов затворов принимается не менее 0,8 м. Быки работают в условиях
сложного сопротивления на изгиб в двух плоскостях от вертикальных и
горизонтальных сил (давление воды, льда, затворов, тормозные усилия
кранов и транспорта). Наибольшие напряжения возникают от сил, дей-
ствующих вдоль оси плотины, то есть в направлении меньшего момента
инерции. Временные быки, сооружаемые при возведении плотины мето-
дом гребенки, рассчитывают как консоли, заделанные в плиту основа-
ния, на собственный вес и одностороннее боковое давление воды при
закрытом затворе одного пролета и пропуске воды через соседний про-
лет. Выше водосливного оголовка быки армируют по расчету прочности.
Облицовка водосливных поверхностей плотины и водобойной
плиты защищает бетон при пропуске через плотину песчано-гравелис-
тых наносов или тяжелого ледохода. Поверхность бетона защищается ка-
менной облицовкой из твердых, прочных пород или чугунными плитами.
Весьма стойки облицовки, выполненные из пластобетона на фурфуроль-
но-ацетоновом мономере «ФА», что подтверждается опытом эксплуата-
ции облицовки на плотине Сары-Курган (УзССР) при следующих усло-
виях: максимальные скорости на водоскате плотины 8—9 м!сек, средне-
годовой сток донных наносов свыше 120 тыс. jk3 при средней крупности
донных наносов 70 мм (размеры отдельных глыб до 300 мм и более).
Известны случаи использования дерева в качестве облицовочного мате-
риала водосливных поверхностей, например на Пальманском гидроузле
(Ферганская область, УзССР).
Схемы и элементы подземного контура. Под термином «подземный
контур плотины» будем понимать водонепроницаемую часть контура со-
оружения (линия 1—2—3—4—5—6 на рис. 172).
Б е з дф-ен а ж н а я схема (рис. 172, а) применяется при опас-
ности заиления дренажа в случае несвязных мелкозернистых илистых и
пылеватых грунтов.
Горизонтальный дренаж, укладываемый под плотиной
или под понуром (рис. 172,6, е)., должен быть снизу снабжен обратным
фильтром и прижат к грунту весом вышележащих частей сооружений.
Вода из дренажей под плотиной отводится в нижний бьеф через галереи
в устоях и быках, а из дренажей под водобоем — через отверстия в по-
следнем или по самому дренажу.
Вдоль линии 6—В, а также под подошвой низового зуба напор мо-
жет быть принят постоянным, отвечающим горизонту воды нижнего
бьефа, что позволяет уменьшить вес плотины.
Обратные фильтры защищают грунт основания от разруше-
ния вследствие суффозии, контактного размыва или выпора. Они состоят
из 2—3 слоев толщиной от 10—15 до 20—50 см.
229
Рис. 172. Схемы подземного контура:
а — бездренажная; б — с горизонтальным дрена-
жем; в — с дренажем понура; г — глубинная схе-
ма; 1 — обратный фильтр; 2 — дренаж; 3 — железо-
бетонный анкерный понур: Т — глубина залегания
водоупора.
Схему плотины с анкерным понуром (рис. 164, 172,в) приме-
няют для повышения устойчивости плотины на сдвиг. Так, для Цимлян-
ской плотины (рис. 164) применением анкерного понура оказалось
возможным увеличить коэффициент устойчивости против сдвига с 0,9
до 1,3.
Усилие, прижимающее понур к основанию, равно разности гидроста-
тического давления на понур сверху Wn и фильтрационного давления
снизу №ф (значительно уменьшаемого дренажем). Сила, с которой ан-
керный понур удерживает плоти-
ну от сдвига:
5П = /(^П-ГФ), (255)
где f — коэффициент трения по-
нура по основанию.
Верховая часть плотины, на-
ходящаяся под воздействием рас-
тягивающего усилия Sn, должна
быть армирована.
Вертикальный дренаж
основания устраивают в случае
анизотропного грунта с относи-
тельно малыми коэффициентами
фильтрации в.вертикальном на-
правлении (рис. 164).
Г л у б и иная схема (рис.
172, г) применяется при сравни-
тельно неглубоком залегании
водонепроницаемого слоя (15 -г-
20 я). При пересечении водо-
проницаемой части основания бе-
тонным зубом движение грунто-
вой воды под плотиной прекра-
щается полностью, причем в об-
ласти грунта перед зубом напор
соответствует уровню воды верх-
него бьефа, а за зубом*—уровню
воды нижнего бьефа.
При проектировании подзем-
ного контура водоподпорных со-
оружений на глинистых основа-
ниях необходимо иметь в виду,,
что коэффициент фильтрациц гли-
ны меньше, чем бетона, в связи с
чем бетон и буДет,шграть роль
дренажа, отводя воду из глини-
стого основания. Поэтому при
слабопроницаемых грунтах в ос-
новании нецелесообразно проек-
тировать развитые плоские понуры, не обеспечив низкую проницаемость
бетонных массивов в частях, подвергающихся воздействию фильтра-
ционного потока.
При проектировании необходимо рассматривать ряд схем подземно-
го контура В результате расчетов прочности и устойчивости самой пло-
тины и фильтрационной прочности ее основания определяется наиболее
экономичный вариант.
Щирина подошвы плотины В определяется формой и р'Ззме,-
,рами, водосливного профиля и приближенно может быть принята (1,5-^-
2,2) Н, где И — глубина вддЫгД вгерхдеШбьёфегл -т’Л : '
yet в
©30
Отметка подошвы определяется: 1) залеганием грунта с не-
обходимой несущей способностью; 2) положением поверхности водобоя;
3) фильтрационными условиями основания. Глубину залегания фунда-
мента предварительно можно назначить равной (0„15—0,20) В.
Понуры, предназначенные только для удлинения путей фильтру
ции, выполняют из глинистых или суглинистых грунтов. Во избежание
промерзания во время строительства такие понуры пригружают слоем
песка толщиной 1,0-^-2,0 м. Длина понура обычно от 0,5 до 1,5 Я, где
Н — напор на плотину.
Рис. 173. Типы верховых элементов понура (а—в) и конструкции примыкания понура
к водосливу (г—е):
/ — одиночное мощение; 2 — предпонурный участок; 3 — засыпка камнем; 4 — бетонные плиты:
5 — бетонный зуб; 6 — засыпка галечниковым грунтом: 7— подготовка; 8— глина; 9 — бетонный зуб
плотины.
Применяют также понуры, в которых водонепроницаемая часть вы-
полняется из асфальтовых материалов (асфальтовых матов, асфальто-
бетона) , укладываемых на бетонную или асфальтобетонную подготовку.
Для предохранения понуров от размыва устраивают каменное или
бетонное покрытие (рис. 173). Для предохранения понура от подмыва в
месте сопряжения с руслом устраивают зуб с засыпкой его пазухи га-
лечниково-гравелистым грунтомДрис. 173,5); при бетонном креплении
понура устраивают бетонный зуб (рис. 173,в).
Наиболее ответственным является узел сопряжения Понура с телом
плотины. Сопряжение понуров из глины или суглинка при небольших
напорах показано на рисунках 173, г, д, е, а при увеличенных — на рисун-
ке 174, где изогнутая часть мата, заполненная битумом, играет роль ком-
пенсатора.
Об эффективности понуров можно судить на примере понура из
суглинка плотины Каховской ГЭС (толщиной до 5 м и длиной дозЗОф
Рис. 174. Сопряжение глинобетонного пону-
ра с бетонной плотиной:
1 — болты; 2 — битумный мат; 3 — битум с песком.
с креплением железобетонными плитами), который, снимает до 0,5
0,6 противодавления в основании.
Шпун т — важный элемент противофильтрационного контура. В за-
висимости от напора и грунта основания применяют деревянные шпунты
глубиной до 5—7 м и стальные глубиной до 15—20 м, а при сварке или
склейке и до 40 м. Железобетонный шпунт имеет толщину 50—60 см, его
изготовляют с трапецеидальным пазом и гребнем. Во избежание кон-
тактной фильтрации не допускается опускать шпунты в песчаный грунт
методом подмыва.
Верховой шпунт удлиняет пути фильтрации и служит гасите-
лем напора. Длина основного «висячего» шпунта у верховой грани пло-
тины составляет примерно (0,5 -4- 1,5) Н. Если между острием шпунта
и поверхностью водоупора остается расстояние < 0,1 Т, где Т — заглубле-
ние поверхности водоупора, то
шпунт доводят до водоупора и
заглубляют в него на 2—3 м
(рис. 172).
Понурный шпунт
(рис. 164) длиной от 2—3 м до
0,5Н устраивают только при
анкерном (дренированном) по-
нуре. При неоднородном осно-
вании, имеющем водонепрони-
цаемые прослойки, шпунтовые
ряды' по возможности должны
пересекать их.
Низовой шпунт (дли-
ной 2—4 м) (рис. 172, а) пре-
пятствует фильтрационному вы-
пору грунта из-под плотины. Устройство низового шпунта вызывает уве-
личение противодавления, для предотвращения чего шпунт делают пер-
форированным. При размещении шпунтов в основании расстояние меж-
ду ними должно быть не менее 0,75 суммарной их длины, в противном
случае эффективность шпунтов резко снижается.
Бетонные зубья. Неглубокие зубья устраивают для предотвра-
щения опасной контактной фильтрации и лучшего сопряжения бетона с
основанием. Глубокие бетонные зубья устраивают вместо шпунтовых ря-
дов, если грунт не допускает забивку шпунта.
Низовой подплотинный зуб устраивают при наличии в схеме низо-
вого шпунта (рис. 172, а) в связи с наличием щелей между отдельными
сваями. При этом глубина низового зуба d должна удовлетворять ус-
ловию d > 2 b, где b—ширина шпунтовой сваи. В схемах плотин с го-
ризонтальным дренажем низовой бетонный зуб устраивают, чтобы изо-
лировать подплотинный дренаж от нижнего бьефа и получить возмож-
ность откачивать воду из этого дренажа, например для контроля его
работы.
§ 3. УСТРОЙСТВА НИЖНЕГО БЬЕФА
Водобой устраивают в виде бетонной плиты, которая служит про-
должением тела водосливной плотины. В пределах водобоя гасится
60 -г- 70% избыточной энергии потока, остальная часть энергии должна
быть погашена в пределах рисбермы. Все гасительные устройства рас-
полагаются на плите водобоя. Концевая часть водобоя снабжается не-
глубоким зубом или шпунтом на случай деформации рисбермы. Разви-
вать подземный контур сооружения за счет водобойной плиты нельзя,
^ак как это будет способствовать увеличению противодавления на пло-
тину. Под этой плитой всегда устраивают плоский дренаж и обратный
фильтр.
232
Гасители энергии. Для уменьшения разрушительного дейст-
вия воды, прошедшей водослив, и сокращения длины крепления Русла-
на водобойной части плотины располагают гасители энергии (водобой-
ные колодцы и стенки, зубчатые пороги, шашки, пирсы). Глубина воды^
в водобойном колодце (рис. 175) должна быть достаточна для затоп-
ления прыжка. Гашение энергии происходит за счет вращения вихревых
вальцов, покрывающих струю.
Действие гасителей энергии в виде шашек, пирсов и т. п. (рис. 176, а)
основано на принципе расщепления потока и соударения струй после
прохождения препятствия. Гасители способствуют растеканию потока и
Рис. 175. Схемы водобойных колодцев, сопряженных с плотиной плавно
(а) и с уступом (б).
Рис. 176. Гасители энергии:
а — шашки; б — зубчатые пороги; в — пороги-растекатели; 1 — водосброс.
более равномерному распределению удельных расходов воды на рисбер-
ме. В плане гасители располагают в шахматном порядке.
Зубчатые пороги (рис. 176, б) вызывают резкое снижение скоро-
стей потока у дна, что предохраняет русло от размыва. ч
Пороги-растекатели (рис. 176, в) снижают донные скорости потока
и способствуют равномерному растеканию потока в плане, что умень-
шает воронку размыва русла за креплением при работе части пролетов
водосброса. .'
Рисберма. В пределах рисбермы происходит снижение скоростей
потока до величин, близких к бытовым, и выравнивание скоростей по
сечению. Участок русла, примыкающий к рисберме, может подвергаться
размыву, поэтому конструкция рисбермы или концевого участка долж-
на допускать деформации ее в соответствии с деформациями русла и
быть проницаемой для выходящего в нижний бьеф фильтрационного по-
тока. Непосредственно за водобоем располагаются наиболее мощные
крепления рисбермы (массивные плиты, бетонные тюфяки, ряжи), за-
тем по мере уменьшения скоростей — более легкие (габионы, камен-
ная наброска) и вЖонце — гибкие тюфяки: железобетонные, фашинные.
Концевой участок рисбермы выполняют в виде предохранительного
откоса с ковшом-регулятором размыва или в виде вертикальной стенки
из двух рядов стального шпунта или шпунтовых ячеек, что позволяет
укоротить рисберму.
16—1650
233
Крепление нижнего бьефа Цимлянской плотины (рис. 164) состоит
из водобойной плиты толщиной 4,5 м и длиной 50 м, на которой рас-
положены струенаправляющие пирсы и водобойная стенка. Рисберма,
выполненная из бетонных плит толщиной от 2,5 до 1,25 м и размерами в
плане от 20x25 до 10X10 м, на начальном участке горизонтальна, а
далее с переменным уклоном опускается на 7,6 м. Рисберма заканчивает-
ся анкерным массивом, в котором закреплена гибкая часть крепления,
образованная из двух слоев связанных между собой железобетонных
плит размерами 2,0X2,0X0,25 м. В конце крепления устроен ковш.
По его верхнему откосу и дну уложены хворостяные тюфяки, а сам ковш
на высоту 6 м засыпан камнем. При размывах грунта за рисбермой ка-
мень осыпается и образует отмостку, ограничивающую глубину размыва.
Общая длина крепления нижнего'бьефа плотины составляет около
300 м ( — 12 напоров). Средние скорости течения воды при пропуске рас-
четного паводка составляют: при сходе с водослива 20 м/сек-, за водо-
бойной стенкой 5 м/сек-, в конце рисбермы 2 -.-3 м/сек-, в ковше 1,8 м/сек
средняя и 1 м/сек донная.
Опыт эксплуатации ,водосливных плотин, расположенных на не-
скальных основаниях, показывает, что во избежание значительных раз-
мывов русла за пределами крепления необходимо строго соблюдать ре-
жимы эксплуатации сооружений и маневрирования затворами.
§ 4. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ПЛОТИН НА НЕСКАЛЬНОМ '
ОСНОВАНИИ
Расчет прочности секций плотины в поперечном направлении (в на-
правлении- потока воды). Величина усилий, возникающих в конструк-
ции секции, зависит от характера распределения нормальных контакт-
Рис. 177. Схемы к расчету фундаментной плиты -на мест-
ный изгиб.
ных напряжений по подошве фундамента. При расчете секции в попереч-
ном направлении фундаментная плита,совместно с быками и полубы-
ками рассматривается как коробчатая конструкция (рис. 177).
234
Рис. 178. Схемы к расчету секции плотины в по-
перечном направлении (в направлении движения
потока воды).’
Фундаментная плита участвует как в сопротивлении общему (всей
конструкции в целом), так и местному'изгибу [111]. Участки плиты abed
и a'b'c'd' со стороны нижнего бьефа и kmon и k'm'o'n' со стороны верх-
него бьефа работают на местный изгиб как плиты, опертые по трем
сторонам, имеющие свободный край со стороны бьефов. Нагрузками на
плиты являются: реакция основания, вес самих плит, вес воды сверху
и противодавление снизу. При расчете вертикальные сечения водослива
ab, а'Ь' и по, п'о' прини-
мают за места жесткой .L~l
заделки плит. По линиям
то, ad', т'о', a'd' Примы-
кания плиты к быкам
также принимается жест-
кое защемление, так как
ввиду симметрии нагруз-
ки эти сечения не пово-
рачиваются. В местах
примыкания к полубы-
кам (линии kn, be и k'n,
b'c') опирание принимают
условно шарнирным. Рас-
чет выполняют методом
перекрестных балок. Пли-?
ты разделяют на полосы в
двух взаимно перпендику-
лярных направлениях.
Полосы, опирающиеся на
бык и полубык, рас-
сматривают как балки на
двух опорах (рис. 177,в).
Поперечные полосы рас-
сматривают как консоли,
защемленные в водослив
(рис. 177,6). Из условия
равенства прогибов полос
в местах их пересечения
определяется распределе-
ние нагрузок между балками P6i и консолями PKi, причем сумма этих
нагрузок равна внешней нагрузке. Для сокращения вычислений условия
равенства прогибов записываются только по оси центральной консоли.
Для л-ц балки расчетными будут уравнения:
Уб1 = yKi;
Pi ~ ?6i +
где уи yKi — прогибы i-й балки и консоли в месте их пересечения.
Уравнения (256) записывают для всех балок и полученную систему ре-
шают. После нахождения-нагрузок на балки и консоли определяют из-
гибающие моменты и напряжения, вызванные местным изгибом. В за-
пас величины пролетного момента балки и опорного момента быка
принимают, что конец балки у полубыка свободно оперт. Возможная^,
величина опорного момента у полубыка (сечения k—п, b—с) для рас-
чета плиты в этом сечении принимается равной 30—40% величины опор-
ного момента у быка (сечения то, ad). .. ,
При расчете фундаментной плиты для работы ее совместно с бы-
ками (на общий изгиб) следует учитывать влияние местного изгиба.
С этой целью мысленно вырезают из фундаментной плиты ее участки,
подверженные местному изгибу (на рис. 177 участки kmon, abed).
i6*
235
По контурам разреза прикладывают действующие в них изгибающие мо-
менты Моя, Мав и перерезывающие силы Qo„, Qae (рис. 177 и 178). При
определении усилий в вертикальных сечениях секции от общего изгиба
нормальная реакция основания, вес воды и плиты и другие нагрузки,
приходящиеся на вырезанные участки плиты, в расчет не вводят, так
как они уже учтены в контурных усилиях М и Q.
Горизонтальная реакция основания, горизонтальные силы в торцах
фундаментной плиты в верхем и нижнем бьефах, реакция анкерного по-
нура (если он есть) и другие горизонтальные нагрузки вводят в расчет
на всех участках фундаментной плиты (на рис. 178 не показаны).
а
мяшиииививаииш
Ртг IP31V \Pflfit
Г~ТГ—III----------11
I I I Л'ГГ И I П ГД Ptp
е
Рис. 179. Схемы к расчету фундамента секции плотины
с низким порогом в продольном направлении:
a — деление фундаментной плиты на продольные полосы:
б — схема к расчету продольной полосы; /—фильтрационное дав-
ление; 2 — реакция грунта. ,
Часто фундаментную плиту снабжают верховым зубом (рис. 178,6),
который обеспечивает устойчивость секции плотины благодаря сопро-
тивлению срезу грунта основания по плоскости cd на уровне низа зуба,
то есть с учетом сил трения и сцепления в грунте (последнее в связных
грунтах). В таких случаях при расчете низа фундаментной плиты в верх-
нем бьефе й при подборе арматуры в ней необходимо учитывать воз-
действие усилия Т3 на верховой зуб плотины. Величину усилия Т3 мож-
но принять приблизительно равной силе сцепления в плоскости cd.
Быки и полубыки имеют значительную высоту. Поэтому работа
их на изгиб в продольной плоскости происходит подобно работе-бал-
ки — стенки с полкой внизу. Роль стенки играет бык или полубык, роль
полки — соответствующая часть фундаментной плиты. При вычислении
момента общего изгиба в такой балке учитывают сильц действующие по
одну сторону от рассматриваемого вертикального сечения.
. При деформациях поперечные сечения быков и полубыков не
остаются плоскими, особенно вблизи торцов. В связи с этим при рас-
чете прочности их растянутой нижней зоны методами сопротивления ма-
териалов в расчет вводят высоту быка, ограниченную пунктирной ли-
нией на рисунке 178, б. При этом условии полное усилие в растянутой
зоне можно считать достаточно близким к действительному.
Фундаментная плита участвует в сопротивлении как общему, так
и местному изгибу секции. Поэтому напряжения в ее сечениях от обоих
видов изгиба складываются.
& Расчет в продольном направлении плотин с низким порогом (вдоль
оси плотины). Прочность секции в продольном направлении обеспечи-
вается фундаментной плитой совместно с порогом водослива. Фунда-
ментная плита в направлении движения потока находится под неравно-
мерной нагрузкой, что объясняется седловидной эпюрой реакции осно-
236
Тя, Тн — горизонтальные нагрузки со стороны верхнего и нижнего
бьефов, за исключением давления грунта;
Еав, £а.н — активное давление грунта соответственно со стороны верх-
него и нижнего бьефов;
Р—угол наклона плоскости скольжения к горизонту.
В числителе формул (258) и (259) записаны силы, оказывающие со-
противление сдвигу сооружения -в состоянии предельного равновесия,
а в знаменателе — силы, вызывающие сдвиг.
Расчет по схеме смешанного сдвига. Расчет по этой схеме (рис. 182)
выполняют в случае, если условия, при которых может произойти плос-
кий сдвиг [166], не удовлетворены. Сопротивляемость основания сдвигу
равна сумме сопротивляемости на участке плоского сдвига (участок В<>
Рис. 182. Схема расчета несущей спо-
собности основания и устойчивости
сооружения в случае смешанного
сдвига прн отсутствии эксцентрисите-
та или при эксцентриситете в сторо-
'ну верхнего бьефа:
1 — зона выпора; /—I — расчетная пло-
скость подошвы фундамента.
на,рис.~182) и сопротивляемости на участке-сдвига с выпором (уча-
сток Bi). При расчете устойчивости‘по схеме смешанного сдвига учи-
тывают влияние эксцентриситета в приложении нагрузки.
При отсутствии эксцентриситета в приложении нагрузки или при
эксцентриситете в сторону верхнего бьефа коэффициент запаса устойчи-
вости определяют по формуле:
- ' к — тпр.р Bi (260)
3 (Тв + £а.в)-(Гн + £'а.н)’
осреднее нормальное напряжение под подошвой плотины;
Ф—угол внутреннего трения грунта;
тпр.р—предельное касательное напряжение на участке сдвига с вы-
пором грунта основания, определяемое в соответствии с ука-
заниями СНиП П-А. 10-62.
Основы расчета устойчивости
плотины при сдвиге с частью ос-
нования по круглоцилиндриче-
ским поверхностям (метод проф.
М. М. Гришина). Этот метод рас-
чета болей простои по сравнению
с предыдущим. Считается, что в
предельном состоянии плотина
вместе, с грунтом основания, пред-
ставляющим собой как бы твер-
дое тело, может скользить по не-
которой круговой кривой (рис.
183). При этом точка А .может
находиться как внизу напорной
грани, так и внутри подошвы пло-
тины (см. рис. 182).
Произвольным радиусом R описываем из некоторой точки О круг-
лоцилиндрическую поверхность скольжения. Силу Р, равнодействующую
0
Рис. 1-83. Схема к расчету устойчивости
плотины против сдвига по круговым кри-
вым
239
всех вертикальных сил, переносим на поверхность скольжения и раскла-
дываем на составляющие:
A^x = PcosP; T1 = Psinp. (261)
Равнодействующую всех горизонтальных сил Q раскладываем также
на нормальную А2 и тангенциальную Т2 составляющие в точке А или В
(при переносе силы Q в плоскость подошвы сила Р перемещается па-
раллельно себе так, чтобы общий момент сил Р и Q не изменился).
Силы трения:
= fP cos ₽; S, = fQ sin a; SG = 'fG, (262)
где f — коэффициент трения в грунте.
G— вес скользящей части основания.
Сила сцепления между неподвижной и скользящей частью осно-
вания:
С = 2aRc, (263)
где с — удельное сцепление.
Фильтрационное давление на выделенный сегмент грунта пред-
ставляет собой геометрическую сумму фильтрационных давлений, вы-
численных для отдельных клеток фильтрационной сетки.
Коэффициент устойчивости основания
’ К _MyA__S1R + S2R + SGR + 2aRc
У Мед + 1 J
где w — плечо силы W $ относительно точки О.
Задаваясь рядом положений центра кругло-цилиндрической поверх-
ности скольжения, определяем расчетное, наиболее опасное положение,
при котором Ку оказывается минимальным.
г
Глава XV
АРОЧНЫЕ, КОНТРФОРСНЫЕ, ЯЧЕИСТЫЕ
И ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЕ ПЛОТИНЫ
§ 1. АРОЧНЫЕ ПЛОТИНЫ
Конструкции плотин. Криволинейные в плане плотины, работающие
как горизонтально расположенная арка и передающие горизонтальную
нагрузку от давления воды берегам, называются арочными.
Арочные плотины обычно строят в горных районах, в ущельях
(рис. 184, а). Скальные породы основания должны удовлетворять тре-
бованиям прочности, водонепроницаемости й надежности упора плоти-
ны. Несмотря на малую толщину, арочные плотины, даже при огромной
высоте, представляют вполне надежную упругую .конструкцию и об-
ладают более высокими запасами прочности, чем другие типы плотин,
если прочность скального массива, воспринимающего нагрузку от пло-
тины, не нарушена. При необходимости возможно улучшение несущих
свойств основания путем цементации, заделки воронок и т. п.
При благоприятных природных условиях арочные плотины являются
наиболее экономичным решением. Так, при проектировании плотины
Чиркейской ГЭС вариант плотины из местных материалов был отверг-
нут, несмотря на его преимущество — экономию цемента, так как при
этом требовались большие капиталовложения и удлинялся срок строи-
тельства. Поэтому была запроектирована плотина бетонная арочного
типа (рис. 184); высота ее //=230 м, толщина арки поверху 6 = 6 м и
понизу В = 32 м.
240
Для гравитационных плотин отношение ширины плотины понизу к
ее высоте ~ составляет 0,7—0,8, для арочно-гравитационных — =
= 0,4 -ь 0,6, а для арочных — =0,08—0,15.
н
Величина отношения —,называемого коэффициентом строй-
н
ности, зависит от отношения ширины створа на уровне гребня плоти-
ны к ее высоте цем меньше тем меньше — , и наоборот.
Н Н Н
В настоящее время арочные плотины считают экономичными при
До 7 -; 8.
Рис. 184. Арочная плотина Чиркейской ГЭС:
а — продольный разрез по оси гребия плотины; б — план; в — сечение в ключе; / — ось плотины;
2 — естественная поверхность; 3— контур врезки плотины; 4—бетонный гравитационный устой;
5 — бетонная пробка; б—донные водоспуски; 7 — строительный туннель; 3 —смотровые галереи;
9 — шахта подъемника; 10 — галерея для цементации; 11 — контур цементационной завесы; 12 — кон-
тур укрепительной цементации; 13 — ось цементационной завесы.
Сопряжение арочной плотины с основанием выполняют врезкой те-
ла плотины в скальное основание, так как пяты арок должны опирать-
ся на прочную скалу. Поэтому опорный контур плотины может иметь
неправильную форму. Для улучшения напряженного состояния плотины
в этом случае отделяют фундаментную часть от самой плотины пери-
метральным (контурным) швом плавного очертания (рис. 185).
Наиболее распространенная форма арок — круговая. Анализ на-
пряженного состояния круговых арок показывает, что напряжения тем
меньше, чем меньше радиус арки и больше центральный угол. Посколь-
ку увеличение центрального угла приводит к увеличению длины арки
и объема кладки, этот угол принимают равным 100 130°.
241
На конструкцию арочной плотины влияет форма сечения ущелья.
При трапецеидальной форме сечения и близкой к прямоугольной выбран-
ную величину центрального угла и радиуса сохраняют постоянной поч-
ти по всей высоте плотины. Толщина ее увеличивается книзу пропорцио-
нально высоте. Напорная грань принимается вертикальной.
Рнс. 185. Плотина Понтезей (Италия):
1— уширенный фундамент; 2 — контурный шов/
Рис. 186. Плотина Баундерн (отметки в футах): .. ..
1— поверхность дна русла; 2 — дополнительный затвор; 3 — сегментный затвор 15.3X14 м; 4 — глу-
бинный затвор 5,2X6,4 лг; 5 — строительный шов; 6 — поверхность земля; 7—подошва плотины (от-
метки в футах).
При треугольной и близкой к ней. форме сечения ущелья строят
плотины с переменным радиусом, уменьшающимся книзу, а центральный
угол сохраняют постоянным. Чтобы повысить экономичность арочных
плотин, их проектируют как оболочки двоякой кривизны, переходят к
эллиптическим и параболическим аркам (в широких створах), а также
применяют статически определимые арки из трехшарнирных поясов; у
которых изменение температуры окружающей среды, термоусадочное
242
сокращение длины арки и податливость опор не приводят к изменениям
напряженного состояния, а лишь вызывают перемещения йа опорах.
Бетон арочных плотин должен удовлетворять тем же требованиям,
что и бетон массивных плотин. Для арочиых плотин целесообразно при-
менять высокопрочные бетоны марок «300» и «400». Однако в связи с
высокими расходами цемента возникает опасность термического трещи-
нообразования. Особое внимание следует обращать на однородность бе-
тона, так как неоднородность* его приводит к усилению трещинообразо-
вания.
Основания арочных плотин подготавливают так же, как основания
гравитационных, применяя обычно цементационную завесу, которую про-
должают и.в склоны ущелья (рис. 184).
Рис. 187. Плотина Бодо (Италия):
/ — кровля скалы; 2 — естественная поверхность земли.
Фильтрационное давление в основании и теле арочной плотины для
ее прочности.и устойчивости значения не имеет, однако дренаж плоти-
ны, аналогичный дренажу массивных плотин, иногда устраивают для
предохранения бетона от разрушения при промерзании.
Во избежание температурно-усадочных трещин арочные плотины
разрезают на блоки бетонирования вертикальными радиальными (по-
перечными) швами, которые цементируют при возможно низкой темпе-
ратуре. Уложенный бетон охлаждают через систему труб с помощью
холодильной установки или холодной речной воды, как на строительстве
арочно-гравитационной плотины Токтргульской ГЭС. Расстояние между
радиальными швами, разделяющими' блоки бетонирования, составляет
обычно 15 м. Со стороны обеих граней плотины устраивают уплотнения
швов в виде металлических листов; у напорной грани уплотнения уси-
ливают асфальтовой шпонкой.
По епособу пропуска воды ароиные плотины подразделяют на глу-
хие и водосбросные. На рисунке 186 показана арочная плотина Баунде-
ри (США), имеющая высоту 117 м, длину по гребню 226 м, ширину по
гребню 2,4 м и по ^подошве 10 м, объем бетона 84 тыс. м3. Коэффициент
стройности (-—1 равен 0,085. Через два водосливных отверстия, пере-
крываемых сегментными затворами, размером 15,3X14 м сбрасывается
3060 м31сек, а через семь глубинных отверстий размером 5,2x6,4 м —
7140 м3!сек.
Плотина Водо в Италии (рис. 187) выполнена в виде купола, очер-
ченного по поверхности шара. Купол вверху опирается на арку, на ко-
торой устроен водослив.
243
Смотровые галереи (рис. 184, 8) арочных плотин устраивают в.тех
же целях и таких же размеров, что и в бетонных гравитационных пло-
тинах. Эти галереи используют также во время цементационных работ
При заделке межблочных швов. Сообщение между горизонтальными яру-
сами галерей осуществляется с помощью шахт (рис. 184, 9).
Методы расчета плотин. Ме-
тоды расчета арочных плотин мо-
жно разделить на три группы:
1) расчет плотины как системы
независимо работающих горизон-
тальных арок; 2) расчет плотины
как пространственной конструк-
ции в виде системы перекрещива-
ющихся вертикальных консолей и
горизонтальных арок и 3) расчет
плотины как оболочки.
1. Расчет арочной пло-
Рис. 188. Схема к расчету арочной плоти- ТИНЫ как систем Ы Г О р И -
ны как системы независимо работающих зонтальных арок. Рассмот-
арок. рим расчет свободшцопирающей-
ся тонкой круговой арки (рис.
188) . Проектируя все силы на направление равнодействующей внешней
нагрузки R, получим [60]:
(265}
ав а0
2Asina0 = 2 С PcosadS = 2 С PcosarHda=2PrHsina0.
о 3
Полагая высоту арки равной 1 м, определим из уравнения (265) напря-
жение в бетоне ст в направлении оси арки:
Рис. 189: Схема распределения нагрузки между арками
и консолями:
/ — нагрузка на стенку; 2 —нагрузка на арку.
Формула (265) не учитывает температурно-усадочные явления, усло-
вия опирания и т. д. При жестком защемлении пят арочную плотину рас-
считывают как бесшарнирную арку. Для подсчета напряжений- в пятах
применяют графики, составленные Н. Келеном
Крупным недостатком рассмотренного метода расчета арочных пло-
тин является представление о плотине, как о системе независимо рабо-
тающих арок, не учитывающее их взаимное влияние на статическую ра-
боту. Поэтому этот метод можно применять в основном для предвари-
тельных расчетов..
2. Расчет арочных плотин методом расчленения на
арки и консоли. Арочная плотина рассматривается как система го-
244
ризонтальных арочных колец (рис. 189) и вертикальных стенок-консолей
(сечение /—/). Точку i можно отнести как к арочному кольцу, так и
к консоли, поэтому прогибы арки ff и консоли fKt равны:
7? = П- (267)
Гидростатическую нагрузку от воды на плотину можно рассматри-
вать как состоящую из двух частей: одна часть Pf вызывает деформа-
цию арки, другая — Р* —деформацию консоли, причем
p^ + pu = Pi (268)
Для сокращения вычислений условие (267) может быть записано
только для центральной консоли. Подставляя в (267) выражения про-
гибов для арок и консолн с учетом равенства (268) и решая систему
уравнений, получим распределение нагрузки между арками и консоля-
ми (рис. 189), после чего те и другие рассчитывают обычными методами
строительной механики. Метод центральной консоли более точно учи-
тывает пространственный характер работы арочной плотины по сравне-
нию с предыдущим способом расчета, однако является весьма прибли-
женным и может использоваться в основном в предварительных рас-
четах.
В способе пробных нагрузок добиваются равенства проги-
бов по многим вертикальным сечениям и точкам, что значительно повы-
шает точность расчета. Этим способом рассчитан ряд построенных ароч-
ных плотин.
X. Г. Ганев предложил метод расчета, в котором горизонтальные ар-
ки рассматриваются как упругая постель («Винклеровское основа-
ние») для консолей.
Дифференциальное уравнение для балки имеет вид:
(EJw")" = q (у). (269)
Правая часть для средней консоли выражает действие гидростатической
нагрузки и реакцию упругого основания '
q{y) = P (У) ~ Kt (у) w(y), (270)
где Р(у) — гидростатическая нагрузка;
Кг (у) — коэффициент постели;
w(y)— радиальный прогиб балки — консоли.
Решение уравнения (269) дает линию прогибов центральной консо-
ли. Для плотин двоякой кривизны (купольных) исходным будет уравне-
ние кривого бруса, а не (269). X. Г. Ганевым дано также решение ароч-
ных плотин как конических оболочек.
В основу расчета арочных плотин по общему вариационно-стержне-
вому способу К- М. Хуберяна [212] положена, как и в предыдущих слу-
чаях, стержневая схема оболочки. Горизонтально расположенные арки
служат «упругим основанием» для консолей. Расчет на воздействие сей-
смического толчка, направленного вдоль ущелья, может быть выполнен
методом «арок — консолей», а при воздействии сейсма, направленного
поперек ущелья,— методом, предложенным Н. Н. Леонтьевым и Д. Н. Со-
болевым [109].
Современные методы расчета арочных плотин рассматривают бетон
как изотропный материал, способный воспринимать напряжения обоих
знаков. Этим не учитывается, что арочные плотины возводят путем бе-
тонирования отдельных столбчатых блоков, разделенных вертикальными
и горизонтальными швами бетонирования. Принимаемой в расчете жест-
кой или упругой заделки сооружения по контуру основания фактически
нет, вследствие трещиноватости основания и невозможности обеспечения
надлежащего сцепления с ним бетона плотины. Не учитывается также
245
общая деформация основания вследствие гидростатической нагрузки на
дно и борта каньона и т> д.
Необходимо дальнейшее совершенствование методики расчета, обес-
печивающее достаточное приближение к реальным условиям работы со-'
сружения.
§ 2. КОНТРФОРСНЫЕ ПЛОТИНЫ
Контрфорсная плотина представляет собой ряд контрфорсов, кото-
рые расположены на некотором расстоянии друг от друга и служат опо-
рами для напорных перекрытий (рис. 190). В зависимости от типа на-
порного перекрытия различают плотины: массивно-контрфорсные, с плос-
Рис. 190. Схемы глухих контрфорсных
плотин:
а — с плоскими напорными перекрытиями;
б — многоарочная; в — с консольными массив-
ными оголовками контрфорсов; г — с плоскими
напорными перекрытиями; 1— зуб; 2 —напор-
ные плиты; 3 — балки жесткости; 4 — контр-
форс: 5^-скала; б-’-аркн; 7— ребро жестко-
сти; 8 — дренажйые отверстия; 9 — фундамент-
' мая плита.
кими перекрытиями и перекрытиями из сборных цилиндрических и приз-
матических оболочек, многоарочные, а при перекрытиях двоякой кривиз-
ны — многокупрльные.
На скальных основаниях контрфорсы могут опираться непосредст-
венно на скалу. На полускальных основаниях уширяют подошву контр-
форсов, на слабых скальных и нескальных основаниях устраивают фун-
даментную плиту. Плотины этого типа возводят как глухие, так и водо-
сбросные. В контрфорсных плотинах фильтрационное давление по
подошве тем меньше, чем больше расстояние между контрфорсами и
тоньше напорное перекрытие. В связи со значительным уменьшением
собственного веса контрфорсных плотин их устойчивость ла сдвиг обес-
печивается весом водной пригрузки, действующей на наклонное пере-
крытие. Для повышения устойчивости плотины иногда контрфорсы за-
анкеривают в основание. : -
Контрфорсная плотина весьма экономична. Объем бетона или же-
лезобетона, необходимый для ее возведения, в 1,5—4 раза меньше, чем
для возведения гравитационных плотин.'Применение железобетонных
плотин (с плоскими напорными плитами; многоарочных) особенно целе-
сообразно в районах, труднодоступных в транспортном отношении, так
как при этом типе плотин значительно уменьшается объем перевозок
материалов. _
Бетон крнтрфорсных плотин должен быть морозостойким и обла-
дать большой водонепроницаемостью.
Для предотвращения потери устойчивости вследствие продольного
изгиба сжатых относительно тонких контрфорсов последние усиливаются
ребрами или балками жесткости. Водосливные контрфорсные плотины
имеют быки и водосливную плиту, при отсутствии ее перелив происхо-
дит по схеме свободно падающей струи.
246
Массивно-контрфорсные плотины. В этих плотинах напорные пере
крытия представляют собой массивные консоли — оголовки контрфор-
сов. Сами контрфорсы могут быть одиночные или парные (рис. 191), что
повышает жесткость вдоль оси сооружения при боковом сейсмическом
воздействии, а также упрощает устройство водосбросных отверстий. Ого-
ловок с напорнбй стороны может быть круглый, полигональный или плос-
кий. Давление воды Hfe-вызывает растягивающих напряжений в оголов-
ках при их круговой или полигональной форме. Конструктивными шва-
ми контрфорсы в пределах оголовков отделены друг от друга. Этим
МахсМЬ 9',2
достигаются независимые деформации их и воз-
можность возведения плотин на податливых осно-
ваниях. Водонепроницаемость швов обеспечива-
ется специальными уплотнениями по типу швов в
гравитационных плотинах.
Требования к качеству оснований этих пло-
тин примерно те же, что и при массивных грави-
тационных плотинах.
Массивно-контрфорсные плотины возводят
бетонные без армирования. Как и в гравитацион-
ных плотинах, применяют зонирование бетона..
В контрфорсах высоких плотин устраивают тем-
пературно-усадочные швы. Расстояние между
осями контрфорсов принимают от 10 до 20 м.
Толщина контрфорсов 3—8 м, в зависимости от
высоты плотины.
' -^Расчет прочности выполняют методом сопротивления материалов по
формуле внецентреннОго сжатия. Главные напряжения на гранях опре-
деляют как и в гравитационных плотинах.
Контрфорсные плотины с плоскими перекрытиями. Плотины этого
типа (рис. 1§2) представляют собой ряд тонких железобетонных контр-
форсов треугольного или близкого' к нему профиля с наклоном верховой
грани к горизонту под углом 45—60°. Контрфорсы имеют переменную-
толщину, увеличивающуюся книзу.
Железобетонные плиты перекрытия контрфорсных плотин обычно-
свободно оперты на контрфорсы. Для опирания плит контрфорсы снаб-
жаются консольными уширениями с шириной площадки опирания, рав-
ной 0,5—1,0 толщины плиты. Пролеты плиты обычно составляют 5—12 м.
Толщину плит вверху принимают 0,2—0,3 м, ниже ее определяют рас-
четом прочности.. Ц1вы в напорных плитах устраивают двух видов —
строительные, разделяющие по высоте блоки бетонирования, и деформа-
ционные (температурные), устраиваемые в плитах высоких плотин через
15—25 м по высоте с противофильтрационными уплотнениями (анало-
гично швам гравитационных плотин).
247 .
Разрезная конструкция напорного перекрытия допускает неравно-
мерную осадку контрфорсов, что позволяет снизить требования к каче-
ству основания. На напорной грани плит растягивающие напряжения не
возникают.
Плотины с фундаментной плитой разделяют деформационными шва-
ми на секции длиной 15—25 м, причем швы устраивают по осям утол-
щенных контрфорсов. При нескальных основаниях плиту армируют и
Рис. 192. Железобетонная плотина с плоским разрезным напорным перекрытием:
а — разрез посредине пролета: б — вид с нижнего бьефа; в — сечение плиты на отметке 910:
/ — доломит.
•снабжают дренажными отверстиями для уменьшения фильтрационного
противодавления. Для повышения устойчивости плотины на сдвиг фун-
даментная плита может быть пригружена слоем грунта.
Балки жесткости располагают по высоте через 4—8 м и через 5—
12 м по горизонтали.
Устойчивость плотины против сдвига проверяют так же, как и устой-
чивость гравитационной плотины. При отсутствии фундаментной плиты
фильтрационное давление ввиду его малости не учитывают. Методы рас-
чета контрфорсных плотин рассмотрены в специальной литературе [154].
В сборной контрфорсной плотине Дрис. 193) контрфорсы сквозной
конструкции собирают из колонн и подкосов. Плиты напорного перекры-
248
тия в виде корытообразных балок с верхней поверхностью двоякой кри-
визны опираются на горизонтальные балки, играющие также роль балок
жесткости. Водосливная часть состоит из сборных железобетонных
плит [18].
Контрфорсная плотина со сборным напорным перекрытием. В этой
конструкции плотины [33] отверстия между контрфорсами перекрывают-
Рис. 193. Сборная контрфорсная плотина с решетчатыми контр-
форсами и напорными плитами двоякой кривизны.
Рис. 194. Контрфорсная плотина с напорным перекрытием из
цилиндрических и призматических оболочек:
/ — оболочка; 2 — контрфорс; 3 — балки жесткости; 4 —поперечная диафрагма;
5 — торцовая диафрагма; 6 — водонепроницаемые швы.
ся рядом отдельных оболочек с горизонтальной образующей, поставлен-
ных одна на другую по наклонной плоскости напорной грани контрфор-
сов (рис. 194). Так как тонкостенные оболочки позволяют перекрывать
большие пролеты, чем плоские перекрытия, то возможно сократить чис-
ло контрфорсов.
Для предотвращения давления воды вдоль образующей оболочки
пазухи между торцами двух оболочек смежных пролетов заделывают
битумом или иным материалом с аналогичными физическими свойствами.
Контрфорсная плотина со сборным напорным перекрытием имеет
следующие преимущества:
249
а) более экономична по сравнению с другими типами контрфорсных
плотин;
б) позволяет изготовлять напорное перекрытие по частям заводским
способом и осуществить принцип сборности;
в) может быть возведена на нескальном основании (при опирании
на фундаментную -плиту);
г) может быть не только глухой, но и водосливной.
Многоарочные плотины. Арочные перекрытия позволяют перекры-
вать значительно большие пролеты, чем плоские плиты. Расстояние
между контрфорсами многоарочных плотин составляет 18—25 м и более.
Например, 13 арочных пролетов плотины Маникуаган 5. (Канада) име-
Рис. 195. Многоарочная плотина Маникуаган 5:
а — план; б — внд со стороны нижнего бьеф.а; / — ось плотины; 2 — главная арка; 3 — гребень
плотины; 4 — поверхность скалы.
ют величину по 76,2 м (рис. 195), а главная арка (русловая) имеет про-
лет 161,5 м.
Толщину железобетонных арок вверху принимают 0,3—0,4 м, бе-
тонных—1,5—2 м, книзу толщина увеличивается в соответствии с по-
вышением давленйя воды, например толщина арки плотины Маникуа-
ган 5 составляем понизу 26 м, поверху 3 м, при высоте плотины 215 м.
Очертание арок обычно круговое при постоянной толщине арочных
колец, хотя некоторое утолщение к пятам позволяет снизить величину
растягивающих напряжений на напорной грани. Для использования вод-
ной пригрузки арочные перекрытия устраивают наклонными к горизон-
ту под углом 55—65°. Соединение арок с контрфорсами обычно жесткое,
что приводит к появлению значительных температурных растягивающих
напряжений и образованию трещин с напорной стороны арок, а также
не допускает неравномерных осадок. Последнее обстоятельство позво-
ляет возводить такие плотины только на хорошем скальном основании.
Отмеченных недостатков можно избежать, если соединить концы арок
между собой плитой, свободно опертой на контрфорсы.. .
Железобетонные арки армируют двойной арматурой. Напорную
грань их покрывают торкретом, слоем битума и т. д. Особенности расче-
та арок многоарочных плотин рассмотрены в специальной литерату-
ре [60].
В связи с большими расстояниями нагрузки на контрфорсы много-
арочных плотин больше, чем при плоских перекрытиях, поэтому контр-
форсы многоарочных плотин более массивны.-ватээщумнэцп энщог/дэгл
В сборно-монолитной конструкции многоарочной плотины (рис. 196)
[32] напорное перекрытие состоит из отдельных арок-сводов с затяжка-
ми, воспринимающими распор. Эго позволяет уменьшить толщину арки
и повышает надежность плотины
при боковых сейсмических нагруз-
ках, так как разрушение одного
пролета не повлечет за собой раз-
рушения всей плотины. В статиче-
ском отношении работа этой пло-
тины аналогична работе плотины
с плоским перекрытием, что дает
возможность возводить ее_на не-
скальном основании.
§ 3. ЯЧЕИСТЫЕ И ПРЕДВАРИТЕЛЬНО
НАПРЯЖЕННЫЕ ПЛОТИНЫ
В массивной бетонной плотине
слабо используется несущая спо-
собность бетона, который на 50—
70% выполняет роль балласта,
придавая сооружению вес, необ-
ходимый для обеспечения устой-
чивости на сдвиг. Поэтому замена
части бетона весом другого более
дешевого материала (камня, грун-
та) приводит к снижению общей
стоимости сооружения. В ячеи-
стых плотинах Уз необходимого
веса плотины составляет вес бе-
тонного каркаса и 2/з — вес гра-
вийно-песчаного грунта, заполня-
ющего ячейки. Ячеистые плотины
можно выполнять из сборных же-
лезобетонных плит или пустоте-
лых блоков; образующиеся при
этом колодцы заполняют местным
грунтом.
На рисунке 197 показана кон-
струкция сборной ячеистой плоти-
ны из блоков. Прочность стыка
между блоками на скалывание по
горизонтальным швам может
быть обеспечена специальными
выступами. Прочность по верти-
кальным швам обеспечивается пе-
ревязкой швов при укладке бло-
ков.
На рисунке 198 показана
ячеистая плотина ряжевого типа,
собираемая из железобетонных
балок. Разработаны также конст-
рукции плотин из блоков весом до
10 т с пустотами* заполняемыми
Рис. 196. Глухая многоарочная плотина
со сборным напорным перекрытием:
1 — секции арок; 2 — водонепроницаемые швы;
3 — балки жесткости; 4 — затяжка; 5—дренаж;
6 — обратный фильтр; 7 — аллювий; 8 — глина.
Рис. 197. Сборная конструкция ячеистой
плотины:
1 — крестообразный блок; 2 — плоский затвор.
грунтом.
- Применение ячеистых плотин экономически целесообразно как на
иа^яиздэд rRJWaxTOiEHWTHj’30£q (хктн'/q/ /анаг.киэ
Работа каркаса ячеистой плотины в статическом отношении подобна
работе контрфорсной плотины. Высокие ячеистые конструкции (плоти-
ны на скальных основаниях, устои и подпорные стены) рассчитывают
как внецентренно сжатые балки-контрфорсы коробчатого сечения. В ра-
боте Ю. А. Ландау («Гидротехническое строительство» № 1, 1967) пред-
102
Рис. 198. Ячеистая плотина из железобетонных ряжей.
Рис. 199. Секция плотины Братской ГЭС с напряженной анкеровкой к основанию:
а — разрез по анкеру; б —план по основанию; в —деталь натяжного устройства; 1 — натяжное-
устройство; 2—анкерный тяж; 3 — шахта; 4 — балка-рычаг; 5 — 100-тонный гидравлический домкрат.
ложен метод расчета общей прочности высоких ячеистых конструкций из
сборных плоских плит, в котором железобетонный каркас рассматри-
вается как составная балка переменного сечения и рассчитывается на
основании теории составных стержней.
Распластанные конструкции (например, флютбеты плотин на не-
скальных грунтах) рассчитывают как системы взаимосвязанных.
252
перекрестных балок. Если количество одноименных балок превышает 5,
то их действие на перпендикулярные к ним балки заменяется сплошным
упругим основанием, удовлетворяющим гипотезе Винклера.
Кроме усилий от общего изгиба, направленных вдоль стенок ячеек,
на каркас действуют местные усилия от давления грунта или воды, вы-
зывающие изгиб стенок ячеек в поперечном направлении. Стенки ячеек
рассчитывают при этом как балочные плиты, заделанные по двум сто-
ронам.
Технико-экономические показатели различных типов ячеистых пло-
тин приведены в специальной литературе [30]. Там же изложены мето-
ды статического расчета ячеистых плотин с числовыми примерами.
• Для более полного использования прочности бетона и сокращения
его объема при возведении плотин на скальных основаниях применяют
предварительное напряжение, которое достигается двумя способами:
1) прижимают сооружение к основанию натяжением высокопроч-
ной арматуры, заанкеренной в скальную породу (рис. 199);
2) создают сжимающие напряжения в бетоне сооружения плоскими
гидравлическими домкратами.
Оба'Эти способа можно применять при возведении гравитационных,
контрфорсных и арочных плотин. Предварительное напряжение повы-
шает общую устойчивость, трещиностойкость, жесткость и сейсмостой-
кость гидротехнических сооружений, позволяет получить значительную
экономию в стоимости строительства (до 15 -:-25%) и материалов (сни-
жение объема бетона до 50 -^70%).
При проектировании предварительно-напряженных плотин следует
учитывать, что устойчивость плотин зависит от прочности анкерных
креплений тросов, испытывающих большие растягивающие усилия, и
стабильности грунтов основания [186].
Раздел 6
ЗАТВОРЫ
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ
Глава XVt
ПЛОСКИЕ ЗАТВОРЫ И ШАНДОРЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАТВОРАХ
< . Назначение затворов. Гидротехнические сооружения имеют отвер-
стия для пропуска воды, которые перекрываются затворами.
Затворы — это подвижные конструкции, с помощью которых можно
управлять водным потоком. Перемещая затворы (закрывая, открывая
их частично или полностью), можно регулировать уровни воды перед
ними и расходы, пропускаемые через отверстия сооружений, сбрасывать
лед, шугу, плавник через поверхностные отверстия, смывать наносы че-
рез донные отверстия и т. д.
| Для маневрирования затворами сооружения специально оборудуют
' закладными частями, подъемными механизмами и служебными мостами.
Закладные части затворов — это неподвижные конструкции,,
заделанные в тело сооружения и обеспечивающие правильное функцио-
нирование затворов: опорные рельсы, устройства для создания водоне-
проницаемости в местах контакта затвора с постоянными частями соору-
жения и для обогрева этих контактов.
Подъемные механизмы с подвесными тросами, цепями и
штангами предназначены для подъема, опускания, поворота и вкатыва-
ния затворов, а также для подъема, установки и очистки решеток.
Служебные мосты служат для размещения на них стационар-
ных или подвижных подъемников затворов, передвижения различных
предметов оборудования, материалов, а также служебного персонала.
Размеры прямоугольных отверстий гидротехнических сооружений,
перекрываемых затворами, стандартизированы (СН 149—60). Различа-
ют отверстия п о в е р х но ст н ы е и глубинные (донные).
Типы затворов и их классификация. Разнообразие гидротехниче-
ских сооружений, оборудованных затворами, и предъявляемых к послед-
ним требований, обусловило появление многочисленных конструкций
затворов.
Затворы принято классифицировать по следующим основным призна-
кам: по видам водопропускных отверстий; по условиям работы в соору-
жении; по способам передачи давления на сооружение; по роду мате-
риала, из которого изготовлены затворы.
По видам водопропускных о т в е р с т и й затворы делятся
на поверхностные для перекрытия водосливных отверстий игл у -
б и н н ы е, служащие для -перекрытия донных отверстий (водоспусков,
водозаборов и др.).
По условиям работы в соор у жени и затворы подразделя-
ют на: х;
а) основные (рабочие), постоянно используемые при эксплуата-
ции сооружения; б) ремонтные — для временного закрытия отвер-
стия при ремонте основных затворов или элементов сооружений,
254
опускаемые обычно в стоячую воду; в) аварийные, применяемые в
случае аварии основного затвора и опускаемые в текущую воду;
г) строительные — для перекрытия отверстий лишь в период строи-
тельства сооружений.
а — шандоры; б — плоский; .в — сегментный; г — вальцовый; д — секторный; е — крыше-
видный; ж— с поворотными трапецеидальными фермами; з-с поворотными треуголь-
ными рамами; и — клапанный; к — плавучий затвор конструкции Л. В. Васильева.
По способам . передачи давления на сооружение
поверхностные затворы подразделяют на три основные группы: 1) пе-
редающие дарение на быки и устои; 2) передающие
давление на порог сооружения; 3) пер еда к5щие давле-
ние на порог и на быки (устои) сооружения.
Основные типы затворов поверхностных отверстий показаны на ри-
сунке 200.
255
К первой группе относятся:
1) шандоры (балочные заграждения) и плоские затворы (рис. 200, а,
€), движение поступательное;
2) сегментные затворы (рис. 200, в), движение вращательное;
3) вальцовые затворы (рис. 200, г), перекатываемые.
Во вторую группу входят следующие затворы:
1) секторные, вращающиеся вокруг горизонтальной оси, закреплен-
ной на пороге (рис. 200,5);
2) крышевидные, состоящие из двух щитовых полотнищ, вращаю-
щихся на горизонтальных осях (рис. 200, е);
3) с поворотными фермами, на которые опираются щитки или спи-
цы (рис. 200, ж), ис поворотными рамами (рис. 200, з).
Третья группа включает:
1) клапанные затворы, вращающиеся вокруг горизонтальной оси,
закрепленной на пороге (рис. 200, w);
2) плавучий затвор [31] (рис. 200, к), в котором несущей и передаю-
щей конструкцией служат цилиндрические оболочки, обращенные вы-
пуклостью в противоположные стороны и имеющие общую распорку-
затяжку.
Для донных отверстий применяют следующие типы затворов:
плоские (рис. 201, а); задвижки (рис. 201, б); сегментные (рис. 201, в);
цилиндрические — вертикальные (рис. 201, г), перекрывающие отвер-
стия дном или боковой поверхностью; дроссельные (рис. 201, 5); ша-
ровые (рис. 201, е); игольчатые — в виде поршня (рис. 201, яс); конус-
ные (телескопические), в которых отверстия открываются и закрывают-
ся горизонтальным перемещением цилиндра 1 (рис. 201, з).
По материалу, из которого изготовлены затворы, различают та-
кие их виды:
а) деревян’ные — применяют обычно для перекрытия отверстий
с напорами до 4—5 м и пролетами до 3—4 м, иногда устраивают дере-
вянные затворы сложной конструкции для пролетов до 8—10 м;
б) стальные — имеют наибольшее распространение, так как ими
можно перекрывать отверстия значительных размеров; в) железобе-
тонные — ввиду значительного веса пока имеют ограниченное распро-
странение.
В последнее время для изготовления затворов или их отдельных
элементов стали применять новые, более легкие и стойкие против кор-,
розни материалы (легкие сплавы, арктилит, нейлоновую ткань и др.),
которые облегчают вес затворов и позволяют применить менее мощные
подъемные механизмы.
По способу действия затворы подразделяются на управ-
ляемые, приводимые в действие эксплуатационным персоналом, и ав-
томатические, действующие без участия обслуживающего пер-
сонала.
Общие условия работы затворов. Выбор типа и конструкции основ-
ных затворов во многом зависит от условий, в которых они будут рабо-
тать. Эти условия в значительной мере определяются назначением пе-
рекрываемых затворами отверстий, которые могут использоваться для
пропуска различных расходов воды, а иногда и для пропуска льда, пла-
вающих тел й наносов.
Наиболее важные эксплуатационные требования, предъявляемые к
основным затворам, сводятся к следующему: точность регулирования
подпорного уровня; безотказность в работе; водонепроницаемость кон-
тактов затвора с сооружением. Иногда принимают меры против обмер-
зания и примерзания затвора к сооружению или ледяному покрову в
верхнем бьефе.
Воду можно пропускать или из-под щита в подъемных затворах
(рис. 202,а), или поверх щита в опускных затворах (рис. 202,6),
256
или одновременно* поверх щита и под ним в сдвоенных затворах
(рис. 202,в). *
Для пропуска льда, шуги и других плавающих тел с минимальной
потерей воды наиболее приспособлены опускные, сдвоенные и клапан-
ные затворы. При остальных типах затворов требуется полное открытие
отверстия, что сопряжено с большой потерей воды.
♦
а — плоский; б — задвижка; в — сегментный; г — цилиндрический; д — дроссельный;
е — шаровый; ж — игольчатый; з — конусный; 1 — подвижный цилиндр; 2 — неподвиж-
ная часть; 3 — конус.
Рис. 202. Схемы пропуска воды при маневрировании затворами.
Для пропуска донных наносов применяют подъемные затворы, а для
промывки отложившихся наносов наиболее целесообразны сегментные
и вальцовые затворы, которые при подъеме отходят от накопившихся
перед ними наносов.
Зимой обмерзание затвора и примерзание его к пазам, а иногда
и к порогу делают невозможным маневрирование им. Поэтому необхо-
димо окалывать лед, поддерживать перед затвором «майну», утеплять за-
творы, применять в закладных частях электронагревательные аппараты
и другие меры, обеспечивающий безотказную работу затвора зимой.
17-1650 257
Водонепроницаемость контактов затворов, с сооружением дости-
гается постановкой специальных уплотнений.
Силы и нагрузки, действующие на затворы, устанавливают по
СНиП; при расчете затворов давление льда не учитывают вследствие
обязательной околки его вдоль затвора.,
При выборе типа глубинного затвора учитывают; необходимость ре-
гулирования расхода воды, величину действующего напора, размеры от-
верстия, требуемую степень герметичности закрытия отверстий, условия
пропуска строительных расходов. Кроме того, при выборе типа затво-
ров для перекрытия как глубинных, так и поверхностных отверстий ру-
ководствуются экономическими соображениями, сравнивая различные
типы затворов.
§ 2. ШАНДОРЫ, СПИЦЫ И ДЕРЕВЯННЫЕ ЩИТЫ
Шандоры бывают деревянные, металлические и железобетонные.
Простейшие деревянные шандоры — это брусья прямоугольно-
го сечения, укладываемые в пазах горизонтально один на другой в виде^
О!
Рис. 203. Типы шан-
; дор с различными при-
способлениями для за-
хвата:
а — деревянные: б — же-
. лезобеюнные; в, г — ме-
таллические задвижные
шандоры.
258
6SS
стенки, закрывающей отверстие гидротехнического сооружения. Щандо.-.
ры снабжают приспособлениями-для захвата, подъема и опускания их
(рис. 203, а).
Деревянные шандоры применяют при небольших пролетах, обычно
до 4—5 м, и напорах до 4—5 м.
Шандоры в основном применяют как ремонтные затворы, но для не-
которых мелких сооружений их можно использовать как постоянные.
Шандоры рассчитывают как балку на двух опорах, нагруженную рав-
номерно распределенной нагрузкой.
Рис. 205. Арочное ремонтное заграждение водосливных отверстий плотины
' Борисоглебской ГЭС:
а — установка заграждения; б — план; в — сечение элемента.
Металлические шандоры применяют при больших напорах и
пролетах. Ими перекрывают пролеты до 18—20 м при напорах до
10—12 м. Известны случаи применения металлических шандор для про-
летов до 30 м.
Существуют различные конструкции металлических шандор: а) про-
катные двутавровые балки, уплотнение между которыми достигается де-
ревянными брусками, прикрепленными к двутаврам (рис. 203,в); раз-
меры двутавров подбирают в соответствии с гидростатическим давлением
воды на шандорную стенку (рис. 203,а); б) сварные двутавровые балки;
в) металлические фермы с металлической обшивкой со стороны верхне-
го бьефа и деревянным уплотнением. • "
На рисунке 204 показана металлическая шандора* для пролета 8 м,
снабженная двумя парами колес, с обшивкой листовым железом с на-
порной стороны и с боковым резиновым уплотнением. Высота шандоры
1,15 л.
Иногда применяют металлические шандоры арочного типа, которые
требуют меньшей мощности подъемников. Такими шандорами, высотой
500 мм, перекрыты водосливные отверстия плотины Борисоглебской ГЭС
[150], пролетами по 12 м прн напоре 7 м (рис. 205).
Железобетонные шандоры (рис. 203,6) из-за значительного
веса применяют редко'. Для снижения веса их делают пустотелыми и с
предварительным напряжением.
Спицевый затвор (рис. 206) состоит из ряда деревянных брусьев
прямоугольного сечения, вплотную поставленных друг к другу и упираю-
* Применена на Кубань-Калаусской обводнительно-оросительной системе.
260
щихся нижними концами на уступ в флютбете 1, а верхними — в балку 2,
перекрывающую отверстие.
Спицами обычно перекрывают широкие пролеты при напорах
2—4 м. Чтобы .спицы не всплывали до создания ими подпора, их надо
устанавливать с уклоном — от 1:4
(длинные спицы — до 5 м).
К недостаткам спицевых за-
творов относится большая фильт-
рация через щели между брусья-
ми. Большей плотности можно до-
биться, если деревянные прямо-
угольные брусья заменить метал-
лическими трубами, которые плот-
нее примыкают друг к другу.
Деревянные щиты делают из
досок толщиной 6—10 см, соеди-
ненных вчетверть или с помощью
внутренних реек (рис. 207, а, .5).
С верховой стороны доски сплачи-
вают деревянными шпонками (из
дуба) или полосовым железом
(обычно 8x50 мм). Вверху они
заканчиваются крючьями, которые
меры этих щитов небольшие: ширина
(короткие спицы — до 2 м) до 1:8
Рис. 206. Спицевый затвор:
1— уступ; 2 — балка: 3 — спицы.
служат для подъема затвора. Раз-
1 —1,6 м, чаще 1 —1,2 м, высота
Рис. 207. Схемы плоских затворов: —
а — деревянный щнт, сболченный шпонками; б — деревянный щит, сболченный поло-
совым железом.
0,6—1,2 м, натТор. допускают до 3,5 м. При повышенных напорах края
щита оковывают полосовым или уголковым железом; при этом умень-
шается коэффициент трения скольжения, а тем самым и подъемная
сила.
§ 3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛОСКИЕ ЗАТВОРЫ
.Применение и условия работы. Простейшие плоские металлические
затворы обычно применяют для перекрытия отверстий гидротехнических
сооружений на оросительных системах. Они состоят из уголковой рамы,
соединенной с листовой обшивкой толщиной 4—5 мм (рис. 208,а). Раз-
меры их примерно те же, что и деревянных щчтов.
Для перекрытия больших пролетов поверхностных отверстий при-
меняют металлические затворы, более сложной конструкции, состоящие
из каркаса в виде балочной сети, с обшивкой из листовой стали. Вместо
261
стальной обшивки иногда применяют деревянную, выполняемую из гори-
зонтальных досок, но она недостаточно водонепроницаема и менее дол-
говечна. На канале имени Москвы обшивка выполнена из арктилита,
представляющего собой армированную пластифицированную древеси-
ну, полностью исключающую фильтрацию через обшивку.
БалоЧйВШ''каркас (рис^ 207,6) состоит из горизонтальных главных
балок 1, называемых главными- ригелями; вспомогательных балок 2;
вертикальных стоек 3, из которых крайние 4 называются опорно-кон-
цевыми. В больших затворах делают связи жесткости, обеспечиваю-
щие жесткость и пространственную неизменяемость конструкции'затвора.
Рис. 208. Простейший металлический
щит (а) и схёма двухригельного ме-
= таллйчеейого< затйора (6):
/ — главные ригейи; '? — аспойогй^льиые .
балки; 3 — вертикальный стойки; 4 — oh©t>-
но-концевые стойки.
• По числу ригелей затворы бывают двухригельными и многоригель-
ными. Для небольших (особенно глубинных) затворов целесообразно
применять многоригельную схему, позволяющую обойтись прокатными
профилями и меньшими размерами пазо^. Для больших затворов обыч-
но наиболее экономична двухригельная схема (рис. 208,6).
Число вспомогательных балок и стоек принимают с учетом макси-
мального использования работы обшивки. Соотношение сторон балоч-
ной клетки чаще всего принимают 1 : 1—1 : 2.
На затворы гидротехнических сооружений действуют статичес-
кие и динамические силы.
К статическим силам относятся: гидростатическое давление
воды, собственный вес затвора и давление наносов, если отложения, их_
временно образуются у затвора. __ •
Гидростатическое давление воды и давление наносов определяют
обычными способами. Давление льда на затвор не учитывается, так как
при эксплуатации в обязательном порядке его или окалывают, или пуска-
ют перед затвором сжатый воздух, или поддерживают перед затвором
незамерзающую «майну» и др.
Предварительно собственный вес затвора определяют но эмпириче-
ским формулам, а окончательно — по данным спецификации элементов
конструкций на основе выполненного проекта.
К динамическим силам относятся: волновое давление воды,
давление ветра, а также гидродинамическое давление воды, возникаю-
щее при обтекании водой затвора. Динамическое давление льда не учи-
тывается по тем же соображениям, что и статическое^
Волновое давление воды и давление ветра йри йоднятом над водой
положении затвора учитывают по СНиП П-АД1-62 и II-A.6-62.
Гидродинамическое давление возникает “при истечении воды из-под
затвора или при перейиве через'него. При течении воды поверх затвора
262
или под затвором плохо обтекаемого очертания может образоваться ва-
куум, вызывающий вибрацию. Поэтому этим граням затвора придают
плавно обтекаемое очертание, исключающее отрыв струи.
При истечении воды из-под затвора образующимся вакуумом созда-
ется эффект присоса затвора к порогу и увеличивается подъемное уси-
лие (рис. 209,а). Для устранения возможности появления вакуума дон-
ному уплотняющему брусу придают более плавное очертание (рис.
209,6) или применяют уплотнения с узкой опорной площадью (в виде
стальной пластины) и порогу водослива непосредственно за кромкой
затвора придают уклон в сторону нижнего бьефа (рис. 209,-в). В затво-
рах водоспусков в зону вакуума (за затворрм) впускается воздух для
восстановления атмосферного давления (рис. 209,г).
Рис. 209. Схемы обтекания водой нижней кромки затвора:
1, 2 — донные уплотняющие брусья; <3 — стальная пластина; 4 — воздушное отверстие..
Обшивка, Металлическую обшивку плоских затворов делают обыч-
но из листовой стали; толщину ее б определяют по формуле:
—----—-----см,
2(1+п2) И
(271)
где п=а:Ь;а и b—длины короткой и длинной сторон балочной клет-
ки, см;
р — удельное давление воды в центре балочной клёт-»,
ки, кг) см2;
‘ <р — коэффициент*, характеризующий заделку обшивки
по контуру: для плиты, закрепленной по всему кон-
туру, ф=0,75; для плиты, закрепленной по двум
сторонам, ф = 1,00; для свободно лежащей плиты
. <р = 1,13;
[о] — нормативное сопротивление на изгиб листовой ста-
ли, кг! см2.
Минимальная толщина обшивки, принимаемая на практике, 6—
8 мм. Обшивку покрывают антикоррозийным составом или масляной
краской. - _ _
Нагрузки на" элементы каркаса и закладные части. Вспомогатель-
ные разрезные балки воспринимают давление от обшивки и передают
нагрузку стойкам, а последние — ригелям, от которых давление переда-
ется опорным стойкам и опорам или непосредственно опорным заклад-
ным частям в пазах сооружения. Гидростатическое давление на затвор
распределяется по горизонтали равномерно, а по вертикали — по закону
треугольника. -
Разрезные вспомогательные балки и стойки при любом виде нагруз-
ки можно рассчитывать как свободно лежащие на двух опорах балки,
изгибаемые равномерно распределенной нагрузкой (расхождение в ве-
личинах максимальных моментов не превышает 2%). Площадь, с кото-
. 263
рой балки воспринимают нагрузку, определяется по закону биссектрисы
(см. abed на рис. 210, а) с эпюрой в виде треугольников (или трапеций)
(рис. 210, б).
Стойки будут нагружены давлением воды от обшивки соседних по-
лупролетов efgi, gkmn (рис. 210, а) и реакциями вспомогательных го-
ризонтальных балок (рис. 210,в). На главные балки (ригели) переда-
ется нагрузка в виде сосредоточенных • сил — реакций стоек, прикреп-
ленных к ригелям, и распределенной по треугольному закону нагрузки
от обшивки в пределах между стойками (например, edhi на рис. 210,а).
Рис. 210. Схемы распределения Рис. 211. Графический способ раз-
гидростатической нагрузки на эле- мещения равнонагруженных ригелей
менты затвора. для поверхностного и глубинного
затворов.
Ригели расставляют из условий равной нагруженности их давлени-
ем воды й рассчитывают как балки, свободно опирающиеся на две опо-
ры; прогиб ригеля не должен превышать ’/750 пролета для основных за-
творов и '/боо пролета для временных.
Положение равнонагруженных> ригелей по высоте затвора проще
всего определять графически. Для этого треугольную или трапецеидаль-
ную эпюру гидростатической нагрузки делят на равновеликие площади
и располагают оси ригелей в центрах тяжести этих площадей.
Для поверхностного затвора (рис. 211, а) треугольную эпюру делят
на равновеликие площади следующим путем. Отрезок АВ, равный вы-
соте затвора, делят на п равных частей: Аа, ас, се, еВ — и из точек а, с, е
восстанавливают нормали к АВ до пересечения с полуокружностью,
описанной на АВ, как на диаметре, в точках b, d, f. Из точкцД радиусами
Ab, Ad, Af засекают диаметр АВ в точках b', d', f'; нормалями к АВ в
этих точках разделяют треугольную эпюру давления воды на равнове-
ликие площади. Если расположить оси ригелей по линии центров тяже-
сти полученных равновеликих площадей, то каждый из ригелей будет
^эавнонагружен давлением воды:
р = у—— Tjnoc.M, . (272)
где п — число ригелей.
Равнонагруженность ригелей при двухригельной схеме достигается
расположением их на равном расстоянии от равнодействующей давле-
264
ния воды. В практике для двухригельных затворов принимают следую-
щие соотношения (рис. 208,6): длина верхней консоли d (из условий
жесткости) не должна превышать 0,45Н3 (Нэ — высота затвора), длина
нижней консоли С должна быть не менее (0,130,18) Н3 во избежание
опасности образования вакуума под затвором.
Равнонагруженные ригели глубинных затворов (рис. 211,6), погру-
женных под уровень воды на величину а, размещают следующим спосо-
бом. Величину а сносят на диаметр АВ (точка Д), радиусом АД засека-
ют полуокружность и находят точку С, расстояние СВ делят на «частей;
далее по предыдущему 'находят равновеликие площади трапецеидаль-
ной эпюры давлений воды и по линии центров тяжести располагают
оси ригелей.,
§ i. ОПОРНО-ХОДОВЫЕ И ЗАКЛАДНЫЕ ЧАСТИ
Опорно-ходовые устройства служат для передвижения затворов и
передачи давления воды на быки или устои. Различают подвижные
опорно-ходовые части, прикрепляемые к самому затвору (направляю-
в
Рис. 212. Опорно-ходовые части скользящих плоских затворов:
б — скользящие опоры деревянного и металлического затворов; в — скользящая опора с древесно-
слоистым Пластиком; / — наплавка из нержавеющей стали; 2 — полоз; .3 — скользящие опоры;
4 4 — рельс; 5 — направляющий ролик; 6 — закладной уголок.
щие полосы, полозья, колеса), и неподвижные закладные части, наглухо
заделанные в пазах быков и устоев (рис. 212),. Опорно-ходовые устрой-
ства должны обеспечить возможность плавного перемещения подвижной
части затвора с наименьшим значением сопротивления сил трения.
Подвижные опорно-ходовые части устраивают трех типов: сколь-
зящие, колесные и катковые (в практике СССР почти не при-
меняются), •
Скользящие затворы. В деревянных скользящих затворах для
уменьшения подъемных и опускных усилий опорные поверхности по
краям затвора обшивают полосовой сталью (рис. 212, а). В металличе-
ских затворах к опорным стойкам прикрепляют стальные или бронзо-
вые полосы (рис.,212,6), через которые давление передается закладным
частям. Опорные части, на которых скользит щит,затвора, обычно ис-
пользуют в качестве противофильтрационного бокового уплотнения, что
упрощает и удешевляет конструкцию затвора.
При. движении ^затвор а на скользящих опорах (за исключением по-
лозьев из древопла.стика) возникает большая сила трения, препятству-
ющая движению затвора: « , -
♦ Т ~ fW, (273)
265
18—1650
Плоский трехригельный затвор плотины Волгоградского гидроузла на полозьях
скольжения (вид с низовой стороны).
где f — коэффициент трения скольжения, величину которого выбира-
ют по таблице 25;
W—полное гидростатическое давление на затвор.
Таблица 25
Материал полоза или уплотнения Материал закладных частей
обык- новен- ная сталь нержа- веющая сталь
Обыкновенная сталь .... Бронза ..... Древесина . . . Древесно-слоис- тый пластик . . Резина .... 0,5 0,4 0,65 0,4 0,65 0,2 0,5 0,1 0,5
Рис. 213. Схемы расположения
колес плоских затворов.
Большие силы трения вызывают значительное увеличение" мощности
подъемных механизмов. Поэтому металлические и деревянные скользя-
щие затворы обычно применяют для перекрытия малых отверстий при
небольших напорах.
- Для уменьшения сил трения в скользящих опорах стали применять
полозья из древесно- слоистого пластика (ДСП). В этом случае коэффи-
циент трения скольжения снижается в несколько раз по сравнению с
коэффициентом трения между обычным деревянным брусом и сталью.
Древесно-слоистый пластик изготовляют в виде плит из березовых шпо-
нов, пропитанных фенольно- или крезольно-формальдегидными смола-
ми и склеенных в процессе термической обработки под давлением до
200 кг/см2-, объемный вес пластика 1,3 т/м3.
266
Скользящая опора с древесно-слоистым пластиком (рис. 212, в) со-
стоит из полоза, укрепленного на подвижной части затвора, и рельса,
впирающегося на закладную часть устоя. Рабочая часть 1 рельса долж-
на быт^ наплавлена из нержавеющей стали и иметь цилиндрическую
форму. .
Введение в практику полозьев из древесно-слоистого пластика зна-
чительно расширяет область применения скользящих затворов. На фо-
тографии показан плоский трехригельный затвор Волгоградской плоти-
ны на полозьях скольжения, он перекрывает пролет шириной 20 м. Раз-
меры затвора; ширина 20,8 м, высота 11 м, напор 9 м.
Колесные затворы. В колесных затворах опорные стойки передают
давление на колеса, оси которых закреплены в стойках или непосредст-
венно, в ригелях. Для достижения равнонагруженности колес рекомен-
дуется с каждой стороны затвора ставить по два колеса, располагая их
на равном расстоянии от равнодействующей гидростатического давле-
ния (рис. 213/6). В затворах с большими пролетами для уменьшения на-
грузок на колесо число колес удваивают с передачей давления от ригеля
на особую тележку с двумя колесами (рис. 213, а). В многоригельных
затворах отдельно ставят колеса под концом каждого ригеля.
Соединение колес с опорными стойками или ригелями должно обес-
печивать передачу давления от колеса на рельс по всей линии касания.
В затворах небольших пролётов и напоров колеса могут быть располо-
жены вне опорных стоек, на консолях осей (рис. 214, а) в этом случае
уменьшаются размеры пазов в быке.
На рисунке 214,6 показана другая конструкция прикрепления ко-
лес к плоскому затвору. Здесь требуется более широкий паз. Во избежа-
ние перекосов во время движения затвора ставят ограничительные и на-
правляющие ролики 4 (рис. 214, бив)..
Рис. 214. Способы прикрепления колес к плоскому затвору:
1 — колесо; 2 — подшипник; 3 — рельс; 4 — направляющие ролики;* 5 — уплотнение; 6 — ригель:
7 — обшивка: 8 — вертикальная ось.
При перекрытии пролетов более 10 м вследствие прогиба ригелей
колеса наклоняются в сторону пролета и быстро срабатываются. Для
сохранения постоянства центрирования давления на колеса и устране-
ния их перекоса подшипниковую отливку соединяют с ригелем или опор-
ной стойкой посредством шарниров (рис. 214,в), что позволяет ей по-
ворачиваться вокруг вертикальной оси 8.
Колеса с подшипниками скользящего трения рассчитывают на диа-
метральное сжатие, исходя из усилйя, передаваемого на колесо:
п
18*
• 267
где W—полное гидростатическое давление на затвор;
п — число колес.
Диаметр обычного колеса находят по формуле:
Рис. 215. Колесо с роликовыми подшипни-
ками.
7?— радиус колеса, см;
Ro—радиус средней окружности
Диаметр колеса обычно равен 0,1
D = 2R = —-------, (274)
а размеры роликового колеса
(рис. 215)
2^ = -Т^Т-> (2^)
& [<Тр]
где b — ширина обода колеса
(обычно 8—15 см);
[ор] — нормативное сопротив-
ление на сжатие; изме-
няется в пределах 55—
75 кг/см2, в зависимости
от сорта стали;
роликового подшипника, см;
1—1,0 м. - *
§ 5. ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
Для предотвращения.фильтрацииводыпо контакту.подвижной части
затвора и постоянных неподвижных частей вооружения (быков, устоев
и порогов) устраивают Донные и боковые уплотнения.
Рис. 216. Типы донных уплощений:
/ — стальная пластина: 2 — стальная отлизка: 3 — баббит: -/ — деревянный брус; 5 — про-
фильная резина; 6 — полосовая жесткая резина; 7 — резиновое уплотнение деревянного
бруса. 1 .
Донное уплотнение выполняют в виде деревянного бруса плавно
обтекаемой формы (рис. 216, й) илй со скошенным краем во избежание
образования вакуума. На пороге флютбета укладывают закладную
268
часть в виде уголка или швеллера. В связи с быстрым истиранием бруса
и возможностью образования вакуума применяют уплотнение в виде
стальной пластины (рис? 216, а) или отливки (рис. 216,6), упирающей-
ся в полосу мягкого металла, заделанную в закладную часть порога.
В последнее время для уплотнений часто применяют износоустойчи-...
вую и морозоустойчивую резину, полосовую (рис. 216, д) или специаль-
Рис. 217. Типы боковых уплотнений:
/ — деревянный брус; 2 -г гибкий стальной лист; 3 — резиновая полоса; 4 — медные за-
клепки; 5 — колесо; 6 — ось; 7 — рельс; 8 — резиновая прокладка; 9 — полоса из нержавею-
щей стали.
Рис. 218. Уплотнения глубинных и сдвоенных затворов:
/ — обшнзка затвора; 2 — профильная резина; 3 — деревянные брусья.
ного профиля (рве. 216,г), зажатую в нижней кромке затвора оцинко-
ванными болтами, позволяющими сменить резину в случае ее износа.
Боковые уплотнения. Наиболее распространены уплотнения, рабо-
тающие под действием гидростатического давления воды. Часто приме-
няют уплотнение & виде гибкого металлического листа толщиной 2—
,5 мм и шириной 15—30 с.м,^укрепленного на напорной грани затвора
и снабженного на Свободном конце деревянным брусом (рис. 217,а),
прижимаемым давлением воды к стенке быка (устоя). При подъеме за-
твора брус скользит по заанкеренной в бетоне стальной полосе. Чаще
269
вместо деревянного бруса к гибкому стальному листу прикрепляют
резиновую полосу (рис. 217,6). Для боковых уплотнений применяют
также профильную резину (рис. 217,в).
Уплотнение по верхней кромке глубинного затвора выполняют из
профильной резины. На рисунке 218, а показано верхнее уплотнение при
расположении затворов перед отверстием, а на рисунке 218,6 — при
расположении затвора за отверстием. Схематический пример промежу-
точного уплотнения между сдвоенными затворами показан на рисун-
ке 218, в.
§ 6. СИЛА ТЯЖЕСТИ ЗАТВОРОВ, ПОДЪЕМНОЕ
И ОПУСКНОЕ УСИЛИЯ
Сила тяжести плоских металлических затворов. Для предваритель-
ного определения силы тяжести затворов предложено несколько эмпи-
рических формул.
На основании обработки данных реального проектирования 150
плоских затворов А. П. Цветков предложил формулу, которая в даль-
нейшем была упрощена П. П. Лаупманом в следующем виде:
для плоских колесных затворов поверхностных отверстий
g = 64 1) , - (276)
но не менее 200 и не более 800 кгс!»1-,
для скользящих затворов
g = 60 -1,4). । (277)
но не менее 190 и не более 700 кгс/мг.
В этих формулах:
g — средняя сила тяжести затвора^ кгс на 1 м? перекрываемой пло-
щади отверстия;
/7Ц— расчетный напор над центром отверстия, м\
I — ширина отверстия, м.
Полная сила тяжести затвора
G = gHl. (
Эти формулы можно применять в диапазоне 100<//ц Р <2500.
При определении силы тяжести затворов А. П. Цветков рекомендует
вводить следующие поправочные коэффициенты: 1) при расчете затво'
ров как пространственной конструкции — 0,85; 2) для клепаной конст-
рукции—1,15; 3) для допускаемых напряжений, отличных от
1400 кгс/см2, величина поправочного коэффициента равна .
Имеющиеся формулы для определения силы-тяжести затворов сле-
дует корректировать в связи с появлением новых конструкций и мате-
риалов, с совершенствованием методов и техники расчетов.
Подъемное и опускное усилия. В колесных затворах подъемное уси-
лие значительно меньше, чем в скользящих с металлическими полозья-
ми, так как сопротивление движению от трения качения в 5—7 раз мень-
ше трения скольжения.
Усилие, требуемое для подъема плоского затворй, определяют по
формуле:
S = 1,1G+ 1,2 (Г + Ту). (278)
Усилие для опускания (посадки) затвора:
S' = k' [1,2(T + Ty)-1,1G], -(279i
270
где G—сила тяжести подвижной части затвора;
Т — сила трения в опорных -ходовых частях;
Ту — сила трения в боковых уплотнениях;
. k' — коэффициент запаса, обычно > 1,25.
Сила трения в Колесных затворах складывается из силы трения
скольжения между осью диаметром 2г и втулкой колеса и силы трения
качения колеса по рельсу:
+ <280)
£\
где f— коэффициент трения скольжения;
— коэффициент (плечо) трения качения, равный 0,05—0,1.
В роликовых колесах между втулкой колеса радиусом R\ и осью
колеса радиусом г заложены ролики диаметром R\ — г (рис. 215), поэто-
му трение скольжения исключается. Сила трения качения уменьшится
еще в 5—6 раз и будет:
Силу трения в двусторонних боковых уплотнениях определяют по
формуле:
Ту = f, (282)
где а—ширина пластинки (рис. 214,6) бокового уплотнения, равная
0,15—0,2 м.
§ 7. ОСОБЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПЛОСКИХ ЗАТВОРОВ
Рассмотренные одиночные плоские затворы мало приспособлены
для сбрбса льда, шуги и других плавающих тел, так как для этого тре-
буется полное их поднятие, что связано с излишним расходованием воды.
Кроме того, при значительных высоте и пролете затвора возникают боль-
шие подъемные усилия, которые требуют мощных подъемных механиз-
мов и увеличения высоты и толщины быков.
Для устранения указанных недостатков целесообразнее устраивать
сдвоенные затворы или затворы с клапанами (рис. 219).
Сдвоенные затворы (рис. 219, а) состоят из двух частей: верхней
водосливной, которая может опускаться, и нижней, способной пбдни-
маться независимо от верхней. Наиболее совершенна консольная конст-
рукция с Г-образной верхней частью, которая опирается вверху на два
колеса, а внизу через ролик на нижний затвор. Верхняя водосливная
часть имеет безвакуумное очертание и может опускаться до 0,4 общей
высоты затвора для сброса льда, шуги и плавника.
Нижний затвор можно поднимать вверх для пропуска воды и смыва
наносов.
Недостатки сдвоенных затворов: большая сложность подъемных
механизмов и увеличение расхода стали на 10—20%. Однако примене-
ние сдвоенных затворов и затворов с клапаном несколько уменьшает
требуемую высоту быков, что отчасти компенсирует удорожание под-
вижной части затвора.
Затворы с клапанами (рис. 219,6) состоят из основного плоского
затвора и шарнирно.присоединенного к нему клапана. Для слива воды,
сброса льда, шугн и других плавающих тел верхняя поверхность клапа-
на должна иметь плавное (безвакуумное) очертание. Высоту клапана
следует назначать не менее 1,5 м, и конструкция его должна обладать
большой жесткостью, для чего в него вваривают стальную трубу. Объе-
динение элемента жесткости с осью вращения усложняет и удорожает
271
устройство подшипников и уплотнений. Более совершенна и экономична
конструкция с осью вращения в виде шарнира (рис. 219,в).
Широко распространены современные плоские металлические затво-
ры, ими перекрывают отверстия пролетом до 45 м, высотой до 18 м.
Сдвоенные и клапанные затворы целесообразны при напоре 8—10 м.
Рис. 219. Схемы сдвоенных и клапанных затворов:
/ — нижний затвор; 2 — верхний затвор; 3 — основной плоский затвор; 4 — кла-
пан; 5 — стальная труба; 6 — горизонтальный шарнир.
К недостаткам плоских затворов следует отнести: необходимость
в большом подъемном усилии, относительно большую высоту и толщину,
быков, затруднительность работы их в суровых зимних условиях и в'
период пропуска ледохода. •
В Советском Союзе наиболее распространены колесные затворы..и
затворы со скользящими полозьями из древесно-слоистого пластика.
Глава XVII
КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ЗАТВОРЫ И ЗАТВОРЫ
С ПОВОРОТНЫМИ ФЕРМАМИ - .
§ 1. СЕГМЕНТНЫЕ ЗАТВОРЫ
Применение и конструктивные особенности. В мелиоративной гид-
ротехнике получили распространение сегментные затйЬры. Для Таких
затворов по сравнению с плоскими требуется меныпеейюдъемное усилие.
К особенностям конструкции сегментного затвора относятся: криво-
линейность его обшивки и стоек, совпадение плоскости главных ригелей
с плоскостью поясов ферм опорных ног. (порталов-), прямолинейность
вспомогательных балок И'Наличие элементов жесткости (рис. 220).
Порталы сегментных:затворов располагают иногда в нишах быков
(рис. 221,6), но преимущественно бнй беспазовые и опираются на оси
272
шарниров, укрепленных на консолях балок, заделанных в быках (рис.
220,6). Для пролетов до 8 м цилиндрические шарниры устраивают с
горизонтальной осью (рис. 220,в), для средних и больших пролетов при-
меняют шарниры с горизонтальной осью и шаровым вкладышем.
Благодаря обшивке в виде части цилиндрической поверхности, ось
которой совпадает с осью вращения затвора, равнодействующая давле-
Рис. 220. Сегментный затвор (8,0 X
X 4,6X4,4) водозаборного сооружение.
Кубань-Калаусского канала:
а —разрез; б — план; в — цилиндрический^
шарнир; 1 — донное уплотнение; 2 — боко-
вое уплотнение из профильной резины.
Рис. 221.'Схема сегментного затвора (в и б) и схема для определенкя дав-
ления воды на затвор (в). .
ния воды будет всегда проходить через ось вращения затвора. Поэтому
при подъёме приходится преодолевать только собственный'вес затвора,
и силы трения в опорных шарнирах и боковых уплотнениях (рис. 221,в).
На сегментный затвор действуют те же силы, что и на плоский, но
величины их й точки приложения иные.
Равнодействующая W равна сумме горизонтальной и вертикаль-
ной 1Г2 составляющих (рис. 221, в), причем сила равна площади
треугольной эпюры гидростатического-давления на вертикальную стенку
высотой Нг. ,
- 0,5ytf2 Ь. . (283).
273.
•Сила W2 численно равна площади сегмента АВС и треугольника ADB,
т. е. площади заштрихованной эпюры ADBCA, выражаемой формулой:
1Та = 0,5у7?2Г-^-
[180°
+ 2 sin aj cos а2—0,5 (sin 2ах + sin 2аа) L,
(284)
где R — радиус очертания обшивки затвора, м;
а0 — центральный угол между верхней и нижней плоскостями огра-
ничения затвора;
•cti, аа — углы между горизонтальной и соответственно верхней и ниж-
ней ограничительными плоскостями;
L — пролет затвора, м;
у — объемный вес воды, т/м3.
Рис. 222. Расчетные схемы по определению подъемного усилия:
а — ось вращения находится на уровне верха затвора; б — выше верха затвора.
Равнодействующая W = V w* + wi проходит через центр давления
в направлении к центру оси вращения затвора; координаты центра дав-
ления (рис. 221,8) находят из следующих зависимостей:
1г = T^sinaj + S/s^i; < (285)
' = (286)
l>*2
При подъеме сегментного затвора — поворота его вокруг оси вра-
щения О (рис. 222) —необходимо приложить усилия, преодолевающие
моменты силы тяжести затвора и сил трения в уплотнениях. Так как ра-
диус оси шарнира очень мал по сравнению с длиной ног затвора, силой
трения и моментом сил трения в подшипниках можно пренебречь.
Подъемное усилие. Для положения оси вращения на уровне верха
затвора (рис. 222, а) подъемное усилие сегментного затвора находят
из уравнения:
X = G
274
где G—сила тяжести затвора;
— расстояние от оси вращения до центра тяжести затвора;
р—угол между Rg и горизонтом;
Т — сила трения в уплотнениях.
.Для положения оси вращения выше верха затвора (рис. 222,6)
подъемной усилие находят из уравнения:
X = G j?gCOS-P- + Т. (288
7? cos а
Ось вращения сегментного затвора располагают выше уровня воды.
Подъемное усилие 5 можно уменьшить, если расположить ось вра-
щения затвора О ниже центра окружности цилиндрической обшивки
(рис. 223,6). В этом случае момент
внешних сил относительно центра
вращения О уменьшится на величи-
ну We, где е — эксцентриситет, при-
нимаемый обычно равным 0,1 —
0,15 м.
При расположении оси враще-
ния затвора О выше центра окруж-
ности О' (рис. 223, в) на затвор бу-
дет действовать дополнительный мо-
мент We, прижимающий его к поро-
гу флютбета.
Рис. 224. Схема к расчету устойчиво
сти затвора.
Радиус обшивки существенно
влияет на вес затвора, который тем
больше, чем длиннее ноги портала.
Обычно радиус выбирают в пределах
(1,2—1,5) Я; при повышении оси опорного шарнира радиус можно уве-
личить до (2—2,5) Н. .
Устойчивость затвора на пороге плотины определяется коэффициен-
том устойчивости, равным отношению моментов сиЛ (относительно оси
вращения О), стремящихся закрыть и поднять затвор (рис. 224).
Момент, стремящийся закрыть затвор, то есть прижать его к поро-
гу, определяется (при отсутствии противовесов) из выражения:
M1 = W1l1 + G Rg cos р, (289)
где G — сила тяжести затвора;
R„ — расстояние центра тяжести от оси вращения затвора О; t
— горизонтальная составляющая полного давления на затвор;
/х— плечо силы Wj относительно оси вращения О.
Момент, стремящийся поднять затвор:
М2 = ТГ2/2 + Уп, (290)
где W2 — вертикальная составляющая полного давления воды на
затвор;
12 — плечо силы W2 относительно центра О;
V — давление воды (снизу вверх) на брус донного уплотнения,
равное у bLH ( у — объемный вес воды, b — ширина бруса,
L — пролет затвора);
п— плечо силы V относительно оси вращения затвора.
Коэффициент устойчивости сегментного затвора на пороге (в закры-
том состоянии) должен быть не менее 1,25:
Kv = > 1,25. (291)
у Л12 v
Уплотнения в сегментных затворах устраивают так же, как и в плос-
ких затворах (рис. 220). Донное уплотнение выполняют в виде деревян-
275,
него бруса» неподвижно заделанного в нижней обвязке при помощи бол-
тов (рис. 220,6, /). Лучшим донным уплотнением является резиновая по- >
лоса, зажатая между обшивкой и уголком. Для бокового уплотнения при-
Рис. 226. Сегментный затвор с рыбо-
видным клапаном:
/ — основной затвор: 2 клапан.
меняют специальные профили литой резины, закрепленные неподвижна
на конструкции сегмента (рис. 220,6,2). z .
Особые конструкции сегментных затворов. В настоящее время при-
меняют сдвоенные затворы и затворы с клапанами.
Сдвоенные сегментные
затворы аналогично плоским со-
стоят из двух частей — нижней (ос-
новного затвора) и верхней, кото-,
рая опирается на нижнюю'Часть.
На рисунке 225 представлен за-
твор Карамышевской плотины на
Москве-реке пролетом'”ЙО м ивысо-.
той 6 м. Верхний затвор вращается
на общей с нижним затвором оси.
Поверх нижнего сегмента можно
сбрасывать воду, лед и плавающие
тела (при поднятой верхней части),
для чего водосливная его пОверх-г
ность обшита деревянным настилом,
• . Затворы с клапанами,
. вращающимися* на оси, укрепляе-
мой на затворе, более распространены, чем сдвоенные затворы. На ри-
сунке 226 представлен сегментный затвор с жесткой несущей частью и
хорошо обтекаемым рыбовидным кляйаном.
276
Применение клапанов или сдвоенных затворов увеличивает вес кон-
струкции на' 15—20% по сравнению с одиночными затворами тех же
размеров. <
Сегментные затворы широко применяют в практике гидротехничес-
кого строительства. Перекрываемые ими пролеты достигают 36 м при вы-
соте 6—7 м и более.
Сегментные затворы имеют ряд преимуществ перед плоскими (мень-
шее подъемное усилие, бблыпай скорость подъема, лучшая работа в
зимних условиях и при обильных наносах в реке); однако они сложнее
по конструкции, требуют большей длины (но меньшей высоты) быков,
наличие распора в шарнирах может сказаться на боковой устойчивости
быков.
§ 2. ВАЛЬЦОВЫЕ ЗАТВОРЫ
Для перекрытия водосливных отверстий применяют также валь-
цовые затворы, представляющие собой горизонтальные полые цилинд-
ры (рис. 227). Они могут перекрывать пролеты шириной до 50 м и высо-
той до 9 м, а при малых пролетах высотой до 13 м.
При подъеме или опускании вальцовые затворы перекатываются по
наклонным зубчатым рейкам, установленным в пазах быков или устоев
под углом 65—70° к горизонту.
Для безвакуумного обтекания' затвора и уменьшения выталкиваю-
щей силы в новейшйх.затворах применяют нижние щитки в виде сегмен-
а 5
Рис. 227. Вальцовые затворы:
-Л а — с передним козырьком; б —с нижним щитком.
та, прикрепляемого к цилиндру затвора (рис. 227,6), а для увеличения
Е'ысоты затвора без изменения’диаметра цилиндра устраивают перед-
ний козырек, (рис. 227, а).
Для предварительных расчетов силу тяжести (вес) вальцового за-
твора G можно определять по эмпирической формуле А. Р. Березин-
ского: - ,
: <J = 0,5F + 0,02F/F Т, (292)
где F — площадь перекрываемого затвором отверстия, м2.
277
Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому их с
успехом можно применять в условиях суровых зим и на реках, влекущих
значительное количество наносов.
Однако вальцовые затворы требуют много металла, сложны в из-
готовлении и монтаже. Стоимость их значительно выше стоимости плос-
ких и сегментных затворов.
§ 3. КРЫШЕВИДНЫЕ ЗАТВОРЫ
Затворы этого типа состоят из двух плоских полотнищ (щитов),
вращающихся на горизонтальных осях, укрепленных на пороге соору-
жения (рис. 228).
Рис. 228. Крышевидный затвор:
1 — мюыв. в устое; 2*5 — верхнее и нижнее полотнища; 4 — ограничитель: 5—кар-
кас верхнего полотнища; 6 — каркас нижнего полотнища.
Маневрирование щитами гидравлическое, для чего в_ устоях или
быках устраивают водоводы, соединяющие пространство под щитами
с водой верхнего и нижнего бьефов. - '
Каркас полотнищ состоит из продольных горизонтальных балок, ря-
да стоек между ними и диагональных связей жесткости.
Каркас верхнего щита состоит из прокатных профилей. Вверху щит
имеет закругление, обеспечивающее плавный перелив воды. Нижний
щит больше загружен односторонним давлением воды, чем верхний,
воспринимающий двустороннее давление. Стойки нижнего щита выпол-
няют в виде составных балок или сквозных ферм со скошенными
концами.
Обшивку щитов в большинстве случаев выполняют из дерева, иног-
да из листовой стали.
278
Крышевидными затворами можно перекрывать пролеты шириной до-
50 м при высоте 6—7 м. Ими можно достаточно точно регулировать уро-
вень верхнего бьефа, пропускать плавающие тела и лед. Однако эти за-
творы чувствительны к наносам и обмерзанию.
§ 4. ЗАТВОРЫ С ПОВОРОТНЫМИ ФЕРМАМИ И РАМАМИ
Для перекрытия широких отверстий и создания небольших подпоров-
(до 4—5 м) применяют затворы с поворотными фермами и рамами тра-
пецеидальной или треугольной формы (рис. 229).
Рис. 229. Плотина с поворотными фермами:
£
а — поворотная ферма трапецеидального очертания с деревянными щитками; б — укладка поворот
ных ферм на флютбет; 1 — деревянные щитки; 2 — служебный мостик; 3, 4 — верховой и низовой
подшипники; 5 — фермы; 6— цепь для опускания н подъема ферм; 7— ниша: 8— флютбет.
Металлические фермы устанавливают на пороге отверстия на рас-
стоянии 1,2—1,5 м друг от друга, и пролеты между ними перекрываются
деревянными щитами или спицами. Поверху ферм укладывают слу-
27»
Рис{ 230. Плотина с поворотными треугольными рамами:
а — треугольная поворотная рама на деревянных брусьев; б — укладка треугольных рам на
флютбет; / — рамы из деревянных брусьев; ? —подшипники; 3 —ниша; 4 — цепь для опу-
скания и ИО^Ьема рам; У — флютбет.
Захватная балка (кран-балка) для подъема шандор на головном
водозаборном сооружении Кубань-Калаусского канала.
жебный мостик. Ширина ферм понизу составляет около 0,6—0,75 их
высоты (рис. 229, а).
При необходимости пропуска паводка или судов снимают все щиты
и мостик, фермы поворачивают в опорных шарнирах и укладывают на
порог плотины.
На рисунке 230 показан затвор с треугольными поворотными ра-
мами. Такие рамы делают металлическими, коробчатого сечения, кото-
рые устанавливают широкой стороной (50—60 см) по фронту плотины,
или деревянными, соединяя по 3—4 бруса вместе при толщине по фаса-
ду до 0,8—1 м. ' ‘
В собранном виде рамы плотно примыкают друг к другу (рис.
230,6), вследствие чего фильтрация воды между ними незначительна.
При этом затворе невозможно регулировать уровень воды верхнего бье-
фа, так как рамы нельзя оставлять в промежуточном положении: они
должны быть или все подняты, или все уложены.
§ 5. ПОДЪЕМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Для подъема и опускания деревянных шандор применяют вороты,
лебедки, краны. Небольшие шандоры захватывают за крючья или ско-
бы (рис. 203,j2) . Большими задвижными шандорами маневрируют с
помощью тяжелой (металлической или железобетонной) захватной бал-
ки, которая своим весом'опускает шандор, а при подъеме, захватывая
за крючья шандор, поднимается вместе с ним лебедкой.
Плоские задвижные затворы снабжают подъемниками (обычно
винтовыми). Винт шарнирно соединяется с затвором, подъем или опу-
скание которого происходит при помощи гайки, приводимой во враща-
тельное движение надеваемым на нее ключом или соединенным с ней
червячным колесом, червяком и рукояткой (рис. 231). Червячно-винто-
вые подъемники могут развивать подъемное усилие в несколько тонн,
винтовые — меньше.
Затворы механического действия перемещаются при помощи ста-
ционарных (неподвижных) и передвижных приводных меха-
низмов. Стационарные приводные механизмы устанавливают у каждого
затвора; их применяют в тех случаях, когда число пролетов на плотине
281
Рис. 231. Червячно-вин-
товой подъемник:
1 — червяк; 2 — червячное ко-
лесо; 3 — гайка на шарни-
рах; 4 — удерживающая кры-
шка; 5 — основа подъемника;
6 — подъемный винт; 7 — ру-
коятка.
Рис. 232. Схемы- прикрепления подъемной тяги к сегментному
эетвору.
Рис. 233. Криволинейные зубчатые рейки для подъема сег-
ментного затвора.
Стационарные подъемные механизмы сегментных затворов.
невелико (до’2—3). Передвижные приводные механизмы, передвигаясь
по служебному мосту, могут оперировать в любом отверстии плотины;
их применяют для плоских затворов, реже для сегментных. Они выгод-
нее стационарных механизмов, если обслуживают не менее трех-четы-
рех отверстий плотины.
Т яги — это устройства, при помощи которых подвижная часть за-
твора соединяется с приводным механизмом. В тех случаях, когда за-
твор не требует принудительного усилия для его опускания, применя-
ются: гибкие тяги, к которым относятся стальные тросы (для не-
больших затворов), сварные цепи и цепи Галля, прикрепляемые
посредством подвесов к затвору. В сегментных затворах гибкие тяги при-
крепляются спереди затвора к предпоследнему (снизу) узлу фермы, ес-
ли зимние условия работы не тяжелы (рис. 232, а, б), или внутри за-
твора за верхний узел фермы (рис. 232,в).
Для принудительной посадки затвора служат жесткие тяги.
К ним относятся^ 1) рейки зубчатые или цевочные в сегментных затво-
рах, прямолинейные и криволинейные (рис. 233,а, б), соединяемые со
звездочкой или зубчатым колесом приводного механизма и с затвором;
2) винтовые шпиндельные тяги из сплошных или трубчатых стержней,
имеющих на верхнем конце винтовую нарезку, перемещающуюся в гай-
ке, соединяемой с механизмом.
Подъемные устройства сдвоенных затворов имеют отдельные тяги
для нижней и верхней части затвора (рис- 225), подъем которых проис-
ходит независимо друг от друга: сначала поднимается верхняя часть,
а при необходимости сброса паводка поднимают и тяжелую нижнюю
часть. Затворы с клапаном, обычно снабжают общим подъемным меха-
низмом (рис. 226).
Механизмы вальцовых затворов располагают на быках или устоях
в особых надстройках,.защищающих их от дождя, снега и пыли. Меха-
низмы плоских и сегментных затворов устанавливают на быках, но ино-
гда и на служебном мосту.
283
§ 6. ЗАТВОРЫ-АВТОМАТЫ ДЛЯ ВОДОЗАБОРНЫХ
УЗЛОВ И ВОДОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИИ
Водозабор и водораспределение связаны с большими затратами
труда и средств. Особенно это относится к системам предгорного типа,
которые характеризуются большими уклонами, бурными режимами,
большими скоростями потока, большими амплитудами колебания рас-
ходов, наличием паводков и т. д. Поэтому естественны постоянные по-
иски путей совершенствования работы объектов гидромелиоративных
систем.
Рис. 234. Конструктивная схема плоского клапанного затвора-автомата с рычагами-
корректорами:
/ — полотнище затвора; 2 — тяги; <3 — рычаги-корректоры; 4, 5 — шарниры; 6, 8 — опорные подшип-
ники; 7 — уплотнения по бокам полотнища затвора.
Один из таких путей — автоматизация работы объектов водозабо-
ра и водораспределения путем оборудования их затворами-автоматамй,
позволяющими поддерживать заданную программу работы объекта.
В зависимости от источника энергии различают автоматизацию:
1) электрическую, с применением электропривода, управляемого
водой;
2) гидравлическую, с применением вододействующих затворов.
Электрическую автоматизацию применяют преимущественно на
сооружениях гидроэлектростанций. Она позволяет управлять работой
затворов и контролировать их действие на расстоянии. Однако при этом
требуются большие капитальные затраты на подвод электроэнергии к
объектам автоматизации, которые рассредоточены на больших расстоя-
ниях по оросительной системе, и сравнительно сложные конструкции
привода механизмов управления и контроля.
284
При гидравлическом способе автоматизации применяют в основ-
ном гидравлические затворы-автоматы. Оригинальны разработанные
Я. В. Бочкаревым [26] гидравлические затворы для автомати-
зации водозабора и водораспределения на оросительных системах гор-
но-предгорной зоны. Указанные затворы-автоматы можно применять и
на сооружениях равнинной зоны в местах, где обеспечены соответст-
вующие условия.
Плоский клапанный вододействующий затвор-автомат уровня воды
верхнего бьефа (рис. 234). Полотнище затвора 1 изготовляют из метал-
ла или железобетона.
Посредством тяг 2 затвор соединяется с быками или боковыми ус-
тоями. Длину тяг Д. принимают конструктивно равной
£т =*= 1,5Л3 —/, (293)
где h3 — высота зат-вора;
f — расстояние от обшивки до центра шарнира Оь равное 0,06/г3.
Рычаги-корректоры 3 служат для придания полотнищу затвора оп-
ределенного положения, обеспечивающего равенство моментов всех сил,
действующих на затвор, относительно любой точки вращения при лю-
бом положении затвора (до открытия затвора а Размеры рыча-
гов-корректоров (длина, координаты центра вращения) определяют
расчетом.
Шарниры (подшипники) 4 соединяют тяги 2 с полотнищем затво-
ра посредине его высоты. Эти подшипники предотвращают вредное вли-
яние наносов на их работу. •
Шарниры 5 (подшипники) на верхней кромке полотнища затвора
соединяют его с рычагами-корректорами.
Посредством опорных подшипников 6 тяги затвора соединяются с
боковыми устоями или с быками.
Уплотнения 7 по бокам полотнища затвора, предотвращающие по-
тери воды на фильтрацию по контуру, могут иметь различную конст-
рукцию. В частности, для борьбы с потерями в боковых устоях можно
устраивать выступы с наклепанными на них резиновыми пластинами,
на которые полотнище затвора накладывается в момент закрытия. Уп-
лотнения также могут быть в виде резиновых пластин, наклепанных по
бокам полотнища затвора.
Через опорные подшипники 8 рычаги-корректоры опираются на
быки или боковые устои.
' Принцип действия автомата основан на уравновешивании момен-
тов сил, вызывающих движение затвора, с одной стороны, и сил сопро-
тивления этому движению — с другой, то есть: • ,
МД = Л4С. (294)
Движение затвора находится под действием следующих сил: гид-
родинамического давления воды на обшивку затвора Рг.л, силы тяже-
сти движущихся частей затвора G и возникающей от их действия реак-
ции тяг Т; реакции в рычагах-корректорах R; силы трения в подшипни-
ках Frp. Последней силой ввиду малости коэффициента трения враще-
ния и для упрощения расчетов пренебрегают.
Для обеспечения автоматической работы затвора необходимо, что-
бы моменты этих сил находились в равновесии при любом положении
затвора при пропуске расходов по транзитному каналу, на который
рассчитан затвор. Так, с изменением положения затвора (открытие или
закрытие), естественно, изменяется величина момента силы веса затво-
ра за счет увеличения или уменьшения плеча ее. Следовательно, для обе-
спечения равновесия необходимо, чтобы менялась и величина момента
гидродинамического давления.
285
В данных автоматах это достигается тем, что с подъемом или опу-
сканием затвора его полотнище вращается одновременно вокруг точек
01 '.и О. В результате этого одновременно изменяются величины гидро-
динамического давления Рг,а и'плеча его /р. Это вращение в движении
затвора корректируется рычагами-корректорами.
Форму очертания корректирующей поверхности, по которой собст-
венно определяют длину рычага-корректора и центр вращения его, на-
ходят по расчету.
Рис. 235. Конструктивная схема сегментного клапанного затвора-автомата с рычага-
ми-корректорами:
/ — полотнище затвора; 2 — опорные ноги; 5-—рычаги-корректоры; 4, 5 — шарниры; 6, 7 — опорные
подшипники: 8 — выступы-уплотнения против фильтрации.
Сегментный клапанный вододействующий затвор-автомат уровня
воды верхнего бьефа (рис. 235). Полотнище затвора 1 также изготов-
ляют из металла или железобетона.
Радиус очертания обшивки принимают конструктивно:
R = 1,5/г3, - "Т ~ (295)
где h3 —'высота затвора.
Опорные ноги 2 соединяют затвор с быками или с боковыми усто-
ями.
Длину ног принимают равной: -
L„ — R — f, (296)
где f — расстояние от обшивки до центра шарнира, соединяющего опор-
ные ноги с полотнищем затвора (принимается равным 0,131 Л3).
Рычаги-корректоры 3 имеют то же назначение, йто и для плоского
затвора.
Посредством шарниров (подшипников) 4 опорные ноги соединяют-
ся с полотнищем затвора посредине' хорды сегмента.
Шарниры (подшипники) 5 на верхней кромке полотнища затвора
соединяют его с рычагами-корректорами.
286
При помощи опорных подшипников 6 опорные ноги затвора соеди-
няются полуосями с быками или с боковыми устоями.
Через опорные подшипники 7 рычаги-корректоры опираются на бы-
ки или боковые устои.
Уплотнения 8 против фильтраций выполняют аналогично уплотне-
ниям плоских затворов. Принцип действия и схема работы сегментного
затвора те же, что и плоского.
Упрощенный способ расчета затворов-автоматов. На основании
результатов исследований Я- В. Бочкарев разработал аналитический,
графоаналитический и упрощенный спосрбы расчета.
При упрощенном способе параметры затворов определяют по зави-
симостям, полученным в процессе лабораторных исследований. Расчет
ведут в такой последовательности (рис. 234 и 235).
Выясняют'исходные данные:
1) расход в канале (источнике) в зоне действия автомата QMaKC;
2) бытовое наполнение в нем h6\
3) продольный и поперечный профили водотока в зоне действия
автомата.
- Определяют параметры затвора.
1. Расчетный напор ftp принимают:
для каналов с уклоном 1=0—0,02, ftp > 2 ft6;
для каналов с i>0,02, ftp > Зйб.
2. Высота затвора h3 :
для плоского—• ft3 = 1,36 ftp; ,
для сегментного —ft =1,44 ftp?
3. Ширина полотнища затвора:
ft =--------, (297)'
та V 2ghp
где Q— максимальный расход в канале;
, hn \
а—открытие затвора (принимают а= —
щ—коэффициент расхода при истечении из-под затвора.
По опытным'данным, для а— принимается т = 0,52 для плоско-
го и/и =0,51 для сегментного затвора.
4. Длина тяг — расстояние от центра шарнира на полотнище заФво-
ра 01 до центра вращения оси О для плоского затвора (рис. 234):
LT = l,5ft3 — f,
где £ — высота расположения шарнира Oi относительно полотнища за-
твора, равная 0,06 ft3, тогда LT = 1,44 ft3.
Длина опорных но,г сегментного затвора:
LH =.l,369ft3.
5. Длина рычагов^орректоров:
для плоского затвора г=0,47 ft3;
для сегментного затвора r=0,457 ft3.
6. Высота расположения опорного подшипника тяг 6 над порогом
плоского затвора:
Но = 0?97Л3;
для сегментного опорного подшипника ног 6:
tfo = O,617ft3.
7. Высота расположения опорного подшипника рычагов-корректоров
О3 над порогом сооружения:
для плоского затвора Н:о = До=0,97 h3;
для сегментного затвора Яо=О,95 ft3.
287'
8. Для определения положения центров подшипников О и О3 прини-
мают начальный угол наклона тяг к горизонтам в плоском затворе а=
= 18°15' и угол наклона опорных ног к горизонту в сегментном затворе
а =—5° (ниже горизонта).
Начальный угол наклона полотнища плоского затвора к вертикали
<р = —10° и угол наклона хорды дуги обшивки сегментного затвора
<р = 16°. (Значение ср со знаком минус принимают для углов, отсчитыва-
емых влево от вертикали.)
9. Вес затворов:
плоского G = 0,37 Р;
сегментного G = 0,283 Р,
где Р — гидростатическое давление на обшивку затвора в момент полно-
го закрытия.
Силу Р для плоского затвора определяют по формуле гидростатики:
Р = уЛц.то, \ (298)
где Ац т— координата центра тяжести ^Ац.т = ;
ю—площадь смоченной части полотнища затвора:
со = -^-Ь. (299)
sin q>
Рис. 236. Схемы утепления затворов:
й — утепление плоского затвора; б—обогрев опорно-
ходовых частей; / — лед; 2— майна; 3 — отепляющая
обшнвка; 4— электронагревательные элементы.
Для определения силы Р угол ср наклона полотнища затвора к вер-
тикали принимается равным 10°. Силу Р для сегментного затвора опре-
деляют как для обычных сегментных затворов. Угол ср наклона хорды
дуги обшивки затвора в вертикали принимают 16°.
Автоматы должны быть сконструированы так, чтобы равнодейст-
вующая сила весов отдель-
ных движущихся частей за-
твора, из которых складыва-
ется суммарный вес G, про-
ходила через точку О или
имела отклонение не более
величины ± ЛА (ЛА — рас-
стояние от обшивки до цент-
ра шарнира 4 для плоского
затвора или расстояние от
хорды дуги обшивки до
центра шарнира 4 —для сег-
ментного затвора).
§ 7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗАТВОРОВ
Механическое оборудо-
вание плотины, включаю-
щее затворы, их механизмы,
опорно-ходовые части, уп-
лотнения и др., в процессе
работы испытывает неблаго-
приятные воздействия со
стороны воды, наносов,
льда, ветра, колебаний тем-
пературы и др. Металлические части подвергаются коррозии, истиранию
наносами и льдом. Подшипники в колесах, шарниры и прочие вращаю-
щиеся части засоряются, смазка вымывается — трений увеличивается, что
ведет к увеличению подъемных усилий, расстраиваются и уплотнения.
Особенно затруднена работа затворов зимой вследствие намерзания
льда на обшивку, обмерзания опорно-ходовых частей и уплотнений, про-
288
исходящих часто в результате даже незначительной фильтрации в уп-
лотнениях.
Для обеспечения бесперебойной работы затворов необходимо перио-
дически осматривать и опробовать затворы и их механизмы и исправлять
замеченные дефекты, сменять износившиеся детали.
Особенно внимательно нужно следить за работой затворов в зим-
нее время: нельзя допускать обмерзания обшивки, опорно-ходовых ча-
стей затворов, уплотнений и замерзания воды в системах гидравличе-
ского управления затворов. Чтобы предупредить статическое давление
на обшивку затвора небольших гидросооружений, ледяной покров разру-
шают, образуют перед затвором майну (прорубь, рис. 236, а) шириной
0,5—2 м, заполняют ее хворостом, камышом и прочим пористым мате-
риалом и прикрывают слоем снега толщиной 0,5 м.
В более крупных гидросооружениях во избежание образования плот-
ного льда перед затвором периодически выпускают струи сжатого возду-
ха. В последнее время в условиях суровых сибирских зим для создания
майн перед затворами гидротехнических сооружений стали применять
так называемые потокообразователи [70], создающие возмущающий по-
верхностный поток вдоль напорного фронта плотины, который эффектив-
но предохраняет зону перед сооружением от образования льда.
В зоне умеренного климата для предохранения затворов от охлаж-
дения и обмерзания их обшивают с низовой стороны двумя рядами досок
с прокладкой войлока (рис. 236,а). Для борьбы с обмерзанием уплот-
нений и опорно-ходовых частей под закладными частями устанавливают
электронагревательные элементы (рис. 236, б).
Гидравлическую систему автоматических затворов отепляют, про-
пуская по водоводам горячую воду или масло под напором.
Основное требование, которому должен отвечать затвор-автомат, —
готовность к действию в любой момент и безотказность в работе. Для
этого в нем не должно быть завалов наносами, заклинивания и других
неисправностей, которые могут привести к вынужденной остановке ав-
томата.
Для нормальной и бесперебойной работы затворов необходимо:
периодически смазывать подшипники, окрашивать металлические
части, своевременно проводить ремонт.
На случай ремонтных работ в узле должны быть предусмотрены
шандоры перед затвором или отвод воды от узла и устройства механи-
ческого подъема.
19—1650
Раздел 7
РЕГУЛИРОВАНИЕ РУСЕЛ
Глава XVill
ЭРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В РУСЛАХ
И ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ТРАССЫ
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Виды регулирования руслового потока. Под термином русловой
поток [35] принято понимать всякого рода поверхностный водоток, про-
текающий по более или менее размываемому руслу и взаимодействую-
у щий с руслом. Это взаимодействие заключается в том, что любое измене-
ние формы русла вызывает соответствующее изменение гидравлической
структуры потока, а поток новой гидравлической структуры в свою оче-
редь влияет на форму русла, постоянно его изменяет — деформирует.
При этом изменение формы русла сразу же сказывается на изменении
структуры потока, а влияние'Структуры потока ни формирование русла
проявляется постепенно и в зависимости от рода грунтов, слагающих
русло, может продолжаться в течение более или менее длительного
периода времени.
Русловые потоки в естественном состоянии далеко не всегда можно
использовать для различных водохозяйственных целей без соответствую-
щего регулирования их режима. Поскольку режим всякого, руслового
потока определяется условиями стока и эрозионной деятельности воды
в русле, то и регулирование его проводят с помощью мероприятий, воз-
действующих или на режим водного стока, или же на режим эрозион-
ных процессов. В соответствии с этим различают два вида регулирова-
ния — регулирование водно.го стока и регулирование
русел.
Вопросы регулирования водного стока рассматриваются, в курсе
«Гидрология, гидрометрия и регулирование стока».
Задачи регулирования русел. Деформация русел водных потоков
очень часто нежелательна для хозяйственной деятельности человека.
Примерами подобных деформаций служат: смыв Дождевыми и талыми
водами плодородных почв; размыв берегов, вызывающий разрушение
прибрежных земель, дорог и построек; разделение рек на рукава и про-
токи, образование мелей, кос и перекатов, ухудшающее условия судоход-
ства; занесение верхнего и размыв нижнего бьефа; блуждание русла,
сопровождаемое отходом стержня потока от водозаборных сооружений,
пристаней и затонов; разливы рек, вызывающие.наводнения населенных
пунктов, и т. п.
Указанные обстоятельства нередко вызывают значительные затруд-
нения при водохозяйственном использовании русловых потоков и вынуж-
дают изменять естественный (бытовой) режим русловых процессов при
помощи искусственных мероприятий, то есть строитёйгъства так называе-
мых защитных и регулировочных сооружений.
Следовательно, задачей регулирований русел'является изменение
руслообразовательных процессов таким образом, чтобы в результате
образовалось и стабилизировалось русло желательной формы и, раз-
меров.
290
Развитие научных основ регулирования русел. Проблема русловых
процессов и вопрос о возможности искусственного воздействия на фор’
мирование русла уже давно привлекают внимание инженеров гидротех-
ников и являются предметом научного анализа в течение более полутора
столетий. За это время накоплен обширный фактический материал, вы-
полнены крупные теоретические исследования и сделаны обобщения,
имеющие важное практическое значение.
Существенный вклад в изучение русловых процессов был сделан в
конце прошлого и начале текущего столетия отечественными учеными
В. М. Лохтиным, Н. С. Лелявским, В. Г. Клейбером, В. Е. Тимоновым,
Н. Н. Жуковским и др. Из зарубежных ученых этого периода известны
Дюбуа, Фарг, Жирардон й др.
В работах В. М. Лохтина и Н. С. Лелявского впервые были четко
сформулированы принцип.непрерывного взаимодействия потока и русла
и основная роль половодья в формировании речного русла. Поэтому
В. М. Лохтина и Н. С. Лелявского по праву можно считать основополож-
никами учения о формировании речного русла, как Д. И. Кочерина и
Н. Е. Долгова — основоположниками учения о стоке.
Особенно большой вклад в науку и практику по регулированию ру-
сел сделан русскими учеными после Октябрьской революции. За пос-
ледние 25—30 лет разрешены важнейшие теоретические и практические
проблемы.
Многие вопросы этой области науки освещены в работах Н. М. Вер-
надского, А. И. Лосиевского, В. М. Маккавеева, М. В. Потапова,
М. А. Великанова, В. Н. Гончарова, К. И. Российского и И. А. Кузьмина,
A, JL Миловича, И. И. Леви, С. И. Рыбкина, С. Т. Алтунина и И. А. Бузу-
нова, И. В. Егиазарова, Г. И. Шамова, Г. В. Лопатина, Н. А. Ржаницы-
на, А. В. Караушева, Г. В. Железнякова, К. Ф- Артамонова и др.
Результаты выполненных работ позволили советским ученым выра-
ботать новые технические приемы регулирования русловых процессов,
среди которых важное место занимает метод искусственной поперечной
; циркуляции, разработанный проф. М. В. Потаповым. Разработаны новые
методы расчета и конструкции защитных и регулировочных сооружений,1
выполнены крупные исследования в области изучения наносного режима
рек СССР и динамики русловых процессов, заметное развитие получили
вопросы теории подобия русловых процессов и др.
§ 2. ДВИЖЕНИЕ НАНОСОВ В РЕКАХ И КАНАЛАХ
Виды продуктов водной эрозии и гидравлическая крупность. Русло-
вые потоки-почти всегда содержат и перемещают то или иное количество
твердых частиц й~ растворенных в воде органических и неорганических
веществ, которые появляются в потоке в результате смыва почв и грун-
тов с поверхности бассейна, размыва русла и берегов самого водотока.
Все эти продукты водной эрозии принято подразделять иа следующие
категорииГ%з ве ш е нн ы е наносы, донные (влекомые) н а н осы
и р а с т вор енные вещества. ,
Д Взвешенные наносы и растворенные вещества перемещаются по-
тойЬйгвместе е окружающими их водными массами, а донные наносы
вовлекаются в движение периодически и перемещаются по дну и в при-
донном слое потока путем перекатывания или скачкообразно.
Общая направленность руслового процесса на том или ином участке
потока зависит От степени насыщения его наносами. В случае пересы-
щения потока происходит выпадение наносов и заиление русла, а в
случае недостаточного насыщения, наоборот, поток взвешивает с поверх-
ности русла частицы наносов и размывает русло. Такой характер перио-
дического взвешивания и осаждения частиц наносов является основной
причиной, определяющей характер деформаций русла водных потоков.
19’
291
Годовой сток наносов и растворенных веществ достигает огромных
размеров. По подсчета^Т. В. Лопатина [112], с территории СССР еже-
годно уносится: взвешенных наносов 472,3 млн. т, влекомых наносов
47,2, растворенных веществ 326,8 и всего 846,3 млн. т.
Однойлз основных характеристик состава наносов является гид-
равлическая крупность — скорость равномерного нестесненного
падения зерен в стоячей воде.
В общем случае гидравлическая крупность зависит от удельного
веса частицы, ее объема и формы, от вязкости жидкой среды (воды),
мутности и степени турбулентности самого потока,
Изучением гидравлической крупности наносов занимались мнбгие
советские и зарубежные ученые. В настоящее время для определения
гидравлической крупности принято пользоваться шкалой проф. В. Н. Гон-
чарова (табл. 26 и 27), составленной им на основании обобщения боль-
шого количества опытных данных. Средний удельный вес большинства
речных наносов принимается равным 2,65 т/м3.
Таблица 26
Диаметр частиц, мм Гидравлическая крупность о» в мм/сек при температуре
10 °C 263,16° К 15° С 258.16° К 20° С 253,16° К 25° С 248,16° К 30° с 243.16° К
0,001 0,00068 0,00079 0,0009 0,001 0,0011
0,010 0,068 0,079 0,090 0,100 0,110
0,015 0,154 0,178 0,210 0,225 0,253
0,02 0,274 0,316 0,360 0,400 0,450
0,03 0,618 0,710 0,810 0,900 1,012
0,04 1,099 1,263 1,440 1,600 1,800
0,05 1,717 1,973 2,270 2,500 2,812
0,07 2J51 2,88 3,25 3,65 4,10
0,10' Ст? 5,88 6,63 7,44 8,37
0,15 11,50 13,25 14,90 16,75 18,84
0,20 17,11 18,76 20,42 22,06 23,72
0,25 22,67 24,39 26,02 27,66 29,32
0,30 28,31 29,96 31,62 33,26 34,92
0,40 39,51 41,16 42,92 44,46 46,12
0,50 50,71 52,36 54,02 55,66 57,32
0,60 61,91 63,56 65,22 66,86 68,52
0,70 73,11 74,76 76,42 78,06 79,72
0,80 84,31 85,96 87,62 89,26 90,92
0,90 95,71 97,36 99,02 100,46 102,12
1,00 106,71 108,36 110,02 111,66 113,32
1,20 129,11 130,76 132,42 134,06 135,72
1,50 162,71 164,36 166,02 167,66- 169,32
Исследованиями установлено, что для частиц крупнее 1,5 мм влия-
нием температуры воды на гидравлическую крупность можно пренебречь
(табл.27).
Таблица 27
d, мм w, мм/сек d, мм ш, мм/сек d, мм w, мм/сек
1,50 164,4 6,0 329 17,5 562
1,75 178,0 7,0 355 20,0 602
2,0 190,0 8,0 380 22,5 637
2,5 212,5 9,0 403 25,0 672
3,0 232,5 10,0 425 27,5 706
4,0 268,5 j 12,5 477 30,0 736
5,0 300,0 15,0 520 40,0 870
292
Взвешенные наносы и транспортирующая способность потока. Яв-
ление взвешивания и перемещения русловым потоком наносов с удель-
ным весом, примерно в 2,6 раза большим удельного веса воды, давно
привлекало внимание ученых.
Результаты выполненных теоретических и экспериментальных ис-
следований показали, что взвешенное состояние наносов обусловлено
турбулентным перемешиванием воды в потоке и образованием вихрей
и водоворотов. Выбрасывание вихрями (отдельных масс жидкости в тол-
щу потока, образование водоворотов, наличие поперечных течений, пуль-
сация скоростей и другие явления служат основными причинами проник-
новения частиц наносов в толщу турбулентного потока, взвешивания и
их перемещения.
Частица наносов будет подниматься вверх в том случае, если она
находится в объеме воды, перемещающемся вверх со взвешивающей
скоростью, большей, чем гидравлическая крупность, а в противном слу-
чае произойдет осаждение частиц наносов указанной крупности.
В русловых потоках основная масса наносов переносится во взве-
шенном состоянии и составляет в равнинных реках 85—95% и в горных
реках 75—85% общего количества наносов.
Степень насыщения водного потока взвешенными наносами принято
характеризовать мутностью, определяемой весовым или объемным ко-
личеством наносов, содержащихся в единице объема воды.
Ориентировочное количество взвешенных наносов, переносимых ре-
кой, можно определить по формуле Г. В. Лопатина [112], связывающей
общую мутность потока с его гидравлическими элементами:
р = (300)
где рср — средняя мутность потока, г/м3;
h— средняя глубина потока, м;
v — средняя скорость течения воды, м/сек;
J — продольный уклон потока;
Л — коэффициент шероховатости русла;
w — средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных на-
носов, м/сек.
В отношении взвешенных наносов большой практический интерес
представляет так называемая транспортирующая способность
потока, то есть та наибольшая или предельная мутность, которую
поток может иметь при данных гидравлических условиях.
Транспортирующая способность потока зависит не только от гид-
равлических характеристик потока, но и от количества, состава, разме-
ров, формы частиц .и других свойств, наносов. Учет всех этих факторов
представляет значительные трудности, чем и объясняется наличие боль-
шого числа формул, предложенных для определения транспортирующей
способности потока.
Для определения транспортирующей способности потока известны
формулы Е. А. Замарина, А. Н. Гостунского, А. Г. Хачатряна, В. А. Шау-
мяна, С. X. Абальянца, В. В. Пославского, Г. С. Чекулаева, В. Н. Гон-
чарова, К. Г. Липатова, О. Г. Хорста, П. В. Михеева и др. Здесь приво-
дятся только некоторые из них.
Формула Е. А. Замарина для условий 0,002 < w < 0,008 м/сек
имеет вид [79]:
рт = 0,022 (301)
\ w )
где рт—транспортирующая способность, кг/м3;
v—средняя скорость течения воды,л</сек;
293
jR — гидравлический радиус, м;
J — уклон свободной поверхности воды;
w—средневзвешенная гидравлическая крупность наносов, м/сек.
При 0,0004 < w < 0,002 м/сек формула принимает вид:
рт=11ц1/^. (302)
f W
Средневзвешенную гидравлическую крупность определяют как сред-
неарифметическое по формуле:
- = (303)
100
где Pi — содержание рассматриваемой фракции в общем составе нано-
сов в процентах по весу;
wt — средняя гидравлическая крупность данной фракции наносов,
определяемая по формуле:
гл. — W1 + Ws+V W1 шг
где Wi и W2 — наименьшая и наибольшая гидравлическая крупность ча-
стиц, входящих в данную фракцию. _
А. Н. Гостунский для условий 0,0004 < w < 0,002 м/сек пред-
ложил формулу:
/,0,5 rl.5
Рг = 3300-М—, (305)
и ' .
где h—средняя глубина потокам;
w—средневзвешенная гидравлическая крупность, определяемая п<г
формуле (303). Средняя гидравлическая крупность отдельны#
фракций определяется из выражения:
4-
W. ™ ‘ -
1 4
(306)
С. X. Абальянц для условий w < 0,003 v рекомендует формулу:
рт = 0,018Х-. (307)
Rw
А. Г. Хачатрян для рек и крупных оросительных каналов получил
формулу:
рт = 200ив fin - Ub~W1 ), (308)
\ W1 ив j
где ив — наибольшая взвешивающая скорость, определяемая > по фор-
муле: _ - —*
ив = 0,065/™(о-0-05.)-; (309)
R'/a
где п— коэффициент шероховатости;
— величина наименьшей гидравлической крупности заданного
^фракционного состава наносов, определяемая по формуле:
Йп1о1--^\(1-р1)==1п^2--^--р1(1пщя+1-1), (310)
\ . П-Н . \
где — большее значение гидравлической крупности первой (мел-
кой) фракции для заданного состава яаносбв, м/сек-,
Pt —удельное (в дол^х единицы)1*содержание наносов первой
(мелкой) фракции; \
wn +1 — наибольшая гидравлическая крупность частиц заданного
состава^йаносбв, определяемая из условия =? Цв-
294
Большинство формул транспортирующей способности потока полу-
чено в основном для условий оросительных каналов. Поэтому при ре-
шении вопросов регулирования русел, то есть для потоков сравнительно
больших размеров, содержащих наносы весьма разнородных крупностей,
эти формулы следует использовать с большой осторожностью.
Наиболее универсальна формула (308) проф. А. Г. Хачатряна.
Знание фактической мутности потока и его транспортирующей спо-
собности на рассматриваемом участке позволяет выяснить возможный
характер русловых процессов. Если фактическая мутность потока р
больше транспортирующей способности рт, то избыточное количество
наносов выпадает (заиление). Если же р < рт, а русло состоит из нано-
сов, которые могут быть взвешены потоком,, то
Рис. 237. Распределение
мутности (а) и скорости
(б) по глубине потока:
1 — взвешенные наносы; 2 — дон-
ные наносы; 3 — прн наличии
донных наносов; 4—без нано-
сов.
происходит размыв.
Донные наносы и их основные характе-
ристики. По механическому составу. донные
(влекомые) наносы состоят из средних и
крупных песков, гравия, гальки и камней. Со-
став" наносов и характер передвижения их за-
висят от гидравлических условий руслового
потока. В количественном отношении донные
наносы составляют примерно ^5—25°/о общего
количества, однако в формировании русла они
играют.основную роль. ,;
При значительных скоростях течения и
массовом взвешивании наносов эпюра распре-
деления мутности по глубине имеет обычный
вид (рис. 237,а). При резком уменьшении или прекращении поступления
донных наносов с вышележащих участков происходит некоторое пере-
распределение скоростей по глубине в сторону увеличения придонных
скоростей (рис. 237,6), что является одной из причин увеличения раз-
мывающей способности осветленного руслового потока.
Начало движения донных наносов. В инженерной прак-
тике по регулированию русел для выяснения возможного характера рус-
ловых процессов важное значение имеет определение предельной (кри-
тической) скорости потока, которая характеризует кризисное условие
устойчивости зерен на дне.
Предельная скорость может быть определена по формуле М. А. Ве-
ликанова, Г. И. Шамова, В. Н, Гончарова, И. И, Леви, В. С. Кнороза
и др. Здесь приводятся только некоторые из них.
~ Шамов предложил ряд формул для определения предельных
скоростей[224]:
Опр = 4,4d‘A ^‘/в м!сек, (311)
где ипр —предельная (начальная) скорость течения, при которой про-
исходит срыв со дна отдельных частиц;
У“р = 3,7d*/.ft,/. м!сек, (312)
где —нижняя предельная скорость потока, при которой прекра-
щается движение донных наносов;
упР = 6dc₽ 1г'и м!сек> (313>
где — верхняя предельная скорость, при которой начинается мас-
совое движение донных наносов.
В. Н. Гончаров для несвязных и неоднородных наносов предло-
жил следующие формулы [52J;
= (1g -5^) -l/2-g^~Y)dcP м/сек (314)
\ ^ср. ' F
295
ус = 1,41с/н.
(315)
В этих формулах:
ун — несдвигающая скорость, то есть та предельная средняя ско-
рость потока, при которой еще не происходит перемещения и
сдвига зерен на дне;
ус — срывающая скорость, при которой раз начавшийся срыв от-
дельных зерен на дне поддерживается затем непрерывно;
h — средняя глубина потока, м\ \
dcp— средний диаметр смеси наносов, м;
Dcp — средний диаметр крупных фракций наносов, доля которых в
смеси равна 5%;
ун и у — удельный вес наносов и воды, т/м3.
В. С. Кнороз в результате своих исследований обнаружил влия-
ние вязкости жидкости на величину неразмывающей (предельной) ско-
рости и предложил следующую зависимость [97]:
упР = (у-Х м/сек, (316)
где dcp — средний диаметр твердых частиц, м;
и 6—плотность твердых частиц и воды, кг/м3',
R — гидравлический радиус, М',
и = 0,165—0,2.
Для частиц диаметром d = 0,2 ч-0,25 хи значение а : прини-
мают равным 1,3—1,4; для частиц й=0,4ч-0,7 мм это значение равно
1,2 и наконец для частиц d>0,6 ч-0,7 мм оно равно 1,0.
Зная крупность наносов в русле и глубину потока, можно иметь пред-
ставление о скорости потока, при которой эти наносы отложились и
при которой они снова могут прийти в движение, и, наоборот, зная соот-
ветствующие предельные скорости, можно судить о крупности передви-
гающихся в потоке наносов.
Расход донных наносов. Для учета расхода донных наносов
предложено много эмпирических формул, полученных в результате обра-
ботки натурных данных.
Формула Г. И. Шамова для определения удельного расхода
донных наносов <у,он в кг/сек- м (на 1 м ширины русла) при dcp >0,15—
0,2 мм имеет вид [224]:
- ,:“7'
\ пр /
где dcp—средний диаметр частиц, м;
v — средняя скорость на вертикали, м/сек-,
о“р—нижняя предельная скорость, определяемая по формуле
(312), м/сек-,
h— глубина потока, м\
k — коэффициент, учитывающий влияние крупных фракций
(О>0,001—0,002 м) на увеличение расхода донных наносов.
Если в составе наносов крупных фракций имеется от 40 до 70%,
значение k принимают равным 3D^s ; при количестве крупных фракций
от 20 до 40% и от 70 до 80% значение'# = 2,5 D^*-, при содержании круп-
ных фракций от 10 до 20% и от 80 до 90% значение #= . В осталь-
ных случаях состав наносов принимают как однородный с коэффициен-
том k = 0,95 ]А1ср . Здесь Оср — средневзвешенный диаметр крупных
фракций, размеры которых больше 1—2 мм.
296
Одна из формул В. Н. Г о н ч а ров а, полученная на основании тео-
ретических и ^лабораторных исследований, имеет вид {52]:
<7доН = 1.96 (1 <р) vH dcp pL\4,33, (318)
\wn >
где ун—несдвигающая скорость, ^определяемая по формуле (314),
м/сек-,
dcp—средний диаметр зерен, м;
v — средняя скорость потока, м/сек-,
Ф—параметр турбулентности, зависящий от среднего диаметра
частиц и температуры воды. Значения его при температуре
воды 15° С следующие:.
0,06 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,5
ч> 15,8 7,3 3,25 2,09 1,67 1,42 1,25 1,15 1,0
Формула И. Я. Орлова [133], рекомендованная для горных и
предгорных участков рек, имеет вид:
Ы
Рдон = 0,006у
-0,04
(319)
где Ради-удельное содержание донных наносов, кг/я?-,
ун и у — удельный вес наносов и воды, т/л3;
h— средняя глубина потока, м\
J — уклон водной поверхности;
dQS>— средний диаметр смеси движущихся наносов; м.
'"'"'"‘Кроме приведенных формул, для определения расхода донных нано-
сов имеется формула И. И. Леви [107], Г. В. Лопатина [112], А. В. Карау-
шева [90], Л. Г. Гвелесиани [45], И. В. Егиазарова [72], В. Ф. Таламаза
[10] и др.
В приведенных формулах средний диаметр частиц определяют по
данным механического анализа и вычисляют по принципу средневзве-
шенной величины по формуле:
rfcP = ^, (320)
где di — средняя крупность каждой отдельной фракции наносов;
р{ — количество наносов отдельных фракций в процентах от всей
пробы.
Расход донных наносов в сечении потока определяют по формуле:
<?дон = 7д он ВКкг/сек, (321)
где <7дон—~ погонный расход наносов, кг/сек-м-,
В — ширина потока по урезу воды, м-,
К — коэффициент активной ширины движения донных наносов,
равный примерно 0,5—0,6.
При необходимости величину весового расхода донных наносов мож-
но выразить в виде объема, занимаемого в свежих отложениях, по фор-
муле:
Гдои = ^м3/сек, (322)
где Quon — расход донных наносов, т/сек:,
20—1-650 OQ7
YH — объемный вес наносов в свежих отложениях, принимаемый
для крупного песка, гравия и гальки в среднем равным 1,7,
для среднего и мелкого песка 1,5 и для илов 1,3 т^м3,
§ 3. ФОРМИРОВАНИЕ РУСЕЛ РЕК И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
Продольные и поперечные профили рек. Продольный профиль реч-
ной долины имеет вид плавной кривой, уклон которой уменьшается вниз
по течению. В связи с этим соответственно убывают средняя скорость
течения и средний диаметр переносимых рекой наносов.
Рис. 239. Движение потока
и формирование русла йа
криволинейном участке:
а — действие центробежной си-
лы на изгибе; б — образование
поперечного уклона; в — по-
перечная циркуляция и формиро-
вание живого сечения; г — дви-
жение поверхностных и донных
струй на изгибе русла; / — отло-
жение наносов; 2 — размыв*
3 — поверхностные струн; 4—дон-
ные струи.
В верхнем течении, где уклоны и скорости наибольшие, обычно пре-
обладает глубинная эрозия; в среднем течении наблюдается в основном
боковая эрозия, а в нижнем течении, где уклоны и скорости сравнительно
малы, происходит отложение наносов. С течением времени продольный,
профиль речной долины постепенно изменяется (рис. 238,а).
Формы поперечного сечения реки на различных участках Также
различны. В верхнем течении поперечный профиль имеет форму ущелья
и сравнительно небольшую ширину; в среднем течении большинство рек
при основном русле имеют хорошо развитую пойму; в нижнем течении
реки обычно прокладывают свое русло в собственных отложениях (рис.
238, б), часто возвышающихся над прилегающей территорией.
Боковая эрозия. Основное русло рек обычно имеет извилистую фор-
му в плане, которая образуется в результате боковой эрозии русла. При-
чинами боковой эрозии служат: поперечная циркуляция, свойственная
298
(323)
всякому поступательному движению жидкости; центробежные силы, воз-
никающие на изгибах русла; действие Кориолисовой силы, связанной с
вращением земного шара; неустановившийся характер руслового потока
и разные случайные обстоятельства (обвалы берегов, засорение русла,
волновые явления и др.).
Наиболее сильно на боковую эрозию влияют центробежные силы,
возникающие на поворотах русла, действующие по направлению радиу-
сов кривизны и равные (рис. 239, а):
г„ =-----кг-м сек*.
ц R
где т — масса воды, движущейся пр закруглению, кг;
v—средняя скорость потока, м[сек;
R — радиус закругления, м;
а—коэффициент, учитывающий неравномерность распределения
скоростей в поперечном сечении и равный 1—1,1.
Центробежные силы вызывают у вогнутого берега повышение, а
у выпуклого берега понижение уровня воды, образуя при этом разность
уровней A h (рис. 239,б).
Угол наклона поверхности воды определится соотношением:
tg₽ = £«- = —
р в
(324)
и перепад
центробеж-
Рис. 240. Деформация русла в плане:
а — образование староречья; б — перемещение нз-
вилнны вниз по течению; / — спрямление; 2 — ста-
роречье; 3—6 — местоположения вершины кривой.
. , av2B
Ah =-----,
Rg
где В — ширина русла по урезу воды, м.
Так как скорости течения уменьшаются с глубиной, то и
ные силы, согласно формуле (323), также убывают. Под действием этой
системы сил равновесие жидкости в поперечном сечении нарушается,
.вследствие чего, в потоке.возникает поперечное вращательное, движение
жидкости. (рис. 239, в). *
Отдельные частицы воды, участвуя одновременно в продольном и
поперечном течении, в результате двигаются по сложным винтообраз-
ным траекториям (рис. 239,г), поэтому живое сечение реки на криволи-
нейном участке никогда не бывает
симметричным.
Другой причиной, способст-
вующей возникновению боковой
эрозии и поперечной циркуляции,
является вращение земного шара
(закон Кориолиса).
На прямых участках и в од-
нородных грунтах речной поток
вырабатывает в общем симмет-
ричное русло, примерно парабо-
лической формы. Однако как пря-
молинейный участок, так и сим-
метричное живое сечение не
устойчивы. Еще в 1934 г. на основании экспериментальных исследова-
ний А. И. Лосиевский установил, что поперечная циркуляция является
основным свойством всякого поступательного движения жидкости, ко-
торая на изгибе русла лишь усиливается, но существует и на прямоли-
нейном участке.
Вследствие указанных причин и ряда других обстоятельств все без
исключения русловые потоки представляют собой непрерывный ряд из-
вилин, лишь изредка прерываемых короткими более или менее прямоли-
нейными участками. Следовательно, извилистая форма речных русел в
плане естественна и наиболее устойчива.
(325)
20*
299
Иногда начало и конец излучины реки сближаются настолько, что
образуется прорыв перешейка ^происходит естественное спрямление
русла), и излучина превращается в староречье^ (рис. 240,а}.
Длительными и систематическими промерами, русла на размывае-
мых участках установлено наличие .общего перемещения извилины в
направлении течения (рис. 240, б). Это объясняется тем, что наибольший
размыв русла у вогнутых берегов наблюдается несколько ниже вершины
кривой изгиба и вследствие винтообразного движения потока одновре-
менно с размывом одного берега происходит наращивание другого.
Рис. 241. Образование перекатов:
а — движение донных наносов вдоль реки; б — нормальный перекат; в — сдвинутый пере-
кат; г — поперечные и продольные профили; 1,2 — верхний и нижний плесы; 3, 4 — верх-
няя и нижняя косы (побочни); 5 — гребень переката.
Нд идгибе русла в плане динамическая ось потока переходит от од-
ного во^йутого берега к противоположному; точно так же поток донных
наносов, переходит от одного выпуклого берега к противоположному в
виде сосредоточенной полосы наносов (рис. 241,а), и движение их в ос-
новном происходит вдоль выпуклых берегов.
ь^При пересечении лин^ фарватера с потоком донных наносов глу-
бина уменьшается и образуется так называемый перекат^ Очертание
русла в плане и в профиле у переката показано на рисунке 241, б, в, г.
На плесах уклоны меньше, чем ‘на перекатах. В паводок уклон
водной поверхности выравнивается, а ступенчатость-дна увеличивается
из-за углубления плесов и намыва перекатов. В межень скорости на
ЛГ^рекатах возрастают, и они усиленно размываются.
Рассмотренные особенности формирования русел показывают, что
продольные и поперечные профили русловых потоков непрерывно изме-
няются и могут быть самой разнообразной формы.
300
Основные зависимости между элементами речного русла. В резуЛь-
тате длительного взаимодействия потока и русла устанавливается оп-
ределенная связь между кинематической структурой турбулентного рус-
лового потока, формой русла и размерами частиц, слагающих русло.
Изучение основных зависимостей между элементами естественных русел
(морфометрических характеристик) имеет важное практическое и науч-
ное значение.
По материалам натурных исследований р'авнинных рек европейской
части СССР Государственным гидрологическим институтом (ГГИ) еще
в 1924 г. была установлена следующая взаимосвязь между шириной
русла и средней глубиной потока:
В0,5 = khcp, (326)
где k — переменный коэффициент, зависящий от характера ложа реки
и равный для скалистых и каменистых русел 1,4; для песчаных русел
2,75 и для мелкопесчаных и легкоразмываемых русел 5,5.
С. Т. Алтунин [3, 4, 5] для устойчивых русел среднеазиатских рек
предложил следующую зависимость:
Вт = khcp, (327)
где > В — ширина реки по урезу воды, м;
hcp— средняя глубина на участке, м;
т—показатель степени, зависящий от характеристики участка
реки, устанавливается по таблице 28;
k — коэффициент, изменяющийся в условиях устойчивых аллю-
виальных русел от 8 до 12 (в среднем 10).
- Несколько позже на основании анализа многочисленных материалов
натурных исследований на реках Средней Азии С. Т. Алтунин установил
более точную зависимость для определения устойчивой ширины русла
на прямом участке:
В = А~^' (328)
где Q—руслрформирующий расход (максимальный расход 3 н- 10%
обеспеченности, лс3/сек);
J — уклон свободной поверхности потока;
А— параметр, зависящий от типа поперечного профиля и харак-
теристики участка реки (табл. 28).
Для рек в аллювиальных руслах С. Т. Алтунин устанавливает два
основных типа поперечного профиля:
первый с размываемым дном и неразмываемыми берегами, кото-
рый соответствует зарегулированным руслам с ^крепленными берегами;
вто^) о й — с размываемым дном и берегами, что соответствует есте-
ственному и незарегулированному состоянию русла на устойчивых и
прямолинейных участках.
На основании изучения морфометрических характеристик рек Кир-
гизии А. Н. Крошкин и К. Ф. Артамонов [10] получили для участков с
уклоном более 0,02 следующие зависимости:
для аллювиальных русел
А / О0,34
В = АУ^-' <329>
для переходных от аллювиальных русел к скальным
: по.з •
в (ЗЗО>
v-
В этих формулах коэффициент А изменяется от 1,8 до 3,0, причем
большие значения соответствуют-малым рекам с расходом 10% обес-
301
печенности более 70 мг]сек, средние — рекам с расходами 30—70 м3!сек
и меньшие — рекам с расходами менее 30 м31сек.
Для приближенной оценки устойчивой ширины русла нижних участ-
ков горных рек рекомендуется зависимость:
0°.4
1,25 ~^г, , (331)
где dcp — средний диаметр частиц русловой шероховатости (диаметр
наиболее крупных фракций, составляющих 20% общего веса пробы,
приближенно равный dcp =5,5J0,8 ).
При выборе материала и конструкции сооружений для регулирова-
ния русел необходимо знать максимальные скорости течения цмакс на
сбойных участках. Величину этих скоростей можно определить из зави-
симости, полученной проф. Г. В. Железняковым для равнинных рек с
уклоном 0,009—0,000037 [74]:
_v[c + (0.HC+l,85)]^g ]
умакс
(332)
где С — коэффициент Шези.
Аналогичная зависимость для рек Киргизии с уклонами от 0,005 до
0,077 и С = 4 70 получена В. Ф. Таламазой [10]:
„ - v [с + (0,13С+ 1,0) V g ]
умакс — £
(333)
В области изучения морфометрических зависимостей рек известны
также работы В. Г. Глушкова, И. 44.-Рыбкина., 3, А, Гримберга.
Н. А. Ржаницына, А. Н. Гостунского, ЕЕ А. Белинского, Г. ГТ. Калинина,
М. С. Вызго, И. И. Херхеулидзе и др.
Классификация рек по степени устойчивости русел. Такая класси-
фикация рек вытекает из самой сущности механизма русловых процес-
сов, заключающейся в непрерывном взаимодействии потока и русла.
В этом двустороннем процессе взаимодействия и взаимоуправления та
или другая сторона обычно имеет перевес. Если при сравнительно ма-
лой подвижности твердых частиц, слагающих русло, направляющее
воздействие русла на поток имеет длительный и мало изменяющийся
характер, то река считается более устойчивой, и, наоборот, если под-
вижность частиц велика, река быстро и беспорядочно меняет свое рус-
ло, то она считается малоустойчивой.
В качестве показателя устойчивости речного русла В. М. Лохгин
ввел понятие коэффициента устойчивости русел:
Куст = 4b - (334)
3 Д/г
где dcp—средний диаметр частиц, составляющих ложе потока, мм\
Mi — падение реки в мм на 1 м ее длины.
М. А. Великанов [35] предложил характеризовать устойчивость рус-
ла следующим безразмерным параметром:
Куст = ^, (335)
который более полно отражает сущность рассматриваемого коэффици-
ента.
Коэффициент устойчивости русел Куст дает общую еценку степени
устойчивости той или иной реки в целом. В последнее время считают
наиболее важной гидротехническую классификацию рек по отдельным
характерным участкам, отражающую те особенности потока и русла,
которые являются основными для нормальной работы сооружений. Та-
302
кая классификация для руслоформирующего расхода 3 -5- 10% обеспе-
ченности, составленная С. Т. Алтуниным и частично дополненная
Н. Ф. Данелия, приведена в таблице 28.
Таблица 28
Участ- ки Характеристика участков рек Параметр русла А т при k =10 Число Фруда „ ао’ Гг=-г Коэффи- циент Лохтина Куст
тип п оперечи ого профиля
> 1 2 1 1 1 2
1 Высокогорный участок. Русло скальное или сложено
из булыг. Стремнинные н сверхбурные потоки .... 0,5 0,75 1,2 1,0 »1.0 >15
2 Горный участок. Русло скальное или сложено из обломков скал, булыжника, галькн. Скорости н уклоны 0,75 1,0 1,0—0,5
близки к критическим . . . 0,9 0,8 »7
3 Предгорный участок. Выход реки из гор в долину. Русло сложено из гальки, гравия и песка. Протекание 0,9 0,8 0,5—0,2
потока спокойное . . . . . 1,0 0,75 >6
4 Средний (равнинный участок). Русло сложено из крупного,
среднего и мелкого песка. Протекание потока спокойное 1,0 1,1 0,75 0,7 0,2—0,04 >5
5 Нижнее течение. Русло сложено из мелких пес-
ков
а) рр. Волга, Дунай, Сыр- 0,75 0,7
дарья . . , . . . 1,1 1,3 0,2—0,03 >2
б) р. Амударья 1,3 1,7 0,60 0,5 0,3—0,20 >1
в) р. Кура 1,1 1,4 0,65 0,6 0,3—0,15 >2
1 г) р. Риони . . . . 1,2^ ’Г, о 0,70 ' 0,6 0,25—0,10 >1,5
§ 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНОЙ ТРАССЫ
И РАСПОЛОЖЕНИЕ СООРУЖЕНИЙ
Очертание проектируемого видоизмененного русла в плане по зер-
калу воды при принятом расчетном расходе называется регулиро-
вочной трассой. Пример расположения регулировочной трассы
показан на рисунке 242 [148].
При проектировании регу-
лировочной трассы решаются
следующие вопросы:
1) устанавливают ось трас-
сы на плане существующего
русла;
2) назначают ширину и
глубину трассы и проектируют
поперечные сечения;
3) выполняют поверочные
расчеты запроектированного
Рис. 242. Регулировочная трасса:
/—2, 3—4, 10—11 и 13—14 — существующие берега;
2—5 — закрепленный берег; 5—6 — срезка берега:
6—8, 9—10 — запруды; 12—13 — струенаправляющая
дамба; 7—8—9—12 — землечерпательная прорезы
4—7 — полузапруды.
русла.
При проектировании регулировочной трассы рекомендуется в наи-
большей степени использовать существующее основное русло, сужая
или.расширяя его до устойчивой ширины.
Установление оси регулировочной трассы. Профессор М. В. Пота-
пов [148] предложил ось трассы очерчивать плавно сопрягающимися
303
кривыми линиями с короткими прямыми вставками между ними
(рис. 243). .
Для того чтобы поперечные сечений потока I—I (в вершине кри-
вой) и II—II (на прямой 3—4) постепенно и плавно^переходили друг
в друга, необходимо ось трассы очертить переменным радиусом, изме-
няющимся от минимального значения в вершине до R—<x> вначале
1—2—3—4—5—6 — ось трассы; 3—4— прямая вставка.
и в конце кривой, то есть точки 1, 3,4, 6 должны быть точками перегиба
кривой. Таким свойством обладает, например, синусоида, и упру-
гая кривая’ : "
При трассировании кривой 1—2—3 (рис. 244) по синусоиде имеем:
х0 = -у£/?0 и уа= k2R0
Рис. 244. Трассирование кривой
1—2—3 по синусоиде.
Рис 245. Схема построения регулировочной трас-
сы по дугам окружностей Двумя радиусами
и /{2=3,5В; -
/ — прямая вставка.
Кривая строится по уравнению:
y^y.cos^-. (337)
2х0
Для построения упругой кривой гибкая линейка зажимается между
точками 1, 2,3, укрепленными тдк, чтобы было:
= = '(338)
О
Изгибы естественных русловых Потоков более всего приближаются
к синусоидам. у.-,..-
304
Величину Ro назначают в зависимости от размеров потока и экс-
плуатационных требований и принимают 7?о > (3,5 ч- 5) В, где В — ши-
рина русла по урезу воды. Предельные значения Ro надежнее всего мо-
жно установить по плану реки на заведомо устойчивых криволинейных
прямолинеинои вставки (переката)
Рис. 246. Формы поперечных сечений русел:
а — на прямолинейном участке; б — на изгибе.
участках.
Профессор С. Т. Алтунин [5] считает возможным ось выправитель-
ной трассы очерчивать приближенно по сопрягающим дугам окружно-
стей двумя-тремя- радиусами: 7?i=(7—8)5; 7?г(5—6)5 и 5з=3,55,
где В — ширина реки по зеркалу воды на прямом участке (рис. 245).
Для таких русел длина меандры (два плеса и два переката) состав-
ляет (12—14) В. Верхний предел относится к предгорным участкам ре-
ки, нижний — к равнинным. "
принимается равной В.
Ширина и средняя глу-
бина трассы, поперечные се-
чения. Регулировочную
трассу проектируют для оп-
ределенного расхода и соот-
ветствующего ему уровня
руслового потока [5, 148].
Для равнинных рек с
большой амплитудой коле-
бания уровней обычно регу-
лируют меженное русло и за
расчетный расход и уровень принимают их значения, соответствующие
средне в ы с окон межени. Регулирование паводкового русла, если
оно требуется, в этом случае решают как отдельную задачу, обычно в ви-
де обвалования поймы для предохранения от затопления.
На горных и предгорных участках рек с малой амплитудой уров-
ней (1—2 м) за расчетный принимают средневысокий паводко-
вый расход, который для рек Средней Азии, по рекомендации
С. Т. Алтунина, равен расходу 3—10%-ной обеспеченности.
Установив расчетный расход, соответствующий этому расходу уро-
вень, пользуясь материалами изысканий, определяют ширину и сред-
нюю глубину на устойчивых участках бытового русла, отдельно на пле-
сах и на перекатах. Полученную таким образом среднюю ширину русла
на плесовых участках принимают за минимальную ширину регули-
ровочной трассы.
В тех случаях, когда нет достаточных данных изысканий, среднюю
глубину Й ширину устойчивого русла определяют по морфометрическим
швисимостям (§ 3 этой главы). При этом ширину на криволинейном
частке принимают по рекомендации С. Т. Алтунина равной:
Вк = (0,75-0,5)5,
(339)
где коэффициент 0,75 рекомендуется брать для пологих излучин аллю-
виальных русел; 0,5—для крутых излучин при неразмываемых (закреп-
ленных) берегах, когда поток изменяет свое направление под углом от
45 до 90°. ..
Среднюю глубину определяют из формулы расхода Q—Bh^o, где
о находят по Обычной формуле при( среднем уклоне потока.
Поперечное сечение устойчивого русла на прямолинейных участках
можеТ быть построено по уравнению параболы второго порядка:
хг = 2ру, (340)
где х изменяется ОТ 0 до 0,55 и у — от 0 до ho (рис. 246). Для этого при
известных значениях Q, 5, v определяют площадь живого сечения ф =
= Q:v, среднюю глубину hcp — a> :B, глубину параболического русла
/г0==1,5Лср и параметр 2р при х=0,55 и y = h0 (рис. 246,а).
305
На криволинейных участках поперечный профиль русла можно
[148] приблизительно определить по формуле:
(у2 \ f у; \
+ (341)
где R— радиус изгиба по оси потока, м;
b = 0,5Вк, м;
£=5,34, если вода умещается в русле; £ = 8,01, если вода выхо-
дит на пойму; £ = 3,4 для горных участков рек;
h0 = 1,5/tcp, м; hep — средняя глубина устойчивого русла на кри-
волинейном участке, м (рис. 246,6).
Для определения величины h'cp можно пользоваться формулой
Бусинесска, имеющей вид:
ft;p = '"ep(l+-'|/v )• (342).
где hcp,B— средняя глубина и ширина трассы на прямом участке, м;
х— опытный коэффициент.
Максимальную глубину на кривой у вогнутого берега можно най-
ти по формуле:
£м = еЛср. (343)
Значения опытных коэффициентов т и е приведены в таблице 29,
составленной С. Т. Алтуниным по данным исследований.
Таблица 29.
0 0,16 0,20 0,25 0,33 0,50 ° 0,70
т 0 0,60 0,60 0,65 0,75 0,85 2,0
£ 1,27 1,48 1,48 2,20 2,57 3,00 —
Расположение регулировочных сооружений. На основании проек-
та выправительной трассы намечают расположение и размеры регули-
ровочных сооружений, принимают их конструкцию, определяют объем
и стоимость, имея при этом в виду вопросы организации и механизации
работ.
Компоновку регулировочных сооружений следует выполнять с уче-
том местных условий, характера слагающих ложе реки грунтов и на-
блюдающегося переформирования бытового русла и его берегов. Неко-
торые схемы создания нормального русла по С. Т. Алтунину приведены
на рисунке 247.
Процесс формирования нового русла состоит главным образом в
заилении промежутков между продольными сооружениями и берегами,'
а также в размыве недостаточно углубленных участков русла. Конст-
рукции и расположение регулирующих сооружений должны обеспечи-
вать наиболее полное и быстрое протекание этого процесса.
Наиболее рационально сочетание продольных и поперечных соору-
жений (рис. 247,в, г). Продольные сооружения, как правило, распола-
гают у вогнутых, а поперечные—у выпуклых берегов. В этом случае
вдоль продольных сооружений создается более спокойное течение, а вы-
пуклый берег нарастает вследствие работы самого потока.
Продольные дамбы выгодно применять на широкопойменных, мно-
горукавных реках при защите только одного берега. В тех случаях,
306
когда необходимы сжатие русла и защита обоих берегов, более целесо-
образно применить поперечные сооружения.
Важное значение имеет, очередность выполнения работ. В первую
очередь следует устраивать сооружения на вогнутых берегах, участках
свалов потока, неустойчивых перекатах и др. Бывает целесообразно в
начале строительства намечать более разреженную схему расположе-
ния поперечных сооружений, с тем чтобы в последующем дополнитель-
расстояние между ними.
ными сооружениями сократить
Схему расположения регу-
лирующих сооружений оконча-
тельно выбирают на основе
проработки и сопоставления
нескольких наиболее возмож-
ных вариантов компоновки.
Поверочные расчеты. Про-
ектное зарегулированное русло
проверяют гидравлическим
расчетом.
Такой расчет выполняют
по отдельным участкам, для
каждого из которых определя-
ют основные гидравлические
элементы при пропуске расчет-
ного расхода. При этом расчет-
ные уровни воды на стыках со-
седних участков могут значи-
тельно отличаться ют бытовых
и могут не совпадать. Тогда не-
обходимо изменить или приня-
тую ширину на участках, или
ось регулировочной трассы,
чтобы по возможности устра-
нить несовпадение уровней.
Для оценки устойчивости
запроектированное русло про-
Рис. 247. Схемы образования нормального
русла при регулировании:
а — продольными дамбами; б —• полузапрудамн;
в и г — комбинированные.
веряют на незаносимость и не-
размываемость. Поверку вы-
полняют для прямых или слабо
изогнутых участков трассы.
Основные условия незаносимости русла наносами следующие:
а) соблюдение морфометрической зависимости Д'" —khcp, причем
k и т лучше определять по материалам исследований данной реки;
б) достаточная транспортирующая способность запроектированно-
го русла’ в отношении взвешенных наносов, которая должна быть не
меньше, чем в бытовом русле, то есть рт.рег > Рт.быг;
в) достаточная пропускная способность зарегулированного русла в
отношении донных наносов, то есть <2Д0Н.рег > <?дои.быт-
При слишком больших значениях рт-рег и бд0Н.рег по сравнению
с бытовыми возможен размыв русла. Это будет в том случае, когда
средняя скорость на рассматриваемом участке зарегулированного рус-
ла больше скорости, при которой начинается массовое движение дон-
ных наносов и которая определяется формулой (313) или (315). Прибли-
зительная оценка величины размыва может быть сделана сравнением
площадей живых сечений при указанных скоростях.
Результаты таких поверок следует считать ориентировочными. Наи-
более надежным критерием все же остается соответствие запроектиро-
ванного русла устойчивому бытовому руслу той же реки.
307
Глава XIX
РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
f
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ РАБОТ
И СООРУЖЕНИЙ
В зависимости от объемов работ и применяемых методов различа-
ют полное (общее) и частичное регулирование русел.
Конечная цель полного регулирования русла реки — привести его
в состояние нормальной или повышенной устойчивости на всем протя-
жении. Образование такого русла требует длительного времени и боль-
ших материальных затрат. Поэтому на практике редко ставят сразу
такую задачу и регулировочные работы выполняют по отдельным участ-
кам, но в определенной очередности на основе общего (генерального)
плана регулирования, согласованного с перспективным планом водо-
хозяйственного использования данной реки.
В зависимости от характерных особенностей русловых процессов,
происходящих по длине реки, можно выделить следующие основные на-
правления регулировочных работ: в верхнем течении реки — борьба с
глубинной эрозией; в среднем течении — с боковой эрозией, а в ниж-
нем—борьба с отложениями наносов и их вредными последствиями.
Методы регулирования русел на том или ином участке реки и при-
меняемые при этом типы и конструкции сооружений могут быть весьма
различными. Они зависят от характера русловых процессов, вида отри-'
цательных проявлений потока, цели -решаемой производственной зада-
чи, наличия и качества местных строительных материалов и др.
'Регулировочные сооружения можно классифицировать по -следую-
щим характерным признакам. !
1. По сроку службы регулировочные сооружения делятся на по-
стоянные и временные.
Постоянные сооружения обычно входят в состав сооружений гене-
рального плана регулирования русла и водохозяйственного использова-
ния реки и представляют собой конструкции, возводимые из долговеч-
ных и прочных строительных материалов.
Временные сооружения строят для временного регулирования от-
дельных участков рек, для предупреждения аварий или ликвидации их.
Конструкция таких сооружений предусматривает возможность их ча-
стичной разборки и использования полученных материалов в другом
месте.
2. По назначению сооружения подразделяются на следующие виды:
струенаправляющие дамбы, располагаемые вдоль течения
или под небольшим углом к нему для направления потока к отверстиям
плотины, водозабора, мостов, для сужения русла и предотвращения
подмыва сооружений;
оградительные дамбы, возводимые для ограждения й защи-
ты ценных земель, населенных пунктов и промышленных Предприятий
от затопления высокими водами;
берегоукрепительные сооружения, устраиваемые для
защиты берега от размыва потоком и волновыми явлениями; -- •
запруды — сооружения, перекрывающие русло от одного -берега
до другого, устраиваемые для закрепления дна, для частичного иЛй’пол-
ного преграждения течения воды по рукавам и протокам в период ме-
жени; •
полузапруды (буны, шпоры) —сооружения^,одним концом при-
мыкающие к берегу или продольной дамбе,, а другим выходящие в рус-
ло нормально или под углом к оси потока. Их применяют для постепен-
ного сужения русла, защиты берега или продольной дамбы от подмыва
и выправления течения;
308
поверхностные и донные струенаправляющие си-
стемы, вызывающие искусственную поперечную циркуляцию и позво-
ляющие управлять движением донных наносов и производить местные
размывы, намывы дна и др.
3. По расположению относительно русла и характеру воздействия
на поток регулировочные сооружения делятся на продольные и
поперечные.
Продольные сооружения действуют на поток более или менее рав-
номерно на всей своей длине, то есть поверхности, омываемые потоком,
отвечают наиболее плавному изменению скоростей вдоль потока (струе-
направляющие и оградительные дамбы, берегоукрепительные соору-
жения).
Поперечные сооружения, располагаемые к оси потока под разными
углами, действуют на поток более активно, создают своими угловатыми
контурами добавочные местные сопротивления и резкие сопряжения
(запруды, полузапруды, струенаправляющие системы). Эти сооружения
значительно искажают существующую гидравлическую структуру пото-
ка, нарушают естественные формы речного русла и вызывают местные
деформации.
Дальность воздействия поперечных сооружений на поток в 3—6 раз
превышает длину самого сооружения, тогда как дальность воздействия
продольных сооружений равна их длине. Это положение имеет сущест-
венное значение при различных длинах фронта расположения сооруже-
ний. Поэтому наиболее правильное и экономически выгодное решение
многих задач, связанных с регулированием взаимодействия потока и
русла, в большинстве случаев достигается комбинированным примене-
нием соответствующих типов сооружений и их расположений.
4. По роду применяемых строительных материалов и изготовляемых
из них конструкций различают такие регулировочные сооружения:
а) плетневые и рассадка ивняка;
б) из хворостяной (фашинной) кладки;
в) фашинно-кольевого типа; ,
г) из ветвистой кладки (елочной, ивовой);
д) из тюфячной кладки с каменной наброской; .
е) грунтовые (насыпные, нарефулированные);
ж) Каменнонабросные;
з) деревянные (свайные, ряжевые, дощато-щитовые);
и) бетонные, железобетонные и др.
5. По характеру воздействия на поток регулировочные сооружения
бывают:
монолитные, отклоняющие и направляющие весь набегающий
на них поток и не допускающие наносы за сооружения;
сквозные, пропускающие через себя большую или меньшую
часть потока и тем самым вызывающие перераспределение расходов,
скоростей и наносов по живому сечению русла.
6. По отношению к уровням воды регулировочные сооружения бы-
вают затопляемые (при регулировании меженного русла) и не-
зато пл я е м ы е (при регулировании паводкового русла). Это условие
в значительной степени влияет на выбор конструкции и строительного
материала сооружений.
§ 2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
КОНСТРУКЦИЙ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Надежность работы регулировочных сооружений, их долговечность
и экономичность зависят от вида и качества применяемых строитель-
ных материалов, а также от правильности выбора типа и конструкции
сооружений в соответствии с условиями работы.
309
Основные строительные материалы и их применение. Строительные
материалы для регулировочных сооружений должны удовлетворять сле-
дующим основным требованиям:
а} обладать достаточной сопротивляемостью против разрушения
русловым потоком, ледовыми и волновыми воздействиями;
б) не подвергаться разрушению при переменном смачивании водой;
в) обладать необходимой гибкостью, позволяющей следовать за воз-
можными деформациями основания;
г) позволять легко ремонтировать и при необходимости изменять
размеры сооружения и др.
Работы по регулированию русел, когда они ведутся на значитель-
ном протяжении реки, требуют большого количества строительных ма-
Рис. 248. Изготовление прутяного каната:
а — вязка каната на козлах; б — сжим для стягивания каната и фашин.
териалов. Доа1ому«лри проведении таких работ преимущественно ис-
пользуют наиболее доступные местные материалы. Промышленные ма-
териалы, как наиболее, дорогие обычно применяют в ограниченном ко-
личестве.
Для строительства регулировочных сооружений применяют: различ-
ные грунты, дерн; каменные материалы (булыжный и рваный камень,
щебень, гравий); растительные материалы (камыш, солома, мох); лесные
материалы (хворост, колья, сваи, горбыли, доски, брусья); бетон и же-
лезобетон; металл в виде оцинкованной проволоки, троса, сетки и для
изготовления различных изделий — арматуры, анкеров, скоб, болтов и
гвоздей.
Проволоку особенно широко используют как вязальный материа'л
для вязки хворостяных канатов, тюфяков, матов, фашин и т. п. Примене-
ние тех или иных строительных материалов в значительной степени за-
висит от назначения и конструкции сооружения, местных условий, рода
грунтов, слагающих русло, и от условий производства работ.
Большое значение для регулировочных сооружений имеет транс-
портабельность строительных материалов, возможность их массовой за-
готовки в районах производства работ, а также возможность примене-
ния механизации труда при заготовке материалов и изготовлении из них
элементов конструкций регулировочных сооружений.
Конструктивные элементы регулировочных сооружений. Регулиро-
вочные сооружения обычно состоят из нескольких конструктивных эле-
ментов, изготовляемых из основных строительных материалов. Наибо-
лее распространены из них следующие.
Прутя вне канаты применяют для вязки тюфяков, скрепления
хворостяной кладки, метловых щитов и др.
Прутяные канаты изготовляют из отборного тонкого ‘ хвороста с
перевязкой вицами или проволокой через каждые 0,2—0,3 м. Диаметр
каната 0,1—0,15 м, а длина его может быть произвольной (рис. 248).
Хворостяные фашины бывают легкие и тяжелые. Легкая
310
фашина — это обычный пучок хвороста диаметром 0,25—0,3 м, туго пе-
ревязанный в 2—4 местах вицами или мягкой проволокой диаметром
1—3 мм.
Тяжелая фашина состоит из цилиндрической хворостяной оболочки,
заполненной щебнем, камнем, , гравелистым или глинистым грунтом.
Диаметр тяжелых фашин 0,6—1 м, длина фашин определяется их назна-
чением (обычно 4—10 м). Типы фашин ц их размеры показаны на ри-
сунке 249, а б, в.
Рис. 249. Типы фашин:
а — однокомлевая; б — двухкомлевая; в — тяжелая; г — карабура; / — хворост;
2—камень; <3 — галька, щебень, грунт; 4 — хворост, солома, камыш; 5 — пробка
из хвороста; 6 — кол.
Кар. а буры — разновидность тяжелых фашин. Для их изготовле-
ния нй земле натягивают ряд проволок через 0,5 м, на них поперек рас-
стилают слой хвороста толщиной 0,2—0,25 м, слой камыша или соломы
0,05—0,1 м и сверху укладывают слой щебня, гальки или грунта 0,1 —
0,25 м. Затем все это сворачивают в виде рулета и скрепляют оставши-
мися у колышек концами проволок (рис. 249,г).
Хворостяные покрывала (маты) плетут из хвороста в один
или два ряда на месте укладки или рядом и опускают со специальных
подмостей илй понтонов. Для прочности их укрепляют по контуру и в
диагональных направлениях проволокой,
Хворостяныё тюфяки относятся к числу наиболее распро-
страненных конструктивных элементов регулировочных сооружений.
Тюфяк состоит из нескольких слоев разостланного хвороста, стя-
нутых между двумя сетками из прутяных канатов с размерами клеток
0,8—1,0 м и пригруженных камнем или другим загрузочным материа-
лом. Иногда вместо хвороста укладывают легкие фашины (фашинный
тюфяк).
Толщина тюфяков в сжатом состоянии составляет 0,4-?-0,6 м. Раз-
меры в плане могут быть самые разнообразные — от узких лент шири-
ной 10 м до больших тюфяков площадью 1500 м2.
311
Сипайиая шпора.
Сипаи — трехногие или четырехногие козлы высотой 2-ь5 м
(рис. 250). Изготовляют их из бревен, брусьев, жердей, рельс, труб,
скрепленных в узлах проволокой. В последнее время также применяют
сипаи железобетонной конструкции.
Рис. 250. Виды сипаев:
а — трехногий; б — четырехиогий; в — железобетонный сборный тетраэдр.
Сипаи обычно служат каркасом продольных сооружений, возводи-
мых из каменно-хворостяной или сипайной кладки. При установке си-
паев насухо концы ног зарывают в грунт, а при установке в воду они
погружаются под действием веса загрузки.
Габионы и га б и о н н ы"%, т ю ф я к и представляют собой ящи*
ки, собираемые на месте укладки из проволочных стенок и заполняемые
камнем, щебнем или галькой (рис. 251). ' "
312
Обычные размеры ящика: высота 1 м, ширина 1—1,5 м, длина 3—
5 м. Иногда габионы устраивают цилиндрической формы диаметром
0,5—1,0 м, длиной 2—4 м и используют их в сооружениях взамен тяже-
лых фашин.
Габионные тюфяки имеют высоту 0,4—0,5 м при размерах в плане
2X3 или 3X4 м.
Ряжи бывают деревянные и железобетонные. Деревянные ряжи
обычно применяются рубленые, с просветами между венцами. Заполняют
их каменным материалам. Размер клеток 1,5—2,5 м.
Железобетонные ряжи сборной конструкции состоят из балок се-
чением 0,16X0,2 м, армированных четырьмя стальными прутьями диа-
метром по 10 мм.
Ряжи ввиду сравнительно высокой стоимости применяют в наи-
более тяжелых условиях и для ответственных сооружений,
г
§ 3. ПРОДОЛЬНЫЕ МАССИВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Основными видами продольных массивных сооружений являются
дамбы — прямолинейные или криволинейные в плане, располагаемые
в продольном направлении по регулировочной трассе.
Дамбы по назначению бывают струенаправляющие и ог-
радительные.
Струенаправляющие дамбы. Эти сооружения применяют для соз-
дания основной ведущей линии речного потока в регулируемом русле,
для смягчения встречи двух потоков при слиянии их в одно русло, для
искусственного разделения потока по разным направлениям и др.
При большой длине затопляемой дамбы за ней возникает продоль-
ное течение, препятствующее выпадению наносов, а иногда вызывающее
даже размыв. Для гашения этого течения между продольной дамбой и
берегом устраивают поперечные дамбы — траверсы (рис. 252) или
наносоудержатели, представляющие собой траверсы легкого, сквозного
тийа (плетневые, хворостяные и др.). Расстояние между траверсами
назначают в 2—3 раза более их длины.
Для проникновения взвешенных и отчасти донных наносов за не-
затопляемые дамбы в последних устраивают отверстия или же строят
прерывистые дамбы (рис. 252, б, в). Такие отверстия полезны и для за-
топляемых дамб, так как допускают проникновение наносов и в межен-
ный период.
Струенаправляющие дамбы рассчитаны на длительный срок служ-
бы при активном воздействии на русловой поток в течение всего вре-
мени их работы. Поэтому эти сооружения в большинстве случаев возво-
дят из прочных и долговечных строительных материалов. Основные кон-
струкции поперечных профилей дамб приведены на рисунке 253.
Струенаправляющие дамбы хотя и действуют на поток плавно и
умеренно, однако, стесняя живое сечение, вызывают общее повышение
скоростей течения, которое может привести к размыву основания дамбы
и ее наружного (обращенного к реке) откоса.
Заложение откосов назначают в зависимости от вида применяемого
основного строительного материала и условий работы сооружения.
Наружный (речной) откос у незатопляемых дамб устраивают бо-
лее пологим и более прочным. У затопляемых дамб крепление гребня и
внутреннего откоса назначают с учетом перелива воды через дамбу.
Основание Дамб на размываемых грунтах защищают от размыва
фартуком, то есть выпуском части донного расстилочного тюфяка
(рис. 253, в, г, д), отсыпкой камня, устройством коротких поперечных со-
оружений (шпор), примыкающих к продольной дамбе.
Ширина фартука Ф зависит от возможной максимальной глубины
размыва t и принимается равной (2—3)/. Возможную глубину размыва
313
Рис. 252. Схемы продольных дамб в плане:
а — затопляемая дамба с траверсами; б — незатопляемая дамба с отверстиями; в — незатопляемая
прерывистая дамба с траверсами; 1 — струенаправляющая дамба; 2 — траверсы; 3 — отверстия.
Рис. 253. Конструкции поперечных профилей тела струенаправляющих дамб:
а — из связного грунта С креплением откосов и гребня; б—яз несвязного грунта с наброской
камня; в — из камеииой. наброски иа расстилочном хворостяном тюфяке; а — тюфячно-камеиная;
д — габионная; е — из каменной кладкинаеухб;зс —рйжеван деревянная; з — плетневая двухряд-
. _ нал с траверсами.
можно определить по методу С. Т. Алтунина [5] или по методу К. Ф. Ар-
тамонова [10]. Практически ширина фартука достигает 10 м и более.
Ширину гребня дамб устанавливают в зависимости от условий про-
изводства работ и эксплуатации до 4—6 м, но не менее 2,5 м.
Запас высоты сооружения над расчетным уровнем принимается в
пределах 0,5—1 м.
В продольном направлении гребню струенаправляющей дамбы
обычно придают уклон. В корневой части сооружения на протяжении
20—25 м гребню придают уклон в пределах 1; 10—1 :25, а на осталь-
ной части гребень дамбы устраивают с уклоном, равным продольному
уклону свободной поверхности потока.
В месте примыкания корня дамбы к берегу последний укрепляют
как вверх, так и вниз по течению на длину 20-7-50 м, считая от оси
дамбы. При затопляемом береге, сложенном из легкоразмываемых
грунтов, береговую площадку в районе корня дамбы закрепляют до-
полнительно рассадкой ивняка [59].
Оградительные дамбы. 1. Назначение и расположение
дамб. Оградительные дамбы (дамбы обвалования), располагаемые
вдоль берегов рек или озер, устраиваются для защиты ценных поймен-
ных сельскохозяйственных угодий от затопления, для защиты дорог, на-
селенных пунктов и промышленных предприятий от наводнения, для
уменьшения затопляемой площади при образовании водохранилищ, для
создания рыбоводных прудов и водоемов в поймах рек и т. п.
Дамбы обвалования в зависимости от сельскохозяйственного ис-
пользования обвалованных земель могут быть [СНиП П-И.3-62]: .
не'затопляемые, не допускающие перелива воды через гребень
в течение всего года при нормальных и чрезвычайных условиях эксплуа-
тации;
затопляемые, ограждающие территорию от затопления лишь в
отдельные периоды года, определяемые гидрологическими и хозяйствен-
ными условиями.
Строительство затопляемых дамб значительно усложняется в свя-
зи с необходимостью закрепления гребня и откосов от размыва и уст-
ройства в теле насыпей водосбросных сооружений и отверстий для вы-
пуска воды.
Дамбы можно строить по обоим берегам русла или только по одной
его стороне в зависимости от расположения ограждаемой от затопления
площади.
Обвалование может быть замкнутым и незамкнутым.
При замкнутых дамбах местный сток от атмосферных осадков и
фильтрационные воды, поступающие через дамбы во время паводка, за-
держиваются в низинах обвалованной площади. Эти воды сбрасыва-
ются в реку при низком стоянии уровня через специальные трубы, про-
ложенные под дамбами и снабженные затворами.
Незамкнутые дамбы целесообразны на реках с большими уклонами
щпри широких поймах. В этом случае возможен свободный сток поверх-
ностных вод, с нижней части ограждаемой площади.
Для уменьшения площади затопления в случае прорыва продольной
дамбы устраивают поперечные валы — траверсы, которые доводят
также дб незатопляемых отметок местности и снабжают водосбросными
устройствами.
Построенное обвалование в процессе эксплуатации может быть ис-
пользовано для временного орошения обвалованной территории или для
удержания плодородных илистых частиц паводковых вод.
2. Гидравлические расчеты обвалования. При стес-
нении поймы оградительными дамбами уровень воды между ними (при
прохождении расчетного расхода) повышается на некоторую величину
з.-Вследетййе этого на вышележащем участке русла образуется кривая
315
подпора 1—2, а на нижележащем — кривая спада 3—4 (рис. 254,6).
Следовательно, гидравлические расчеты обвалования заключаются в
определении подпора z (по заданному расходу и ширине В) и построе-
нии сопрягающих кривых подпора и спада.
Ширину русла В между дамбами обвалования следует определять
технико-экономическими расчетами, путем
Рис. 254. Схемы к расчету обвалования
речной поймы:
а — план и поперечное сечение обвалования:
б — проднльный профиль обвалованного русла;
/—граница поймы; 2 — замкнутый вал; 3 — не-
замкнутый вал; 4 — траверсы; 5 — отверстия.
сопоставления стоимости раз-
личных вариантов.
На реках с блуждаю-
щим руслом ширина В дол-
жна быть не менее ширины
реки и полосы поймы, в пре-
делах которой она "блужда-
ет.
При предварительных
расчетах величину подпора z
можно определить по мето-
ду, рекомендованному проф.
Б. Н. Кандиба [89], по кото-
рому предполагается, что
уклон свободной поверхно-
сти 1 остается таким же, ка-
ким он был до обвалования,
и весь паводковый расчет-
ный расход проходит между
дамбами (рис. 254,а).
Расход, проходивший на
отнятых дамбами площадях
разливов, равен
После устройства'дамб
этот расход будет проходить
по суженному руслу шири-
ной Xj + Зз+хг и глубиной г.
Учитывая возможное
увеличение скорости- течения
в суженном русле по сравне-
нию с бытовыми на 25%,
можно написать:
== 1,25 (Х]&£ 4“
+ &зиз + х2и2) Z, (344)
откуда
2 — 08 Ю1Р1 ~Ь
xiVi 4- b3v3 4- x2v2
Скорости на пойменных участках: ____
ах = Сх ЛjУ и о2 = Са (345)
скорость в русле
»3 = С3/Ц (346)
где ftx, h2, h3—средние глубины;
Сх, С2, С3 — коэффициенты в формуле Шези, которые моикно опре-
делить по формуле Маннинга:
Cj = ~ й*/»; С2=~- й’/« и С3 = ~ й^, (347)
где п — коэффициент шероховатости, определяемый для рассматривае-
мого участка реки по гидрометрическим данным или же при отсутствии
их принимаемый по Шкале, разработанной М. Ф. Срибным [176].
316
Каменно-хворостяная шпора.
3? Конструкция дамб. Оградительные дамбы возводят из
местного грунта. Они представляют собой земляные плотины небольшой
высоты и отличаются от них тем, что испытывают напор лишь в тече-
ние непродолжительного времени и вдоль их речного откоса имеется
продольное течение воды.
В связи с этим на интенсивно размываемых участках подошва дам-
бы со стороны реки должна быть защищена от подмыва и укрепление
откоса рассчитано не только на волнение, но и на размыв течением.
Ширину гребня дамб принимают не менее 2 м и дамбы устраивают
с поперечным уклоном, равным 0,05 в обе стороны от оси дамбы.
Расчетную вероятность превышения максимальных уровней, возвы-
шение гребня дамб над отметкой ветровой волны, заложение и защиту
откосов устанавливают согласно СНиП Н-И. 3-62, пп. 17.13—17.17.
§ 4. ПОПЕРЕЧНЫЕ МАССИВНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Основными видами этих сооружений являются полузапруды
(буны), донные запруды и донные пороги, применяемые
главным образом для ограничения (стеснения) русла.
Расположение полузапруд. По высоте гребня относительно уровня
воды в реке полузапруды делятся на три вида:
донные, затопляемые в межень и устраиваемые для смещения
линий наибольших глубин от вогнутого берега и защиты основания бе-
реговых сооружений (дамб, береговых укреплений) от размывов;
меженные, затопляемые в паводок, но незатопляемые при уров-
нях, соответствующих расходу средневысокой межени; они служат для
защиты берегов и регулирования меженного русла;
паводковые'— незатопляемые полузапруды, применяемые для за-
щиты берегов и регулирования русел при средних высоких уровнях.
В зависимости от степени изменения характера протекания всего
потока под воздействием полузапруд С. Т. Алтунин и И. А. Бузунов [4]
рекомендуют делить полузапруды на длинные и короткие. Ко-
роткие полузапруды называются шпорами, когда их длина I <(0,25 -ь
0,33) В, где В — ширина действующего (устойчивого) русла.
317
Шпоры обычно применяют для защиты вогнутого берега, подошвы
продольной дамбы или берегового укрепления от подмыва.
Существенное значение для заиления пространства между полуза-
прудами имеет плановое их расположение. Полузапруды могут быть
расположены нормально к течению, с наклоном против течения и по
течению.
При расположении затопляемых полузапруд под некоторым углом
против течения процесс заиления протекает несколько быстрее, чем при
расположении полузапруд по течению. Это объясняется тем, что при пе-
реливе воды через сооружение за ним возникает водяной валец, обла-
дающий повышенной транспортирующей способностью и вызывающий
продольное течение, направленное к берегу. Поэтому затопляемые по-
Рис. 255. Схемы к определению расстояния между полузапрудами на прямолинейном
участке:
а — динамическая ось параллельна берегу; 6 — динамическая ось не параллельна берегу.
лузапруды обычно рекомендуется располагать с наклоном против тече-
ния под углом 72—85°.
У головы полузапруд, расположенных под углом по течению, мест-
ный размыв дна сравнительно меньше, чем у полузапруд, расположен-
ных против течения. Из этих соображений незатопляемые полузапруды
располагают с наклоном по течению под углом 65—75°.
Определение расстояния между полузапрудами. Расстояние меж-
ду полузапрудами на прямом участке реки можно определить, исходя из
угла растекания потока (рис. 255, а) по уравнению С. Т. Алтунина
и И. А. Бузунова:
L =' /р (cos a -j- sin a ctg ₽), (348)
где /р — рабочая длина полузапруды, то есть находящаяся в зоне рас-
текания потока и обычно принимаемая равной 0,7 I, где /— .
полная длина;
а—угол между направлениями оси сооружения и динамической .
оси потока (в рассматриваемом случае динамическая .ось по-
тока параллельна линии берега);
₽—угол растекания потока. -'
Авторы этой зависимости, принимая угол растекания," 9° и.
tgp^s; — , рекомендуют расстояние между полузапрудами на прямом
6
участке берега определять по уравнению:
jL~6/psina. (349)
При а>75° зависимость (349) принимает Вид:
Lc-6/р. (350)
В. О. ЦанаВа (ГрузНИИГиМ) (213] рекомендует пользоваться за-
висимостью (348), Принимая в ней Э = 18° (ctg₽ = 3), то есть:
£.= /p(cosa-f- 3sina). , (351)
318
Основным недостатком зависимостей (349) и (351) является то, что
в них углы аир принимаются постоянными.
Учитывая это, Р. М. Хачатрян, Г. А. Амбарцумян и Р. С. Мартикян
[209] считают необходимым величину угла а определять из условия по-
лучения максимального расстояния между полузапрудами при данных
/р и р и рекомендуют формулу:
L — lp cosec р. (352)
Если динамическая ось потока не параллельна прямолинейному бе-
регу, а составляет с ним некоторый угол ф (рис. 255,6), то предельное
расстояние между полузапрудами ракомендуется определять по фор-
муле:
L = /р cosec (Р + ф). (353)
Конструкция полузапруд. Наиболее ответственные части полуза-
пруд— это корни и головы (рис. 256).
Корни полузапруд должны быть надежно предохранены от обхода
их течением. Для этого их врезают в берег на 2—6 л и более и прочно
заделывают.
Прикорневой участок при размываемых берегах в большинстве слу-
чаев укрепляют на длину 10—15 м с верхней и 15—25 м с нижней сто-
роны от оси сооружения.
Головной участок полузапруды, который подвергается наиболее ин-
тенсивному воздействию течения, должен быть хорошо укреплен и по-
этому всегда имеет более сильную конструкцию, чем остальная часть
(тело) сооружения. Откосы сооружения в головной части устраивают
пологими (1 :3—1 :5). Исследованиями установлено [10], что наклоном
откоса можно активно влиять на структуру потока и на интенсивность
циркуляции у подошвы сооружения, а следовательно, и на величину раз-
мывов. Последние тем меньше, чем положе откос.
Гребню полузапруды придают обычно продольный уклон i\ =
Рис. 256. Типы Полузапруд и их основные элементы:
а — полузапруда, из местного грунта с закладкой монолитного крепления откосов в котлован:
б — полузапруда из различных кладок с гибким креплением дна и откосов; / — корень; 2—тело;
«3 — голова; 4 — донный тюфяк; 5 — котлован.
= 1 : 100—1 : 300 в сторону реки. У берега, на протяжении 0,1—0,15 дли-
ны сооружения, гребень устраивают с уклоном 4=1: 10—1 :25 для от-
клонения потока к середине русла во избежание подмыва и обхода кор-
невых частей течШнем. Гребень корневой части сооружения не должен
возвышаться над бровкой берега.
Для предохранения полузапруд от подмыва часто применяют рас-
стилочные тюфяки с устройством фартуков из хворостяных и железобе-
тонных тюфяков, габионов, бетонных плит, ограничивающих заглубле-
319
Разрушение головы и корня полузапруды из бетонных кубиков.
ние воронки размыва. У построенных сооружений выпуск тюфяка (ши-
рина фартука) колеблется в следующих пределах: у напорного откоса
2—4 м, у сливного откоса 5—10 м и в речную сторону 8—15 м.
Конструкции тела полузапруд аналогичны конструкциям струена-
правляющих дамб (рис. 253) и отличаются от последних меньшей шири-
ной гребня (1,5—3 м), более крутым верховым и пологим низовым отко-
сами.
При возведении тела дамбы из местного грунта откосы крепят более
прочным материалом. Крепление может быть монолитным или гибким.
При монолитном креплении низ его закладывают в котлован (рис. 255,а),
отрываемый в дне реки ниже глубины ожидаемого размыва. Гибкое
крепление устраивают с учетом возможного проседания при размыве
дна (рис. 256, б).
Донные запруды и пороги. Донные запруды применяют для
повышения и укрепления дна в плесах и в местах, где дно подвергается
слишком глубокому и интенсивному размыву. Следовательно, при помо-
щи донных запруд можно заделывать глубокие рытвины на дне регули-
руемого русла или даже поднять дно реки на некотором протяжении для
выравнивания продольного уклона и обеспечения командных уровней.
Расстояние а между донными запрудами принимают равным [59]:
а = (1н- 1,5) /<(1-4- 1,5) В, (354)
где / — длина сооружения;
В— ширина трассы.
Концы сооружения обычно примыкают к головам полузапруд, к от-
косам продольных дамб или к береговым укреплениям.
Конструкция донных запруд аналогична конструкции полузапруд и
отличается в основном тем, что низовой откос их устраивают весьма по-
логим (1 :5—1 : 7).
Донные пороги устраивают для закрепления отметки дна в тех
случаях, когда ожидается нежелательный размыв дна. Они отличаются
от донных запруд тем, что не возвышаются над уровнем дна и заклады-
ваются в толщу русла в ,сделанные для них поперечные траншей [148].
320
Донные пороги применяют главным образом при регулировании горных
потоков. В этом случае они представляют собой подпорные стенки и об-
разуют ступенчатый продольный профиль дна.
§ 5. СКВОЗНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
При регулировании русел, кроме монолитных (сплошных) сооруже-
ний, широко применяют так называемые сквозные сооружения,
которые благодаря их проницаемости для воды действуют на поток бо-
лее умеренно.
Рис. 257. Типы и конструкции сквозных сооружений:
а — однорядный плетень без Подкосов; € —однорядный плетень с подкосами через 1,5—2.5 м;
в —плетневые щиты на снпаях, установленных через 1,5—2,0 м- е —Т-образные плетни системы
И. А. Шадрина; д — метловые щиты на козлах с пригрузкой тяжелой фашиной; е — фашинные
подвесные (качающиеся) щиты на сваях; Ж и з — продольные н поперечные ветвистые сооруже-
ния; и — заборчатое сооружение нз пластин или жердей на сваях; к — свайная полузапруда; л—ста-
ционарное проволочно-сетчатое сооружение на кольях; / — груз; 2—прутяной канат или жердь;
3 — тяжелая фашина; 4 — укрепление берега.
21—1650
321
Сквозные, сооружения в русле располагают так же, как и монолит-
ные. Их применяют как самостоятельные продольные или поперечные ре-
гулирующие сооружения и как подсобные средства при сооружениях
монолитного типа. В некоторых случаях сквозные сооружения могут
быть экономичнее монолитных.
Типы и конструкции сквозных сооружений. В большинстве слу-
чаев сквозньщ сооружения устраивают из местных строительных мате-
риалов, и конструкции их весьма разнообразны.
। На рисунке 257 представлены некоторые типы таких сооружений.
Плетневые заборы и щиты (рис. 257, а, б, в, г, д, е) в раз-
личных вариантах составляют большую группу так называемых легких
плетневых выправительных сооружений, используемых при глубинах до
1,5 .и и скоростях течения-до 1-,5 л/сек.
Ветвистые сооружения (рис. 257,ж, з) применяют в основ-*
ном для перераспределения в потоке скоростей и расходов воды, задер-
жания и аккумуляции наносов путем создания Сопротивления течению.
С помощью таких сооружений можно наращивать мели, создавать ус-
ловия для заиления боковых рукавов и глубоких вымоин в русле и бе-
регах. > .
Сооружения из ветвистой кладки преимущественно применяют при
глубинах свыше 1,5 м.
Заборчатые сооружения из пластин или жердей на сваях
(рис. 217, и) применяют на реках с большими скоростями и галечным
ложем. Их используют главным образом в качестве продольных соору-
жений и располагают по границам выправительной трассы.'
Свайные сооружения (рис. 237,к) состоят из одиночных или
двойных (иногда и более) рядов свай, забитых в шахматном порядке й
прочно соединенных Поверху насадками. При больших глубинах и скоро-
стях вместо одиночных свай забивают свайные кусты. Непременное усло-
вие устройства свайных сооружений — надежно закрепленное основание.
Сетчатые сооружена я выполняют из стальной сетки с диа-
метром проволоки 2—5 мм и с ячейками размером от 0,2 до-1 м. Сетча-
тые сооружения бывают стационарные и плавучие.
Стационарные устройства в простейшем случае представляют собой
ряд кольев или свай, к которым прибивается сетка (рис. 257, л). Нижний
край сетки расстилают на дне с верховой стороны кольев и пригружают.
t Плавучие системы, разработанные С. Т. Алтуниным [5], состоят
из ряда понтонов или лодок, расставленных с промежутками и скреплен-
ных между собой фермой. Их укрепляют на берегу металлическими
тросами.
Сетчатые сооружения имеют существенные эксплуатационные недо-
статки и поэтому не получили широкого распространения.
Для горных рек в последнее время разработаны й. применяются но-
вые Сборные конструкции сквозных регулирующих сооружений. К ним
относятся сборно-решетчатые железобетонные конструкций, предложен-
ные И. И. Херхеулидзе [210], сквозные шпоры из габионов и железобе-
тонных свайно-заборчатых стенок, разработанные АрмНИЙГиМ и др.
§ 6. УКРЕПЛЕНИЕ БЕРЕГОВ <
В общем.составе регулировочных работ берегоукрепительные работы.,
занимают значительное место. С них обычно начинают регулирование
русел.
Защиту и укрепление берегов от размывалведуж двумя способами:
а) непосредственно укрепляют берега, когда они на регулируемом
участке совпадают с границами проектируемой регулировочной трассы;
б) предварительно искусственно создают берег, устраивая русловые
берегозащитные сооружения.
322
Сквозная железобетонная свайно-балочная шпора.
/
Если естественная береговая' линия, отступает от проектной незна-
чительно и при этом требуется частичное выправление берега в плане, то
применяют так называемые о п о я с к и. В отличие от дамб опояски име-
ют только один правильно оформленный откос, обращенный к реке,
внутренний же откос со стороны берега получает очертание, согласован-
ное с рельефом берега. Опояски чаще всего приходится устраивать при
укреплении вогнутых берегов.
По условиям производства работ, характеру воздействия потока и
длительности смачивания берегоукрепительные работы можно разделить
на три высотных зоны:
,п ервая зона — ниже уровня низких Вод, где работы ведут под во-
дой и сооружение находится в условиях постоянного смачивания и воз-
действия цотока;
в'гора я зона — от уровня низких до уровня высоких вод, в кото-
рой работы возможно выполнять насухо и сооружение испытывает пе-
риодическое смахивание и воздействие потока;
третья зона —выше уровня высоких вод, где работы ведут
насухо, сооружение смачивается только атмосферными осадками и не
подвергается воздействию потока. '
Эти три условия в основном определяют выбор типа крепления, наи-
более приемлемого для каждой зоны.
Основные типы и. конструкции -берегоукрепительных сооружений
приведены на рисунке 258.
Для укрепления берегов в основном используют каменные материа-
лы (рис. 258, а, б, в, г, д).
При отсутствии крупного камня и значительных скоростях течения
откосы крепят габионами и габионными тюфяками (рис. 258, е). Однако
применение габионных конструкций ограничено сравнительно коротким
срокбм службы*Проволочных Ьеток. '
Откосы песчаных и супесчаных русел рекомендуется укреплять ар-
мированными асфальтовыми тюфяками (рис. 258,ж). Толщину тюфяка
принимают равной-З—;? см; его армируют проволочной сеткой d=10 мм
при размерах ячейки 5Х-5; 5X10; 10X10 см. Тюфяки изготовляют не-
посредственно на месте укладки. Для этого сначала-укладывают ниж-
ний слой тюфяка, вслед за этим укладывают арматурную сетку и затем
верхний Слой асфальтового покрытия до достижения проектной толщи-
21*
323
ны. Рассчитывают асфальтовое покрытие методом, разработанным
И. Я. Ярославцевым [5].
Ряжевые крепления изготовляют сквозного типа из бревен или же-
лезобетонных балок (рис. 258, з). Клетки ряжа заполняют камнем. Ря-
жевые конструкции применяют для укрепления как подводных, так и
Рис. 258. Основные типы н конструкции укрепления берегов:
а —каменная наброска с засыпкой пазух мелким камнем, гравием, щебнем; б — фашинная кладка
с каменной наброской н укреплением надводного откоса мощением; в — бездонные бетонные ящнкн
с каменным заполнением; г — каменная наброска с укреплением надводногсготкоса мощением, рас-
садкой ивняка,, одерновкой; д — бутобетонная кладками бетонные (или железобетонные) плиты;
е —габноны на габионном тюфяке с укреплением откоса из бутобетона: ж — армированное асфаль-
товое покрытие; з — железобетонные или деревянные ряжи.
надводных частей русла, однако деревянные ряжи в условиях периоди-
ческого смачивания загнивают.
Укрепления надводных откосов хворостянымии каменнохворостя-
ными покрывалами всяких видов, а также разными, видами фашин и
плетнями в клетку с загрузкой их камнем в последнее время применяют-
ся редко, так как в условиях переменной влажности хворост быстро
загнивает и первоначальная .конструкция сооружения нарушается.
Кроме того, работы по возведению таких сооружений трудно механизи-
ровать. • '
324
§ 7. струенаправляющие системы проф. М. В. ПОТАПОВА
Принцип действия и основные схемы. В настоящее время при ре-
гулировании русловых процессов широко используют метод искусствен-
ной поперечной циркуляции, разработанный доктором технических наук
проф. М. В. Потаповым [148].
Рис. 259. Схемы практического применения метода поперечной циркуляции:
а — углубление русла у одного из берегов; б — осевой размыв русла; в — защита боковых отводов
от донных наносов; г —защита бесплотннного водозабора-от донных наносов; д — смещение стреж-
ня изогнутого потока; е — зашита берега от размыва; 1 — поверхностные токн; 2 — донные токн;
3 — стрежень реки; 4 — отвод; 5 — сброс.
Сущность этого метода сводится к искусственному возбуждению в
потоке циркуляционных течений, которые придают потоку винтовой ха-
рактер движения.
Возбуждение циркуляционных течений достигается воздействием на
режим потока особой струенаправляющей системой щитов, которая
может быть стацронйрйбй или передвижной, а по месту установки — по-
верхностной, донной или внутренней (рис. 259).
Поперечную циркуляцию можно возбудить как поверхностными,
так и донными направляющими системами. Более интенсивное расслое-
ние потока происходит при совместном действии этих систем.
325
Соотношение основных размеров направляющих систем, по данным
последних исследований проф. Н. Ф. Данелия [65], следующие:
Ч а=10—30°, । оптимальное значение
/щ=(0,9—3)Л- » »
йщ=(0,14—0,67) h » »
4=(0,7—1,1) А » »
а=20°;-
/щ=(С5—2) Л;
Лщ—0,33 Л;
/=0,9 Л,
где I— расстояние между щитами.
Практически дальность распространения
донной или поверхностной системе равна 25
ной—35 h.
винтового движения при
h, а при комбинйрован-
Рйс. 260. Схемы конструкций поверхностных направляющих систем:
а — очертание направляющих щнтов в плане; б — секция металлической двухрядной плавучей си-
стемы с шарнирным соединением секций,; в —общий вид н основные размеры щита-понтона;
I — стальная ферма; 2— щит-понтон; 3 — трос; 4 — шарнир соединения секций; 5 — смотровой люк;
6 — наливная труба. .,
Конструкция поверхностных направляющих систем. Основные эле-
менты конструкции поверхностных систем следующие (рис. 260):
а) струенаправляющие устройства, представляющие собой различ-
ные типы щитов (рис. 260, а);
б) верхнее строение для скрепления всех щитов в одну жесткую си-
стему и одновременно служащее основанием для служебного мостика;
в) опорные части для установки системы и удержания ее в потоке в
рабочем состоянии, ' \
Стационарные поверхностные направляющие -системы укрепляют
йа сваях. При переменных уровнях для регулирования ^глубины погру-
жения щиты устраивают передвижными по высоте. При малой ширине
потока щиты можно укреплять на балках или мостиках, перекинутых че-
рез поток. , . _ .
При большой ширине потока опорами могут быть понтоны,-тогда
стационарная система обращается в плавучую и удерживается в рабо-
чем положении с помощью опорных устройств—-тросов, якорей, лебе;
док и др, ' '
При больших скоростях течения (свыше 2—-^м1сек) понтоны для
опор получаютсягромоздки ми; в этом случае примеЯяют щиты-понтоны
(рис. 260,б,в), у которых функции струенайрйвления и плавучести
выполняет одна конструкция. ВНЙИГиМ разработал струенаправляю-
щую систему с металлическими фермами И щитами-понтонами, которая
рекомендуется как типовая [227].
,326
Статический расчет струенаправляющих систем- складывается из
расчетов каркаса, металлической обшивки щита, фермы верхнего строе-
ния и удерживающих тросов. Основной нагрузкой при этом является
гидродинамическое давление на щит. . •
§ 8. ОЧИСТКА И УГЛУБЛЕНИЕ РУСЛА, СПРЯМЛЕНИЕ
РЕЧНЫХ ИЗВИЛИН
Очистка русел от засорения. Засорение русел часто вызывает не-
желательные деформации их и мешает судоходству, поэтому в необ-
ходимых случаях русло очищают.
Затонувшие деревья, часто очень больших размеров, встречаются
в руслах горных и предгорных рек. Такие деревья, останавливаясь в
русле, превращаются в сквозные сооружения, задерживаясь у отверстия
гидросооружений, они закрывают доступ воды к ним и мешают эксплуа-
тации. Поэтому их следует своевременно извлекать й не допускать
приближения к сооружениям. Для удаления деревьев применяют трйк-
торы, лебедки, корчевальные машины.
Затонувшие бревна (карчи) в большом количестве встречаются на
сплавных реках. На судоходно-сплавных реках для удаления затонув-
ших бревен используют специальные плавучие карчеподъемники, обору-
дованные ручными или механическими приспособлениями.
Крупные камни извлекают подъемными приспособлениями с храпо-
выми захватами или с цепными сетками, на'Которые кацни накаты-
ваются рычагами. -
Углубление русел. Подводную выемку (прорезь) в русле обычно
выполняют землечерпанием. Прорези выполняют как самостоятельное
мероприятие или же в составе регулировочных работ для создания вы-
правительной трассы [5, 148].
Как самостоятельное мероприятие прорези чаще всего устраивают
на перекатах для создания заданной глубины фарватера; на спрямле-
ниях речных петель; иа подходах к водозаборным и другим сооруже-
ниям.
Основной способ углубления русла — механическое землечерпание,
выполняемое землесосом или же многочерпаковым дноуглубительным
снарядом. \
Землесос наиболее экономичен при работе на песчаных грунтах.
Производительность современных землесосов достигает 1300 м?!час.
Многочерпаковый дноуглубитель является универсальным типом
снаряда, который при надлежащей прочности отдельных конструкций и
черпакового устройства может работать как на легких песчаных, так и
на тяжелых грунтах.
- Кроме механического землечерпания, существуют и другие способы
дноуглубления,- основанные на использовании размывающей и транспор-
тирующей энергий самого потока: а); механическое разрыхление грунта
боронами тяжелого типа, которые протаскивают поперек русла лебед-
ками или вдоль русла специальными буксирными судами; б) взрывное
дноуглубление путем закладки и взрывания зарядов аммонита на углуб-
ляемой площади„дна; в) размыв грунта струей воды (гидромонитором);
г) размыв грунта течением из-под щита, медленно перемещаемого вниз
по течению; д) осевой размыв с помощью струенаправляющей системы
(рис. 259,6), производительность которой при благоприятных условиях
превышает 100 м?[чаС.
Основным недостатком перечисленных способов углубления русла
является неустойчивость и занесение созданных прорезей наносами пос-
ле прекращения работы. Поэтому углубление русла указанными спосо-
бами следует рассматривать как временное мероприятие.
327
водной поверхности и характер
*
Рнс. 261. Спрямление речной изви-
лины:
а — план извилины; б —устройство пионер-
ного канала; в — продольный профиль по
спрямлению; 1—2—кривая спада; 2—4—кри-
вая подпора; 5 — прокоп; 6 — старое русло;
7 — пионерная траншея; 8—9—10 — предпо-
лагаемый профиль дна; 11 — перемычки.
Спрямление речных извилин. В некоторых случаях сильна^ изви-
листость и слишком крутые повороты русла могут затруднять движение
судов и плотов, задерживать плывущие льдины при ледоходе и бревна
при молевом сплаве (вследствие чего образуются зажоры льда и заторы
бревен), служить причиной образования побочных рукавов, замедлять
сток воды во время паводков (благодаря чему образуется подпор воды
и происходят наводнения) и т. п.
В этих случаях прибегают к смягчению крутых извилин или же к их
спрямлению путем устройства прокопа.
При спрямлении речной извилины изменяется продольный профиль
руслообразовательных процессов [148}
(рис. 261).
При равномерном режиме в про-
копе благодаря увеличению уклона
дна h'<.h, уровень 2—3 сопрягается с
бытовыми уровнями кривой спада
1—2 и подпора 2—4 (при коротком
прокопе может не оказаться участка с
равномерным режимом). В области
кривой 1—2 будет происходить раз-
мыв дна, а в области кривой 2—4 — от-
ложение наносов.
Для образования прокопа обычно
используют размывающую энергию са-
мого .потока. Работу начинают с уст-
ройства пионерной траншеи 7 по оси
будущего прокопа. Во Время высоких
уровней вода устремляется в траншею
и размывает грунт.
Форму русла, которую получит
пионерная траншея после спрямления,
можно установить по методу, предложенному действительным чле-
ном Академии сельскохозяйственных наук Азербайджанской ССР
Ю. А. Ибад-Заде [81]. Чтобы выдержать предполагаемый профиль 8—
9—10, заранее начинают крепление откосов на участках <5 и 10, которое
продолжают по мере углубления траншеи. Часть сейения, которая не
поддается размыву, разрабатывают землечерпанием или взрывным спо-
собом.
Для ускорения заиления бывшего русла 6 на всей его длине разме-
щают сквозные сооружения и устраивают перемычки 11 с отверстиями
для поступления 'мутной воды. После достаточного заиления извилины
перемычки достраивают и превращают в струенаправляющую дамбу.
К спрямлению русла надо относиться осторожно, так как это может
привести к ухудшению гидравлических условий прилежащих участков
реки. “
§ 9. РЕГУЛИРОВАНИЕ РУСЕЛ РЕК У ВОДОЗАБОРНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Основная задача при водозаборе из рек заключается в том, чтобы
обеспечить плановую подачу воды в каналы при минимальном поступле-
нии в них крупных наносов. Выполнение этой задачи в значительной сте-
пени зависит от условий протекания реки в районе водозабора. В боль-
шинстве случаев улучшение условий водозабора'требует проведения в
речном русле на участке водозабора комплекса регулировочных и за-
щитных работ. Задачи, и состав Этих работ имеют ряд специфических
особенностей, различных для бесплотинного и плотинного водозаборов.
Регулирование русла при беспартийном водозаборе. Многочислен-
ные примеры водозаборов, Построенных в целях орошения, воддснабже-
328
ния и энергетики, показывают, что регулировочные сооружения и работы
имеют большое народнохозяйственное значение, особенно при беспло-
тинном водозаборе. В этом случае путем регулирования русла решаются
следующие основные задачи.
Т. Отклонение потока донных наносов от водоза-
борного сооружения. Эту задачу решают двумя путями: устрой-
ством водозабора на естественном или искусственно созданном вогнутом
берегу и применением заградительной струенаправляющей системы
(рис. 259, г и рис. 262).
Такая система отклоняет поверхностные струи в сторону водозабора,
а донные в противоположную сторону и тем самым позволяет почти пол-
ностью отвести поток донных наносов от водозаборных сооружений.
Рис. 262. Установка струенаправляющей системы у бесплотинного водо-
заборного сооружения:
1 — струенаправляющая система; 2 4- водозаборное сооружение; 3 — ворот; 4 — тросы:
5 ^Хе15е.дки.
На основании лабораторных и полевых исследований ВНИИГиМ
[227] для установки направляющей системы дает следующие рекоменда-
ции: а = 16—25°, в среднем 20°; 0=16—20°, в среднем 18°; 9=45—75°
(при остром угле отвода воды в канал 0 =45°, при отводе под прямым
углом 0 =60° и при отводе под тупым углом 0=75°).
Ширину выноса системы принимают равной ширине захвата донных
токов и определяют по формуле проф. В. А. Шаумяна:
Ьд = 1,17 (/С 4- 0,4) Ьк> (355)
где 7С=<7К:<7Р— отношение погонных (удельных) расходов воды.
Величину К следует определять по среднедекадным удельным рас-
ходам воды в канале
Як — Qk •
и реке
<7Р = Qp'bP,
где QK и Qp — среднедекадные расходы воды в канале и реке;
Ьк и Ьр — ширина по урезу канала и реки.
Необходимую длину струенаправляющей системы определяют по
формуле:
где 0—угол между осью системы и направлением течения речного
потока.
22-1650
329
Длину щита определяют по формуле:
/щ = 0,6—^— > 1,5Л. (357)
sin а
Полную высоту щита h'm устанавливают, исходя из рабочей глубины
погружения и некоторого запаса над поверхностью воды, принимае-
мого равным 0,2—0,3 м, то есть
h'm = 0,33ft (0,2 - 0,3). (358)
Рис. 263. Схемы выправления и поддержания стрежня потока
у бесплотинного водозабора:
а — исправление стрежня срезкой берега; б — выправление стрежня полузапру-
дами; в — восстановление стрежня с помощью направляющей системы; г — за-
крепление динамической оси потока полным регулированием русла.
Рис. 264. Схемы поддержания командных уровнен:
а — короткие водозахватные дамбы (шпоры); б— длинная водозахватная
дамба.
Расстояние между щитами вдоль оси системы находят по формуле
В. А. Шаумяна:
/ = (0,6 0,8) /щ . (359)
slnp
Число щитов принимается равным
п = у. (360)
Изучая эффективность очистки оросительных каналов от донных и
придонных наносов различными способами, В. А. Шаумян и А. Г. Хача-
трян пришли к выводу, что применение струенаправляющих систем сни-
жает затраты рабочей силы в 2,4 раза и затраты средств на очистку в
13 раз по сравнению с механической очисткой; оправдывает в первый
же год эксплуатации все затраты на их строительство. •
2. Поддержание стрежня потока у водозаборного
сооружения. В зависимости от причины, вызвавшей перемещение
динамической оси, эту задачу решают следующими способами: срезкой
выступа, выправлением русла и установкой различных струенаправляю-
щих систем (рис. 263,а,б,в). .
330
Наиболее прочное закрепление динамической оси достигается при
полном регулировании русла на определенном участке выше и несколько
ниже водозаборного сооружения (рис. 263, г).
3. Поддержание командных уровней и некоторое
повышение их. Это достигается следующими способами:
а) устройством длинных водозахватных дамб (рис. 264, б) с повыше-
нием уровня перед входом в канал за счет разности уклонов в реке /ив
подводящем русле Л на величину z= (/—Л) L;
б) установкой коротких дамб (струезахватных шпор) с незначитель-
ным повышением уровня за счет частичного преобразования кинетиче-
ской энергии потока в потенциальную (рис. 264, а) на велиичну z=
= (0,5-0,6) ^-,
где v — средняя скорость течения воды в реке вблизи канала;
Рис. 265. Схема формирования русла в зоне гидроузла:
1 — бытовое дно реки; 2 — наносные отложения; 3 — бытовой уровень воды;
4, 5 ~ подпорные уровни воды до и после заиления; 6 — плотниа; 7. 8 — уровни
дна и воды в конце периода размыва; 9, 10 — уроънн дна и воды при последующем
заилении.
*.Л.Ч
в) устройством донных запруд или порогов в русле ниже водозабор-
ного сооружения.
В зависимости от конкретных условий при бесплотинном водозаборе
выполняют и другие виды регулировочных работ.
Регулирование русла при плотинном водозаборе. 1. Особенно-
сти русловых процессов. Строительство плотинного водозабор-
ного узла вызывает резкое изменение естественного водного и наносного
режимов потока в результате создания подпора и забора части расхода
воды в канал без донных наносов. Поэтому в верхнем и нижнем
бьефах узла в течение длительного времени протекают особые русловые
процессы, называемые процессами переформирования
(рис. 265).
В верхнем бьефе (в зоне подпора) начинается отложение наносов и
повышение дна.
Подъем дна сопровождается целым рядом нежелательных явлений:
происходит блуждание и деление меженного потока на рукава; подъем
уровня воды в реке в зоне подпора; увеличение дальности распростране-
ния кривой подпора; уменьшение пропускной способности водосливной
плотины в связи с работой ее как водослива с широким порогом и др.
Поэтому расчетные уровни воды и размеры регулировочных сооруже-
ний (оградительных дамб и др.) устанавливают с учетом нового, повы-
шенного положения дна реки и соответствующего ему коэффициента рас-
хода плотины. ;
Переформирование русла в нижнем бьефе проходит две существен-
но различные стадии.
В начале работы узла, когда основная масса наносов задерживается
в .верхнем бьефе, сбрасываемая осветленная вода размывает дно ниж-
22*
331
него бьефа. При большой емкости верхнего бьефа этот процесс проис-
ходит в течение длительного времени, размыв по глубине достигает зна-
чительных размеров и распространяется на много километров ниже пло-
тины. Вследствие этого уровни воды в нижнем бьефе падают, напор по
сравнению с расчетным увеличивается, сопряжение плотины с отводя-
щим руслом может быть нарушено и т. п.
После заполнения верхнего бьефа наносы начинают поступать в
нижний бьеф в прежнем количестве и вследствие уменьшения транспор-
тирующей способности потока (часть расхода забирается в канал) начи-
нается обратный процесс — отложение наносов в нижнем бьефе. Этот
процесс может не только компенсировать происшедший размыв, но и вы-
Рис. 266. Схемы регулирования русел рек при плотинном водозаборе по
С. Т. Алтунину:
а — схема построения зарегулированного русла у водозаборного узла; б и в — двусторонние водо-
заборы с прямолинейным подводящим руслом; г—двусторонний последовательный водозабор с из-
гибом потока перед каждым водоприемником; 1 — струенаправляющая дамба; 2 — плотина; 3—водо-
приемник; 4— левобережный канал; 5 — правобережный канал; 6 — отстойник; 7— перегораживаю-
щая дамба; 8 — сквозные полузапруды.
звать подъем дна выше прежнего уровня, так что порог плотины может
оказаться погребенным в толще наносов. Кроме того, повышение дна
вызовет подъем уровня воды, уменьшение действующего напора и как
следствие ухудшение условия работы,промывных отверстий и др.
В соответствии с процессами формирования русла ставятся и за-
дачи его регулирования. Следовательно, при плотинном водозаборе при-
ходится регулировать русло как в верхнем, так и в нижнем бьефе узла
сооружений.
2. Схемы регулирования русел. Главная задача регули-
рования русла в верхнем бьефе состоит в том, чтобы обеспечить устой-
чивый подход реки к водозаборному сооружению с такой гидравлической
структурой потока, при которой поверхностные слои воды направляются
в водозабор, а донные слои с наносами — в сброс (рис. 266, а, г).
При двустороннем водозаборе зарегулированное русло в верхнем
бьефе В' большинстве случаев проектируют прямолинейным [5], чтобы
обеспечить более равномерное распределение донных наносов по ширине
русла и создать для обоих головных сооружений примерно одинаковые
условия (рис. 266,6,в).
При двустороннем последовательном водозаборе рекомендуется
перед каждым водоприемником создать необходимый изгиб потока для
лобового водозабора с вогнутого берега (рис. 266, г).
332
В нижнем бьефе плотины на первой стадии переформирования русла
должны быть приняты меры защиты против повышенной эрозионной дея-
тельности потока: укрепление оснований сооружений и берегов русла,
закрепление дна с помощью донных порогов и т. п.
Во второй стадии переформирования русла повышают транспорти-
рующую способность потока, для чего спрямляют русло, чтобы увели-
чить уклоны, уменьшают шероховатость русла, придают ему гидравли-
чески наивыгоднейшее поперечное сечение и др.
При большом заборе воды из реки и обилии наносов может оказать-
ся, что вопросы, связанные с нижним бьефом, нельзя разрешить только
методами регулирования русла.
Основные правила компоновки регулировочных
сооружений при плотинном водозаборе. При проектиро-
вании зарегулированного русла С. Т. Алтунин и И. А. Бузунов [4, 5] ре-
комендуют придерживаться следующих правил.
1. Зарегулированное русло как в верхнем, так и в нижнем бьефе
проектируют криволинейным, то есть меандрической формы в плане по
сопрягающимся кривым двух радиусов Ri — lB и 7?2 = 3,5В (рис. 266,а),
что обеспечивает высокую транспортирующую способность донных нано-
сов и создает в потоке, на подходе к узлу, поперечную циркуляцию нуж-
ного направления.
2. Ширину зарегулированного русла по урезу воды определяют по
формуле устойчивой ширины, исходя из величины руслоформирующего
расхода, за которую принимается расход паводка обеспеченностью
3—10%. Ширину русла в нижнем бьефе устанавливают с учетом умень-
шения расчетного расхода на величину водозабора.#
3. Длину зарегулированного русла принимают в зависимости от
типа водозабора в следующих пределах: при одностороннем водозаборе
в верхнем бьефе не менее (5—6) В, в нижнем не менее (4—5) В{; при
двустороннем водозаборе в верхнем бьефе не менее (6—7) В, в нижнем
(3—4) В\; при двустороннем последовательном водозаборе в верхнем
бьефе не менее (8—10) Вив нижнем (4—5) В{, где В и В{ —ширина ус-
тойчивого русла на прямом участке в верхнем и нижнем бьефах.
4. Конструктивно регулировочные сооружения оформляют в виде
продольных струенаправляющих дамб из местного грунта с облицовкой
бетонными плитами или рваным камнем.
§ 10. РЕГУЛИРОВАНИЕ СЕЛЕВЫХ ПОТОКОВ
Селевыми или грязе-каменными называются пртоки, насыщенные
большим количеством твердого и растительного материала: песком, галь-
кой, гравием, камнями, обломками горных пород, мусором, сломанными
деревьями и т. п.
Селевые потоки обычно образуются при выпадении ливней в горных
и предгорных районах, в котловинах с крутыми склонами, покрытыми
легкоразмываемым грунтом. Особенно сильные селевые потоки бывают,
когда выход из котловины в пониженные места рельефа имеет вид узкой
горловины. В таких местах селевой поток задерживается и накапливает-
ся, а затем прорывается и движется в виде вала. При большом количест-
ве селевой массы такое явление повторяется многократно.
Обычно сели кратковременны, продолжительность их редко бывает
более 3—5 часов, но они обладают огромной разрушительной силой
вследствие больших скоростей течения и большого удельного веса селе-
вой массы. Селевые потоки при своем движении полностью разрушают
русловые гидротехнические сооружения, дороги, мосты, заносят и зава-
ливают грязе-каменной массой каналы, посевы и тем самым приносят
большие убытки народному хозяйству.
333
Регулирующие мероприятия по борьбе е селевыми потоками прово-
дят на склонах водосборной площади и в руслах.
Мероприятия, проводимые на склонах водосборной площади, можно
подразделить на агролесокультурные и технические. К агролесокультур-
ным относятся: задержание и замедление первичного поверхностного сто-
ка применением поперечной пахоты и поддержанием структурности поч-
вы, увеличивающей ее фильтрационные свойства; охрана растительного
покрова склонов от уничтожения; облесение обнаженных склонов и т. п.
К техническим мероприятиям относятся: террасирование склонов с
посадкой деревьев; укрепление склонов от оползневых явлений и другие
мероприятия, способствующие замедлению поверхностного стока и пре-
дотвращающие интенсивный размыв склонов.
Регулирующие работы в руслах проводят для укрепления селевого
русла от размыва; задержания и аккумулирования движущейся селевой
массы; направления селевого потока на бросовые земли или в наносо-
собиратели — бассейны, огражденные запрудами или устроенные в вы-
емках. Основными регулирующими сооружениями при решении этих за-
дач служат: запруды для уменьшения продольного уклона; береговые
опояски и шпоры для защиты берегов от размыва; высокие фильтрующие
плотины из грубой каменной наброски для задержания крупного обло-
мочного материала, влекомого селевым потоком; селенаправляющие дам-
бы; осадочные бассейны и др.
В местах пересечения железных дорог с селевыми руслами часто при-
меняют металлические запруды из старых рельсов, которые представля-
ют собой решетчатую стенку.
Расчет элементов* селевого потока выполняют на основании рекоменг
даций С. Т. Алтунина*, М. Ф.-Срибного, Е. К. Рабковой и др.
Раздел 8
ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Глава XX
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОЗАБОРНЫХ
СООРУЖЕНИЯХ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ВОДОЗАБОРНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Основные требования, предъявляемые к водозаборным сооруже-
ниям. Водозаборные сооружения устраивают с целью забора воды из
источника питания и подачи ее в каналы или водоводы для последую-
щего транспортирования в оросительную, обводнительную, гидросиловую
и другие системы. Так как эти сооружения устраивают в голове водохо-
зяйственной системы, то их иногда называют головными.
Головные сооружения, устраиваемые для забора воды из реки, долж-
ны удовлетворять следующим требованиям:
1) обеспечивать бесперебойный забор воды в водохозяйственную си-
стему согласно графикам потребления;
2) защищать каналы от поступления в них донных наносов, шуги,
льда и плавника;
3) иметь простые и экономичные конструкции;
4) быть удобными в эксплуатации и для автоматизации;
5) иметь хорошие и устойчивые водомерные свойства.
Помимо этого, водозаборные сооружения должны удовлетворять об-
щим требованиям, предъявляемым к гидротехническим сооружениям в
отношении прочности, устойчивости и долговечности.
Грловные сооружения обычно устраивают совместно с другими гид-
ротехническими сооружениями, и общий комплекс этих сооружений назы-
вается водозаборным узлом.
Классификация водозаборных узлов и головных сооружений. В за-
висимости от вида используемого источника питания водозаборные узлы
(системы) бывают: речные, озерные, морские и каптажные.
При этом вода из водозаборного сооружения может подаваться в водо-
воды самотеком или с механической перекачкой.
Морские водозаборные узлы в основном устраивают при использо-
вании морскойводы для охлаждения паровых турбин электростанций и
технологических установок промышленных предприятий. Иногда мор-
скую воду используют для питьевого водоснабжения после ее опресне-
ния. В последнее время морскую воду стали широко использовать для за-
качки в нефтеносные пласты при добыче нефти в районах, прилегающих
к морским побережьям {24]. Для орошения морская вода, содержащая
большое количество различных солей, не применяется.
Каптажные водозаборные узлы устраиваются при использовании
грунтовой и подрусловой воды для водоснабжения или для орошения не-
больших участков земель. Они широко распространены в Туркменской
ССР, Азербайджанской ССР и Иране.
Для питания оросительных, гидроэнергетических, а также крупных
систем водоснабжения в основном используется речная вода. В этом
случае строят речные водозаборные узлы, которые могут быть беспло-
тинными,” если воду отводят из реки без устройства плотины, и пло-
335
Головное сооружение Донского магистрального канала из Цимлянского
водохранилища (верхний бьеф).
тинными, если воду отводят из верхнего бьефа, образованного напор-
ным гидроузлом. При этом водозабор из реки может быть поверхно-
стным самотечным (с отводом воды открытым каналом) и
глубинным самотечным или с механической подачей
воды.
Головные сооружения, устраиваемые при водозаборе из рек, до на-
стоящего времени классифицируются преимущественно по внешним и
конструктивным признакам, например: в зависимости от участка реки
(высокогорные, горные, предгорные, равнинные); по месту расположения
относительно русла (русловые, береговые); по типу противонаносных
устройств (с промывным карманом, промывными галереями, гравиелов-
кой, криволинейным подводящим каналом, отверстиями в быках и ус-
тоях, лотковые, двухъярусные) и др.
Как видно, при таких классификациях, работа головного сооружения
рассматривается изолированно, а не в комплексе с другими сооруже-
ниями узла. Кроме того, в них не учитываются гидродинамические и гид-
равлические особенности потока.
В настоящее время во всех типах водозаборных сооружений в ка-
честве основного противонаносного мероприятия используется гидравли-
ческая структура потока, создаваемая взаимодействием потока, русла
и гидротехнических сооружений. Поэтому водозаборные сооружения бо-
лее целесообразно классифицировать по гидравлическому принципу за-
бора воды из источника. Такая классификация более обоснованна, так
как водозаборные сооружения, имеющие подобные гидравлические ус-
ловия, объединяются в отдельные группы и для каждой их них можно
разработать общую методику проектирования, строительства и эксплуа-
тации.
По гидравлическому принципу речные водозаборные .(головные) со-
оружения могут быть классифицированы следующим образом:
1) бесплотинные — боковые, фронтальные и глубинные;
2) плотинные — боковые, фронтальные, донные (решетчатые) и глу-
бинные;
3) машинные — с механическим подъемом воды.
Водозаборы с механическим подъемом воды изучаются в курсе «На-
сосы и насосные станции».
336
§ 2. ВЫБОР МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ РЕЧНОГО ВОДОЗАБОРНОГО УЗЛА
Выбор места для водозаборного узла — очень важная и ответствен-
ная задача, так как от этого в основном зависят компоновка, тип, кон-
струкция и условия работы сооружений.
Для обоснования выбора места и решения ряда технико-экономиче-
ских задач, связанных с проектированием, строительством и эксплуата-
цией водозаборных узлов, необходимо иметь материалы изысканий и
исследований. —------ ------
Наиболее удобным местом для строительства водозаборного узла
является участок, где: а) река протекает устойчиво, одним руслом: б) нет
отмелей л _островов; в) берега и дно реки сложены из^трудноразмывае-
мых грунтовГг) конфигурация участка
реки соответствует принятому липу врдо-
забора.
Если на выбранном участке русло
неустойчивое и возможно блуждание ос-
новного потока, то подводящее и отво-
дящее русло нужной конфигурации у во-
дозаборного узла следует создавать с по-
мощью струенаправляющих дамб из
местного грунта с облицовкой против
в
в
Рис. 267. Выбор места располо-
жения головного сооружения на
вогнутом берегу по Н. Ф. Да-
нелия:
а — правильное расположение бокового
водозабора; б —то же, фронтального
водозабора.
размыва течением.
Менее благоприятны и нежелатель-
ны для расположения водозаборного уз-
ла участки:
а) выше которых- поблизости имеют-
ся пороги, взмучивающие-.донные_нано-
сы, и притоки, несущие большое количё-
ство наносов;
б) ниже которых резко уменьшается продольный уклон русла, вслед-
ствие чего затрудняется транспортирование наносов в нижнем бьефе;
в) ниже которых поблизости есть большие извилины и естественное
спрямление этих извилин может вызвать понижение уровня воды в ство-
ре бесплотинного водозабора;
у г) выше которых имеются перекаты и быстрины, являющиеся очага-
ми обильного образования донного льда и тем самым часто вызываю-
щие тяжелые эксплуатационные условия. Бесплотинные водозаборы не
следует строить ниже таких очагов. При плотинном водозаборе нужно
стремиться к их затоплению.
Водозаборные гидроузлы можно устраивать как на прямолинейных,
так и на криволинейных участках рек. Они должны защищать водоотво-
дящий канал от поступления в него донных наносов. Поэтому при ком-
поновке узла следует обращать особое внимание на выбор места для го-
ловного сооружения, обеспечивающего наименьший захват наносов. '
Наиболее подходящим местом является вогнутый берег, где циркуля-
ционные течения, возникающие на изгибе потока-,-относят донные-наносы
к противоположному: выпуклому берегу. Для лучшего использования это-
го явления головное сооружение следует располагать на таком участке
вогнутого берега, где создается наибольшая глубина и максимально раз-
витая поперечная циркуляция. Вопросом выбора такого места занима-
лись многие исследователи: Фарг, М. В. Потапов, В. М. Маккавеев,
С. Т. Алтунин и др. Наиболее полно исследовал этот вопрос проф.
Н. Ф. Данелия [65] и получил такие выводы:
а) верхнюю стенку боковоге—водрприемника (рис. 267, а) следует
располагать ниже точки 3 пересечения касательной 1—3 выпукло-
го берега с вогнутым берегом по урезу паводка 1—5% обеспечен-
ности;
337
б) длину участка 2—3 вогнутого берега можно определить по фор-
муле:
г
nflarccos—
£2-з =--------К. . (361)
180 '
в) фронтальный водозабор (рис. 267,6) нужно размещать нормаль-
но к радиальному сечению 0—3;
г) при плотинных водозаборах створ плотины надо располагать ра-
диально, то есть нормально к вогнутому берегу (стрежню потока), с уче-
том размещения головного водозаборного сооружения.
Окончательно местоположение водозаборного узла выбирают в ре-
зультате технико-экономических сравнений нескольких наиболее возмож-
ных вариантов.
§ 3. ВЫБОР ТИПА ВОДОЗАБОРНОГО УЗЛА. СОСТАВ СООРУЖЕНИЙ
И КОМПОНОВКА УЗЛА
Тип водозаборнопГузла выбирают в зависимости от комплекса мест-
ных условий, к которым относятся:
1) принятая генеральная схема использования реки;
2) общая водоносность реки, величина забираемого расхода и тре-
бования, предъявляемые к качеству воды;
3) гидрологический и русловый режимы реки и связанные с ними
необходимые мероприятия по борьбе с наносами, ледо-шуговыми затруд-
нениями и плавником;
4) характер участка рекй — высокогорный, горный, Предгорный,
равнинный, дельтовый;
5) геологические и гидрогеологические условия выбранного места
строительства;
6) эксплуатационные, строительные и другие местные факторы.
При использовании водных ресурсов для ирригационных и энерге-
тических целей важное значение имеет увязка бытового режима источ-
ника питания с режимом водопотребления объекта, так как режим рек
и водопотребление меняются во времени независимо друг от друга.
Если в любое время года естественный режим реки обеспечивает
график водопотребления и высоту командования над объектами, то ус-
траивают бесплотинный водозабор.
Практика ирригационного строительства показывает, что бесплотин-
ные водозаборные узлы и в настоящее время не потеряли своего значе-
ния. Это объясняется в основном простотой их конструкции и относитель-
но невысокой строительной стоимостью.
Согласно СНиП П-И.3-62, бесплотинный боковой водозабор при-
меняют, если уровни в реке обеспечивают необходимое командование
магистрального канала и если забираемые расходы не превышают 20%
соответствующих расходов реки при благоприятных топографических,
гидрологических и геологических условиях (устойчивое русло, прочные:
берега и др.).
Бесплотинный фронтальный (шпорный) водозабор устраивают при
большем водозаборе (20% и более), а также при недостаточном превы-
шении уровня воды в реке над уровнем воды в начале магистрального
канала.
Бесплотинные водозаборы проектируют в основном с головным регу-
лирующим сооружением. При временном характере водозабора (1—2 го-
да) с малым расходом (до 10 м31сек) допускаются водозаборы без го-
ловного сооружения.
Когда бытовые уровни или расходы воды в источнике питания не
обеспечивают командование и график водопотребления, устраивают пло-
тинный водозабор. '
338 Z
Плотинные водозаборы надежнее бесплотинных. Они позволяют:
а) обеспечить при всех условиях бесперебойную подачу воды в ка-
нал и увеличить коэффициент водозабора;
б) повышать уровень командования над объектом и тем самым со-
кращать длину холостой части магистрального канала, что особенно
важно при высоких коренных берегах, когда часть магистрали будет
проходить по косогорным участкам;
в) вести более успешно борьбу с завлечением в канал донных нано-
сов, шуги, льда и плавника;
г) осуществить в одном створе реки двусторонний водозабор и др.
В плотинных водозаборах на реках, несущих значительное количест-
во наносов, главное внимание уделяется борьбе с донными наносами,
которые осаждают перед водозабором и периодически смывают отложе-
ния или же непрерывно удаляют их в нижний бьеф по мере поступления
к водозабору.
В связи с этим появилось множество различных схем водозаборных
узлов и конструкций головных сооружений, отличающихся друг от друга
как по сущности применяемых методов борьбы с наносами, так и по кон-
струкции противонаносных устройств.
Все предложенные схемы водозаборных узлов и конструкции голов-
ных сооружений имеют определенный принцип работы, достоинства и не-
достатки. Многие из них нашли практическое применение, иные еще не-
достаточно изучены даже в лабораторных условиях, а некоторые в на-
стоящее время можно считать уже устаревшими.
В дальнейшем для краткого ознакомления с основными направле-
ниями развития строительства и проектирования водозаборных сооруже-
ний рассматриваются не только лучшие из них, но и менее удачные,
которые сыграли важную роль в разработке современных и рекомендуе-
мых схем и конструкций.
Состав сооружений водозаборного узла устанавливают в зависимо-
сти от типа водозабора (бесплотинный, плотинный), способа подачи воды
в систему, гидрологического и руслового режимов реки и прочих мест-
ныхусловий.
В общем случае в состав водозаборного гидроузла входят: плотина,
руслорегулирующие сооружения в верхнем и нижнем бьефах; головные
(водоприемные) сооружения; струенаправляющие системы; водосброс-
ные сооружения; промывные устройства для наносов; шугосбросные уст-
ройства и др.
При комплексном использовании реки в состав узла сооружений мо-
гут входить здания гидростанций, судоходные, рыбопропускные и лесо-
пропускные сооружения.
Тип отдельных сооружений выбирают из условий: соответствия гид-
рологическому и русловому режимам реки; удобства эксплуатации; мак-
симального использования местных строительных материалов; простоты,
надежности и-долговечности конструкции.
Компоновка водозаборного узла — сложная и ответственная инже-
нерная задача, от правильности решения которой зависят показатели
работы водозабора.
К компоновке водозаборных узлов предъявляются эксплуатационные,
строительные и технико-экономические требования.
В первую очередь должны быть удовлетворены эксплуатационные
требования. Для этого сооружения, входящие в состав водозаборного
узла, размещают; так, чтобы обеспечить надежное основание и благо-
приятный гидравлический режим, бесперебойную работу каждого соору-
жения в любое время года, а также удобство работы эксплуатационного
персонала.
Строительные требования к компоновке водозаборного узла заклю-
чаются в том, чтобы строительные работы были сравнительно несложны
339
и могли быть выполнены в установленные сроки, были обеспечены наи-
лучшие условия производства работ и пропуска строительных расходов
воды и льда без перерыва работ в период паводка и др.
Технико-экономические требования в основном сводятся к обеспе-
чению минимальной стоимости гидроузла с учетом эксплуатационных
затрат, правильному выбору створа узла и типов сооружений, широкому
использованию сборных конструкций и передовых методов производства
работ.
Ввиду большого разнообразия местных условий установить единые
и определенные правила компоновки водозаборных узлов невозможно.
Поэтому каждый раз этот вопрос решается с учетом всего комплекса
местных природных условий и характера взаимодействия сооружений,
входящих в состав водозаборного узла.
При компоновке водозаборных условий хорошо помогают лаборатор-
ные гидравлические исследования. Согласно главе СНиП П-И.1-62,
п. 2.2 такую проверку выполняют при компоновке сооружений гндр'оуз-
лов объектов I и II категорий. Для гидроузлов объектов III и IV кате-
горий такая проверка обязательна лишь в случае сложных природных
условий и при применении новых неиспытанных схем компоновки.
Проектирование водозаборных узлов выполняют в соответствии
с требованиями глав СНиП П-И.1-62, П-И.3-62, П-Б.3-62, П-А.12-62 и др.
Глава XXI
БЕСПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
§ 1. ТИПЫ БЕСПЛОТИННЫХ ВОДОЗАБОРОВ
Боковые бесплотинные водозаборы. Бесплотинные водозаборы с
боковым отводом воды открытыми каналами строят по различным схе-
мам (рис. 268).
Наиболее примитивны одноголовые и многоголовые водозаборы в
виде открытых каналов без каких-либо сооружений в голове, называемые
поэтому неинженерными (рис. 268, а, б,ж). Многоголовая система имеет
некоторые преимущества, так как позволяет в той или иной степени
регулировать забираемый расход воды и рассредоточить очистку кана-
лов от наносов по времени. В этом случае отводами управляют с по-
мощью временных перемычек.
Более совершенны боковые водозаборы с головными сооружениями,
размещаемыми в начале канала или же на некотором расстоянии от
входа в канал. Они могут быть с отстойниками, промывными каналами
или без них (рис. 268, в, г, д, е). В этих случаях в сеть не поступает лиш-
нее количество воды, и в связи с этим значительно уменьшается объем
наносов и облегчается их удаление. Однако пропускная способность ре-
гуляторов целиком зависит от режима реки, и при низкихуровнях воды
для обеспечения нормальной водоподачи приходится располагать порог
регулятора на низких отметках, значительно углублять водоприемный
канал и расширять водоприемный фронт.
При неустойчивом русле и большом содержании наносов в источ-,
нике питания применяют многоголовый водозабор с прокопами-отстой-
никами длиной до 2—2,5 км. Такой водозабор обычно состоит из 2—4 про-
копов, самостоятельно подводящих воду к головному сооружению, рас-
положенному на коренном и устойчивом берегу реки (рис. 268,з,и,к).
Схема з с централизованным управлением водным потоком, то есть
с одним общим головным сооружением, предложена проф. В. А. Шаумя-
ном (ВНИИГиМ). Такая схема во многих случаях обеспечивает доволь-
но надежный водозабор и дифференцированное регулирование водопо-
дачи во всех головах с помощью одного общего головного сооружения.
340
На схемах и, к одно головное сооружение схемы з заменено тремя
самостоятельными сооружениями. В связи с этим при объединении отво-
дов, подающих воду потребителю, при схеме и приходится устраивать
дюкер, а при схеме к — акведук. Основной недостаток этих схем состоит
в том, что разбросанность сооружений затрудняет согласованно регу-
лировать подачу воды и режим наносов.
Рис. 268. Основные схемы боковых бесплотинных водозаборов с открытыми каналами:
а и б — без головного сооружения; виг — с головным сооружением; дне— с отстойником и ре-
гулирующими сооружениями; ж — многоголовый с перемычками у входа в каналы; з—с прокопа-
ми-отстойниками и централизованным управлением одним головным сооружением; и — то же, с де-
централизованным управлением н с дюкером; к — то же, с акведуками; л — с искусственным криво-
линейным подводящим каналом; / — магистральный канал; 2 — сбросной канал; 3 — головное соору
жецие; 4 —отстойник; 5—перемычки; 6 — прокопы-отстойники; 7 — дюкер; 8 — акведуки; 9 — кри-
волинейный подводящий канал.
При многоголовых водозаборах в паводок работает один прокоп, а
в межень — 2—3 прокопа. Головы прокопов в зависимости от забирае-
мого расхода располагают на расстоянии 0,5—3 км. Площадь между
прокопами используется для отвала наносов, частично удаляемых зем-
лесосами из прокопов-отстойников.
Размеры прокопов-отстойников устанавливают с учетом применяе-
мых методов удаления наносов (гидравлический, механический).
Положительные стороны рассматриваемых схем водозаборов: не-
прерывная подача осветленной воды потребителю; возможность удале-
341
ния значительного количества наносов гидравлическим способом без на-
рушения подачи воды в систему; малая потребность в землесосах и рав-
номерная загрузка их работой.
К недостаткам следует отнести: затруднительность смыва наносов
из прокопа-отстойника во время высоких вод; опасность занесения нано-
сами промывного тракта при пропуске через него малых расходов воды
с малыми скоростями; потребность значительной площади для прокопов-
отстойников и отвала наносов при механической очистке, которая в от-
дельных случаях не может быть отведена, и наконец, зарастание про-
копов и сбросного канала растительностью во время перерывов в работе.
При большом уклоне реки, если расположение русла и его очерта-
ние способствуют попаданию крупных наносов в канал, проф. Д. Я. Со-
колов [174] рекомендует применять водозабор с искусственным подво-
дящим криволинейным каналом (рис. 268,л). При этом перед головным
сооружением, как на изгибе реки, создается поперечная циркуляция, от-
клоняющая донные струи с наносами к противоположному берегу.
Бесплотинные боковые водозаборы с открытым каналом имеют ряд
существенных недостатков, а именно:
а) ограничена величина расхода воды, забираемого в отвод (менее
20% расхода реки);
б) в канал поступает большое количество наносов вследствие зна-
чительного увеличения ширины захвата донных струй при изгибе потока
у входа в канал;
в) ограничено регулирование подачи воды в канал, так как поступ-
ление воды в отвод находится в полной зависимости От режима уровня
реки;
г) происходит деформация русла реки в районе водозабора, Интен-
сивный занос и смещение вниз по течению головы канала;
д) усиленно заиляются начальные участки канала, что вызывает
большие затраты на их очистку и др.
Для улучшения работы бесплотинных боковых водозаборов прово-
дят следующие мероприятия:
а) в реке перед входом в отводящий канал устанавливают поверх-
ностные направляющие системы проф. М. В. Потапова (рис. 262) для
создания искусственной поперечной циркуляции желаемого направления;
б) головное сооружение располагают на вогнутом берегу криволи-
нейного участка реки (рис. 267.) для использования естественной попереч-
ной циркуляции;
в) перед водозабором устраивают выправительные сооружения,
улучшающие гидравлические условия входа воды в канал;
г) устраивают порог перед головным сооружением для отклонения
донных наносов;
д) воду из реки отводят под острым углом <р=60—75° к qch речного
потока для создания более спокойных условий входа в головное соору-
жение и увеличения его пропускной способности и др.
Состав мероприятий устанавливают с учетом реальных условий ра-
боты проектируемого водозабора.
Фронтальные бесплотинные водозаборы. В конструктивном отно-
шении фронтальные бесплотинные водозаборные узлы представляют со-
бой усовершенствованные боковые водозаборы. В них перед головой во-
доприемного канала устраивают водозахватяую шпору, которая, образуя
некоторый подпор в потоке, увеличивает захват воды в отводящее русло.
В то же время, уменьшая скорость' в зоне отводаводы, она отклоняет
часть потока в противоположную от отвода сторону, В результате об-
разуется некоторый изгиб потока, ослабляющий расслоение потока, вы-
зываемое отводом. Все это приводит к частичному уменьшению ширины
захвата донных токов в отводящее русло, а следовательно, и к уменьше-
нию поступления в него донных наносов (рис. 269).
342
Шпора по существу обеспечивает фронтальный захват воды и пере-
мещение места водозабора на некоторое расстояние вверх по течению.
Фронтальные водозаборы имеют значительные преимущества перед
боковыми и применяются в следующих случаях:
а) при низких бытовых уровнях, недостаточных для самотечного от-
вода воды из реки в канал;
б) при заборе воды, превышающем 15—20% расхода реки;
в) при необходимости уменьшения захвата донных наносов в отвод;
г) при небольших забираемых расходах, когда устройство плотины
ввиду большой стоимости не оправдывается.

Рис. 269. Схемы фронтальных бесплотииных водозаборов:
а — без головного сооружения (неинженерный); б —с боковым головным сооружением н донным
порогом, направляющим наносы за пределы шпоры; в — с боковым головным сооружением и про-
мывными отверстиями в стенке шпоры; г — с боковым сооружением и установкой поверхностных
направляющих систем; б —с фронтальным головным сооружением и промывным устройством в про-
дольной стенке шпоры; е — на рукаве реки с головным и промывным сооружениями; / — канал:
2 — шпора; 3 — подводящее русло; 4 — сброс; 5 —промывное сооружение; 6 — головное сооружение;
7 — дамба; 8 — донный порог.
С помощью шпоры, выдвигая ее в реку навстречу течению и уширяя
зону захвата, можно увеличить величину забираемого расхода, однако
при этом будет увеличиваться и количество наносов, поступающих в
отвод.
По данным лабораторных исследований [228], шпоры лучше всего ра-
ботают при ширине подводящего русла &i=l,5& и /ш= (1,5—3,0) Ь, где
b — ширина отводящего русла.
Фронтальные водозаборы устраивают с регуляторами, размещаемы-
ми в голове канала, или без них.
~ Для улучшения работы фронтального водозаборного узла устраи-
вают сброс на продольной стенке шпоры, устанавливают направляю-
щие донные пороги, лотки или поверхностные системы, которые выно-
сят или отклоняют донные наносы за пределы шпоры.
Шпоры, выполняют из наброски камня и из различных видов клад-
ки — габионной, каменно-хворостяной, сипайной, каменной и др.
Вследствие стеснения русла реки шпорой возможны размывы русла
и подмыв шпоры, во избежание чего следует предусматривать крепле-
ния дна и откосов. Шпоры требуют постоянного эксплуатационного над-
зора; во время паводков шпоры часто повреждаются и требуют ремонта.
§ 2. КОНСТРУКЦИИ ГОЛОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Тип и конструкцию головного регулятора выбирают в зависимости
от величины расхода, разности уровней воды в реке и канале и условий
эксплуатации сооружения.
343
Чаще всего при малых перепадах уровней регулятор проектируют
открытого типа, а при значительных перепадах — диафрагмового типа
(с забральной стенкой), в последнем случае истечение воды происходит
не через водослив, а из-под затвора (рис. 270).
Устройство диафрагмы 3 позволяет существенно уменьшить высоту
затворов, облегчить подъемники и конструкции служебных мостиков. Низ
диафрагмы опускают до отметки, йри которой возможен свободный забор
воды в межень.
Рис. 270. Продольный разрез и план головного сооружения с диафрагмой:
/ — решетка; 2 — подъемник; 3— диафрагма; 4— пазы для складывания шандор; 5 — паз для низо-
вых шандор; 6 — дырчатые плиты; 7 — обратный фильтр; 8 — гасители; 9— уплотнение шва; 10—за-
твор; // — шандоры; 12— подготовка; 13— битумный мат; 14 — понур; 15 — бетонные плиты: 16— ось
сооружения.
Для облегчения водозабора из верхних слоев речного потока со сто-
роны верхнего бьефа перед рабочими затворами 10 устраивают шандор-
ные заграждения И, используемые в качестве ремонтных затворов и по-
рога переменной высоты. Высота закладки шандорного порога в паво-
док зависит от уровня воды в реке, ширины отверстия регулятора и
величины забираемого расхода.
Согласно СНиП П-И.3-62, п. 9.16, отметку порога регулятора назна-
чают из условий обеспечения водозабора в критический период, но не
ниже средних отметок дна реки или подводящего русла.
Чтобы иметь возможность непрерывно подавать воду потребителю
в случае неполадок с рабочими затворами и обеспечить более спокойный
впуск воды в канал, без образования сбойного течения, рекомендуется
устраивать в регуляторе не менее трех пролетов.
Скорости течения перед головным регулятором обычно принимают
в пределах 0,8—1,5 м/сек.
344
Плавность входа воды в регулятор обеспечивается формой подход-
ной выемки, соответствующей форме изгиба потока при заданном угле
отвода.
Рис. 271. Бесплотинный водозабор конструкции проф. В. А. Шаумяна с прокопами-
отстойниками и централизованным управлением:
I, 2, 3 — прокопы-остойннкн; 4 — раздельные стенки; 5 — отверстия нижнего яруса (промывные);
6 — отверстия верхнего яруса; 7 — головной регулятор; 8 — магистральный канал; 9— промывной
(сбросной) канал.
Для защиты канала от попадания мусора иплавника перед регуля-
тором устанавливают грубую решетку 1. Если регулятор будет работать
зимой, то необходимо предусмотреть в нем конструкции, предупреждаю-
щие захват шуги и льда (шуго-
сбросы, запани).
Головной регулятор водоза-
бора с прокопами-отстойниками
и централизованным управлением
(рис. 268, з) устраивают двухъ-
ярусного типа (рис. 271).
Через отверстия верхнего
яруса вода из прокопа проходит
в магистральный канал, а через
отверстия нйжнего яруса — в дон-
ные промывники и сбрасывается
в реку ниже *места водозабора.
При этом отметку порога и раз-
меры промывника, располагаемо-
го под регулятором, выбирают по
конструктивным соображениям
в увязке с пропуском расчетных
расходов воды и с учетом доступности для осмотра и ремонта.
Схема головного сооружения, состоящего из регулятора и сбросного
сооружения открытого типа, приведена на рисунке 272. Такое головное
Рис. 272. План (а) и фасад (б) головного
сооружения со сбросом:
1 — прокоп-отстойник; 2 — регулятор; 3 — маги-
стральный канал; 4 — сбросной канал; 5 — сброс-
ное сооружение; 6 — порог; 7 — затворы.
345
сооружение можно устраивать при водозаборе с прокопами-отстойника-/
ми с децентрализованным управлением (рис. 268,и), а также в случае
фронтального водозабора при компоновке узла со сбросно-промывным
сооружением открытого типа (рис. 269, д,е).
В соответствии со СНиП 11-И.3-62, п. 9.18 и 9.20 порог сбросного
сооружения закладывают на 1—1,5 м ниже порога регулятора и для уси-
ления эффективности промывного действия перед регулятором устраи-
вают донный порог,, перехватывающий донные наносы и направляющий
их в сброс.
Рис. 273. Совмещенные графики
уровней воды в реке и магистраль-
ном канале за время работы си-
стемы.
§ 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГОЛОВНОГО СООРУЖЕНИЯ
Гидравлическими расчетами устанавливают основные размеры го-
ловного сооружения, гарантирующие забор заданного расхода, и безо-
пасные для магистрального канала и прилегающего к сооружению участ-
ка реки условия пропуска воды при принятых конструкциях.
При расчетах определяют ши-
рину отверстия головного сооруже-
ния, проверяют режим сопряжения
бьефов И устанавливают высотные
размеры сооружения.
Для выполнения гидравличе-
ских расчетов необходимо иметь:
а) бытовой график глубин ре-
ки (или урбвней воды) для^расчет-
ного Года'Я^цЬ-за' время работы
системы и кривую связи глубин и
расходов
б) график глубин (или уров-
ней воды) магистрального канала
h=f(t) за время работы системы и
кривую связи глубин и забираемых
расходов Q=f(h);
в) отметки дна и размеры по-
перечного, сечения реки у места от-
вода и канала у головного сооруже-
ния;
г) угол отвода воды в канал;
д) конструктивное оформление головного сооружения (число про-
летов, очертание быков в плане, форма входного порога, располо-
жение сороудерживающей решетки, шандорной стенки, диафрагмы
и др-)-
Исследования работы боковых водосливов показали, что в реке вы-
ше водослива устанавливается кривая спада, в пределах водослива на-
пор оказывается переменным и достигает наибольшего значения в конце
водослива, где в реке устанавливается равномерное движение, соответ-
ствующее транзитному расходу Q2- Поэтому при определение ширины
отверстия головного сооружения целесообразнее принимать уровни реки,
соответствующие не бытовым расходам Qi, а за вычетом из них забирае-
мого расхода Q, то есть не Hi, а Н2. *
Так как для реки известны Hi=f(t) и Qi=f(#i), а для канала й=»
= f(t) и то, вычитая из Qi расходы водозабора Q, можно найти
Q2 и глубины Hi в створе реки у нижнего конца водослива.
Далее, построив график глубины (или уровней) в-реке H2=f (t) за
время работы системы й наложив на него за тот же период времени
график глубин в магистрали, приведенный к общему нулю с Н2, получа-
ют данные, позволяющие определить • ширину головного сооружения
(рис. 273).
346 '
Ширина отверстия головного сооружения зависит от величины за-
бираемого расхода и превышения уровня воды в реке над уровнем воды
в канале. Если этого превышения нет, то, значит, в данный период уровни
воды в реке при бесплотинном водозаборе не позволяют забирать тре-
буемый расход.
Для определения ширины отверстия сооружения предварительно вы-
бирают из совмещенного графика критические моменты водозабора (на-
пример, точки 1, 2, 3) с малой разностью уровней воды 2ц z2, z3. Так как
в рассматриваемые моменты забираются в канал различные расходы,
то еще неизвестно, который из них будет расчетным. Поэтому ширину
отверстия определяют для всех выбранных случаев и большую из них
принимаю!' в проекте.- ' '
Гидравлический расчет головного сооружения аналогичен расчету
регуляторов на сети и ведется по формуле расхода воды через боковой
водослив с широким порогом при затопленном истечении через открытое
отверстие.
Отверстие крупных сооружений обычно делят на пролеты (не менее
трех), соблюдая при этом условия градации отверстий по ГОСТ
4688—49 [175J.
Кроме того, принятая ширина отверстия должна удовлетворять тре-
бованию СНиП П-И.3-62, согласно которому погонные расходы воды
в отверстии головного сооружения должны быть в 1,5—2 раза меньше
погонных расходов воды в реке в створе сооружения в период интенсив-
ного движения донных наносов. 1
При высоких уровнях в реке вода забирается через шандоры и далее
из-под щйта (рис. 270). ,
Высоту стен сооружения принимают с необходимым запасом превы-
шения над наибольшим уровнем воды в реке (точка 4).
Глава XXII
ПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
§ 1, БОКОВЫЕ ПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
В боковых водозаборах головное сооружение располагается обычно
на берегу реки рядом с пЛотиной или в конце криволинейного подводя-
щего канала, устраиваемого в обход плотины. Наносы промыва’ют через
отверстия в плотине, через береговые дбнные промывники и устройства,
расположенные в пределах криволинейного подводящего канала.
> Боковые водозаборы с фронтальным промывом Наносов через от-
верстия в плотине (рис. 274). Наиболее просты по конструкции боко-
вые водозаборы с глухим порогом, в которых для смыва наносов из верх-
него бьефа в ниЙНий используются ближайшие к головному сооруже-
нию отверетия плотины (рис. 274,а).
^ВеДозаборнЫй узел такого типа обычно включает низконапорную
плотину. В случае регулирования стока устраивают высоконапорную пло- -
тииу, представляющую собой комбинированную конструкцию водослив-
ной плотины с щитовыми регуляторами, расположенными над водо-
сливом.
При таком типе водозаборных узлов создаются плохие условия для
регулирования режима наносов и борьбы с вредными фракциями их.
Применяемые для борьбы с донными наносами входные пороги почти не
влияют на режим наносов. Обычно верхний бьеф, а затем и входной
порог быстро заиляются, и в отвод начинает поступать большое количест-
во взвешейиых и донных наносов. Кроме того, для смыва наносов через
отверстия плотины необходимо пропускать большие расходы, а это вызы-
вает взмуиивание воды перед входом в водоприемник, в связи с чем
приходится на время промыва прекращать водозабор.
347
Поступление наносов в отвод при таких водозаборах можно значи-
тельно уменьшить, если устроить перед головным сооружением наносо-
перехватывающий (направляющий) донный порог или лоток, располо-
женный под углом 20—30° к оси потока в реке.
Для улучшения работы такого водозабора А. В. Троицкий предло-
жил устроить на высоте порога горизонтальную стенку (полок), с по-
мощью которой речной поток разделяется на поверхностное и донное те-
чения (рис. 274,6), при этом поверхностный слой отводится в водоприем-
ник, а вода донной части вместе с наносами сбрасывается в нижний бьеф.
Наблюдения за работой таких водозаборов показали, что это устрой-
ство недостаточно эффективно и не всегда предотвращает поступление
донных токов и наносов в канал. Объясняется это тем, что оно не регу-
лирует внутреннюю структуру потока, а лишь искусственно разделяет
поток на два слоя.
Рис. 274. Боковые водозаборы с фронтальным промывом наносов:
1 — головное сооружение; 2—входной порог; 3— плотина; 4 — промывные отверстия; 5 — канал;
6 — решетки; 7— затворы водоводов; 8—акведук; 9— горизонтальная полка.
Для забора небольших расходов проф. В. Г. Айвазян [108] предло-
жил водозабор с вертикальными решетчатыми водоприемными отвер-
стиями, расположенными в оголовках быков и устоев (бычковый водоза-
бор, рис. 274, в).
Водозабор предусматривает прием воды из верхних слоев потока
и рекомендован для горных рек с большим количеством влекомых дОн-
ных наносов.
Донные наносы и расходы паводка сбрасываются в нижний,бьеф
через отверстия плотины, снабженные сдвоенными или сегментными за-
творами.
Поступление воды из верхних осветленных слоев потока гарантиру-
ется промывом наносов у быков, основанным на идее использования
явления обтекания потоком преграды, которая впервые была предло-
жена в 1914 г. проф. Н. Е. Жуковским [75].
Водозаборное сооружение такого типа, построенное на предгорном
участке р. Мзымта, обеспечивает бесперебойную работу Краснополян-
ской ГЭС.
Боковые водозаборы с боковым промывом наносов через береговые
устройства. Известно большое количество водозаборов этой группы с
различными вариантами использования гидравлической структуры по-
тока для борьбы с донными наносами.
Широко распространено боковое водозаборное сооруже-
ние с боковыми донными' или промывными галереями,
расположенными под головным сооружением по всей ширине его фронта
348
(рис. 275, а). Однако такой тип водозабора нельзя считать вполне совер-
шенным.
Исследования этих водозаборов, выполненные Н. Ф. Данелия,
А. Ф. Биркая, К- Г. Липатовым, И. Т. Колесниковым и др., показали, что
дониые наиосы в боковой водоприемник вовлекаются циркуляционным
потоком, возникающим в результате обтекания потоком преград.
В промывные галереи поступает неодинаковое количество, наносов
и в основном загружена только верхняя (по течению) галерея. Нижние
галереи сбрасывают воду без наносов и, кроме того, ухудшают работу
верхней галереи, усиливая взмучивание потока перед фронтом водоза-
бора. Водозабор с таким расположением промывных галерей в условиях
Рис. 275. Боковые водозаборы с боковым промывом наносов:
/ — головное сооружение; 2 —канал; 3 — донные промывннкн; 4 — плотина; 5 — входной порог;
6 — аванкамера; 7 — порог аванкамеры; 8 — затвор водоприемника; 9— промывник.
горных и предгорных участков рек с обильными донными наносами не
гарантирует защиту от попадания наносов в водоприемник [65].
роковой водозабор с гравиеловкой (рис. 275,6) имеет
прямолинейный входной порог 5 и криволинейный порог 7 в конце гра-
виеловки. Донные наносы, задерживающиеся у входного порога, перио-
дически промываются через отверстия плотины, а наносы, поступающие
в гравиеловку, смываются через промывник 9.
Недостаток данной схемы состоит в том, что иногда в эксплуатации
наблюдаются- завалы аванкамеры 6 отложениями, с которыми промыв-
ное устройство Sire справляется.
Боковой' водозабор с наносоперехватыйающими
галереями для забора воды из рек, несущих большое количество дон-
ных и придонных наносов, разработан проф. Н. Ф. Данелия [65].
В отличие от рассмотренного типа (рис. 275,а) работа этого водо-
забора основана на более эффективном использовании явления попереч-
ной циркуляции и явления обтекания потоком преграды. При этом регу-
лирование гидравлической структуры достигается конструктивными
элементами самого водозаборного узла и эксплуатационными мероприя-
тиями.
Конструктивные особенности и основные расчётные элементы водо-
заборного сооружения показаны на рисунке 276.
Река перегораживается водосливной или щитовой плотиной 7. Водо-
приемник 1 примыкает к сбросным отверстиям плотины. Под водоприем-
349
нйком устроены наносоперехватывающие галереи 6, входные отверстия
которых размещены выше и ниже верхней стенки водоприемника и нахо-
дятся в области концентрации донных наносов. Перед входом в канал 4
устраивается криволинейный порог 3, и наносы, попадающие в аванка-
меру 2, удаляются через промывник 5.
Рис. 276. Боковой водозабор с ваносоперехватывающими галереями:
/ — водоприемник; 2 — аванкамера,; # —криволинейный порог; 4 — канал; S — промывник аванкаме-
ры; 6 — наносоперехватывающие Галерей; 7 — водосливная или Щитовая .плотина; в—nopyp; 9—сдво-
енные щнты сбросных отверстий плотины; 10 — решетка водоприемника; 11 — щит ваддприемника.
350
Водозабор рассматриваемой конструкции рекомендуется строить на
горных и предгбрных участках рек для забора расхода воды от 5 до
150 м3!сек при глубине потока перед фронтом водозабора от 2 до 8 м.
На равнинных участках рек возможно увеличение забираемого расхода
до 350—600 мг1сек. ’
Компоновку и расчеты элементов узла вооружений выполняют по
рекомендациям проф. Н. Ф. Данелия.
Водопропускная часть плотины может быть щитовой или водослив-
ной, ее рассчитывают на пропуск паводковых расходов примерно 5%
обеспеченности.
Отметку нормального рабочего уровня в верхнем бьефе (НРУ) уста-
навливают с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимым напором
забор требуемого расхода воды для потребителя и создать достаточные
влекущие скорости в промывных галереях (4—7 м{сек).
Для защиты плотины от истирания наносами водосливную грань ре-
комендуется облицевать естественным камнем твердой породы.
При больших процентах забора воды из реки (50—80%) порог щи-
товой плотины устанавливают выше средней бытовой отметки дна на
1—1,5 м, чтобы избежать завала наносами водосбросных устройств со
стороны нижнего бьефа.
Промывные отверстия плотины располагают около водоприемного
сооружения. Они предназначаются для пропуска катастрофических рас-
ходов, для прдмыва верхнего бьефа и сброса застрявших крупных кар-
чей, плавающих тел ц шуги.
Для создания необходимой-гидравлической структуры потока щиты
промывных отверстий плотины рекомендуется располагать возможно
ближе к фронту водозабора^ примерно на том месте, где в обычных кон-
струкциях устанавливают передние шандоры. '
Головное сооружение, то, есть фронт водоприемных отверстий и по-
рог, располагают в одну линию под углом к оси плотины а =90—115°.
Ширину фронта водоприемных отверстий В. устанавливают гидрав-
лическим расчетом из условия забора расчетного расхода воды при НРУ
и входной скорости vBX =1,5—2,0 м!сек.
Водоприемные отверстия снабжают щитами, а перед ними устанав-
ливают грубую съемную решетку, разделенную на пролеты.
В конце аванкамеры головного сооружения устраивают криволиней-
ный порог, дополнительное промывное отверстие и устанавливают щиты
перед входом в магистральный канал.
Высоту порога определяют из условия размещения ггод головным
сооружением промывных галерей, а высоту последних принимают в за-
висимости от глубины воды Н в верхнем бьефе при НРУ:
hT = (0,25 =-0,33) Н
и пожонструктивным соображениям не менее 1 м.
НаносопёреХватывающие галереи рассчитывают на пропуск суммар-
ного расхода 2Qr = (0,5 = l,0)Q3a6.
Пропускная способность каждой галереи принимается Qr = (0,2 =
0,251(2^..
Число галерей принимается не менее двух.
Ширина галереи определяется в зависимости от пропускной способ-
ности:
где vr — средняя скорость течения в галереях, которая должна в 2—
2,5 раза превышать влекущие скорости в реке при бытовых условиях.
Вывод галерей в нижний бьеф устраивают ;под углом 0 = 15 = 30°
к оси потока.
351
Дно входных' отверстий промывных галерей закладывают на уровне
поиурной части узла. У входа и выхода галерей устанавливают щиты и
смотровые колодцы. Внутренние стенки галерей должны быть облицо-
ваны прочным против истирания материалом — гранитом, стальными
листами, чугунными плитами и др/
В период межени на сброс наносов через галереи затрачивается
2—3% речного стока за тот же период.
Для поддержания нормальной работы водозабора необходимо со-
блюдать определенные правила эксплуатации. Такие водозаборные со-
оружения построены и пущены в эксплуатацию на р. Туриан-Чай в 1955 г.
Рис. 277. Боковые водозаборы с боковым промывом наносов при помощи донных
направляющих устройств с винтовым движением воды:
/ — плотина; 2 — конусообразная галерея со щелевым входом; 3—криволинейный подводящий канал;
4 — направляющий донный лоток; 5 — водоприемник; 6 — сбросное сооружение; 7 — затвор- промывной
галереи.
(левый приток р. Куры), на горном участке р. Куры в 1955 г. (голов-
ное сооружение Ташис-Кари), на р. Храми в 1954 г. (узел Храм-Архи)
и др. По имеющимся сведениям магистральные каналы этих узлов не за-
носятся наносами.
Боковой водозабор с промывной г а л е р е е й [98], имею-
щей винтообразное движение воды, предложен И. Т. Колесниковым
(рис. 277,а). .
Сущность такой схемы водозабора состоит в том, что в пороге обыч-
ного открытого типа водоприемника устраивают галерею 2 конусообраз-
ного вида со щелевым отверстием внизу для входа в нее нижних слоев
воды, содержащей наибольшее количество донных наносов.
Вода в галерее движется винтообразно благодаря сложению двух
скоростей — поступательной скорости потока вдоль галереи,и скорости
бокового входа воды в галерею через щель. Такое движение потока об-
ладает высокой транспортирующей способностью. Исследования анало-
гичной галереи, проведенные в САНИИРИ, показали, что из движущих-
ся по дну наносов более 50% поступает в щель и при этом количество
сбрасываемой воды'составляет около 5% [232]. .
Гидравлические условия работы галереи и входной щели недоста-
точно изучены. Наличие в потоке мусора, плавника и крупных фракций
наносов может вызвать значительные затруднения при эксплуатации та-
кого сооружения.
352
- Боковой водозабор с криволинейным подводящим
каналом (рис. 277, б) разработан В. С. Баумгартом, В. И. Кравцовым
и А. И. Шварцем (ВНИИГ им, Б. Е. Веденеева).
В этом типе водозабора для борьбы с донными наносами использует-
ся пойеречная циркуляция потока, возникающая при его движении в кри-
волинейном канале 3, и донное траншейное наносоперехватывающее уст-
ройство4.
Канал 3 располагают под углом 45° к оси потока и устраивают его
без входного порога. При выходе канала в нижний бьеф устанавливают
щиты 6 для регулирования сбросных расходов при промывке канала.
Открытый водоприемник 5 с входным порогом высотой 0,7 м разме-
щается в нижней части криволинейного канала.
Траншейное устройство перехватывает донные наносы в канале и
сбрасывает их в нижций бьеф; промывной расход при этом не превышает
10% забираемого расхода воды в отвод.
Этот тип водозабора хотя и входит в число рекомендованных ТУиН
[182], однако в реальных условиях может оказаться недостаточно эффек-
тивным, так как при отсутствии в подводящем канале порога наносная
гряда; Надвигаясь из верхнего бьефа на траншею, выключает ее из рабо-
ты. Кроме того, неудачное расположение входа в криволинейный канал
вызыват вначале его циркуляцию неблагоприятного направления, что
также снижает эффективность этого типа водозабора.
§ 2. ФРОНТАЛЬНЫЕ ПЛОТИННЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
. Дрк водозаборах с фронтал&яыМ^лобовым) приемов врды воду за-
бирают, из верхних слоев речного потока! а нижние слои, насыщенные
крупными взвешенными и донными наносами; транзитом пропускают по
реке. Для борьбы с донными наносами также широко используют осо-
бенности гидравлической структуры потока. -
Предложено большое количество разнообразных конструкций фрон-
тальных водозаборов. Краткое описание наиболее характерных схем
приводится ниже в соответствии с принятой гидравлической классифи-
кацией. .
' Фронтальные водозаборы с фронтальным промывом донных наносов.
Лотковый водозабор (рис. 278,а) применяют на предгорных уча-
стках рек для отвода сравнительно небольших расходов воды. Он состоит
из водоподъемной плотины 1, которая имеет большие пролеты для" про-
пуска паводковых расходов реки и несколько двухъярусных пролетов
меньшего размера для забора воды. <
Через отверстия верхнего яруса забирает воду 'в железобетонный
лоток 3, который передает ее через трубу в магистральный канал 4, а
через отверстия нижнего яруса 2 пропускают транзитные расходы реки
вместе с донными наносами. > ; .
Дну лотка придают уклон для создания необходимой продольной
скорости.-От взвешенных наносов воду очищают далее в отстойниках;
Такие водозаборы, основанные ла использовании явления обтекания по-
током преграды, работают удовлетворительно.
ВодозЛбор с карманом (рис. 278,6), Называемый также ин-
дийским, лолучил большое распространение в оросительной практике.
Промывной карман 6 перед головным сооружением 8 образуется пу-
тем устройства раздельной.стенки 7. В нем осаждаются крупные донные
наносы и создаются благоприятные условия для смыва их в нижний
бьеф при пропуск^ больших расходов с большими скоростями через спе-
циальные промывцыё Отверстия плотины 2.
Особенность работы такой схемы водозабора состоит в том, что раз-
дельная стенка обеспечивает фронтальный вход воды в карман, что ос-
лабляет расслоение, потока перед ним, а при удельных расходах в реке,
23—1650
353
больших, чем в кармане, наносы отжимаются с части ширины входа в
карман и увлекаются в пролеты плотины.
Водозаборы с карманом применялись преимущественно на предгор-
ных участках рек при достаточных расходах воды для промыва нацосов.
Однако практика эксплуатации таких водозаборов, построенных на ре-
ках Средней Азии (Зеравшан, Арысь, Кугарат-Сай и др.), показала не-
удовлетворительную их работу. К основным недостаткам их относятся:
плохая промываемость кармана, взмучивание потока прн промыве кар-
мана и завлечение наносов в канал, необходимость прочного крепления
русла в ннжнем бьефе за промывными отверстиями и др.
промывными карманами, которые основань! на применении поверхност-
ных и донных направляющих систем, на маневрировании затворами пло-
тины и промывных отверстий при эксплуатации и др.
Двухъярусный водозабор с криволинейными во-
доотводящими лотками и донными промывными га-
лереями (тип Эльсдена) устраивают в русле реки рядом с плотиной
(рис. 278, в) й применяют на равнинных и предгорных участках рек.
Речной поток в пределах водозаборного фронта разделяется горизон-
тальной стенкой 5 на высоте входного порога на верхний и донный слои.
Верхний слой потока поступает в канал 4 по криволинейным лот-
кам 3, а донный слой вместе с наносами "сбрасывается в нижний бьеф
через промывные галереи 2.
По такой схеме выполнен в 1934 г. ирригационный-водозабор на
р. Чу (Чумышская плотина).
Существует много вариантов этого типа водозабора: с карманами,,
без карманов, с тремя ярусами ^отверстий, из которых нижний ярус яв-
ляется промывным, средний — водоприемным, а верхний — водосливным
для сброса шуги и плавника.
Такой тип водозабора считают за рубежом одним из наилучших, од-
нако он имеет следующие недостатки: взмучивание воды и завлечение
некоторой части наносов в отвод; стеснение водосбросного фронта пло-
тины; сложность конструкций двухэтажного сооружения с криволиней-
ными лотками; затруднительность борьбы с ледошуговыми помехами,
сором, плавающими телами и др. .
354
Фронтальные водозаборы с боковым промывом донных наносов.
Предложено много различных схем таких водозаборов, которые отлича-
ются конструктивными особенностями отдельных сооружений, компонов-
кой, принципами создания и использования для борьбы с донными нано-
сами гидравлической структуры потока. '
Водозабор с искусственным криволинейным под-
водящим руслом (рис. 279,а), названный ферганским типом, раз-
работан САНИИРИ под руководством проф. М. С. Вызго для предгор-
ных участков рекг большим отбором воды.
Криволинейное русло для усиления естественной поперечной цирку-
ляции создается,цутем устройства земляной струенаправляющей дамбы-
плотины 7 с мощным креплением напорного откоса.
Рис. 279. Фронтальные водозаборы с боковым промывом наносов:
1 — плотина; 2—головное сооружение; 3 — канал; 4— Г-образный криволинейный порог; 5 — обыч-
ный глухой криволинейный порог; 6 — дюкер; 7 — регулировочная дамба; 8 — водобойный колодец.
Размеры подводящего русла и радиус закругления устанавливают
по рекомендациям С. Т. Алтунина,М. С. Вызго и др.
Перед водоприемным сооружением, по предложению М. С. Вызго и
И. А. Якштас [232], устраивают криволинейный Г-образный порог 4, кото-
рый усиливает поперечную циркуляцию и улучшает борьбу с наносами
в паводок. Размеры криволинейного порога устанавливают на' основе
лабораторных исследований. Для предварительной компоновки высоту
порога Принимают равной 0,75—-1 м. При заборе в отвод более 50%
расходй реки работа водозабора заметно ухудшается. •
Водозаборы такого типа построены на ряде рек Средней Азии (Ка-
радарья, Cox', Чирчик, Зеравшан, Ангрен) и на протяжении ряда лет
работают успешно, предохраняя магистральные каналы от занесения
донными наносаци [L30].
Основной недостаток водозабора ферганского типа состоит в необ-
ходимости рроВедения сравнительно больших регулировочных работ на
реке (устройство направляющих дамб, срезка берега и др.).
Фронтальный водозабор с косым расположением
криволинейной плотины в плане (рис. 279,6) предложен
проф. В. В. Пославским. Такой водозабор рекомендуется устраивать на
.узких участках рек перед началом широкой поймы.
Отверстия плотины 'Закрывают сегментными затворами и. два про-
лета, примыкающие к головному сооруженйю 2, снабжают козырьками
для сброса шуги и мусора. При таком расположении плотины по отно-
шению к водоприемнику вода протекает через нее как в боковом отводе,
23*
355
Водозаборный гидроузел Кубань-Калаусской оросительно-обводнительной системы
с криволинейным'подходящим каналом (верхний бьеф).
и вследствие хтого в верхнем бьефе образует^ лЩркуляционный поток,
увлекающий'ДЬнные'наносы к сбросным отверстиям пяртины, .<z »
Кроме Тогб; вход в водоприемник защищают от захвата донных на?-
носов криволинейным порогом 5 высотой 1,5 м.
На другой берег вода подается дюкером 6, заложенным во флют-
бете плотины; Дюкер питается водой через правый крайний пролет водр*
приемника 2. 1 . -
Двухсторонний водозабор со стрельчатой плоти-
ной (рис. 279, в) по принципу рабрты ничем не отличается от предыду-
щего. По такой схеме построен водозаборный узел на р. Беш-Алыш-Сай
в Узбекской ССР [10]. Последние две схемы водозаборных узлов
(рис. 279,6, в) не получили распространения'в основном по технико-
экономическим соображениям (большая длина плотины, сложность в ис-
полнении и эксплуатации).
Фронтальный водозабор с боковыми йаносопере-
хватывающими галереями системы проф. Н.' Ф. Данелия
(рис. 280) разработан в ГрузНИИГиМ и предназначается как для двух-
стороннего, так и для одностороннего забора воды из рек, несущих боль-
шое количество донных и придонных наносов [65]. - - "
Водозаборный узел имеет перегораживающую Водосливную или щи-
товую плотину 1. Водоприемные отверстия 10 и промывное устройство
плотины 5 размещаются в кармане 13, образованном р&здельнымбыком
(стенкой) ‘15. ’
При двухсторбинем водозаборе на~оди» берег вода подается откры-
тым каналом, а на другой она переводится дюкером 16, который проло-
жен в теле плотины или перед плотиной с напорной ее стороны: Каналы,
отводящие воду, перед щитами 8 имеют криволинейный порог 9 высотой
1 м, который направляет к промывным отверстиям.7 наносы при промыв-
ке аванкамеры. . ;
Принцип работы такого водозабора состоит.*' следующем.
При закрытых промывных отверстиях плотины перед щитами 5 воз-
никает обратное движение донных слоев- потока; которое, встречаясь с
донным течением и с донными наносами, поступающими из реки* кар-
ман, приостанавливает, продвижение их в зоне входных отверстий
356 - • V
промывных галерей 12. На стыке этих встречных движений у фронта на-
двигающейся наносной гряды- образуется мощное винтовое движение,
направленное к отверстиям промывных галерей и способствующее тем
самым непрерывному удалению наносов, поступающих в эту зону вместе
с речным потоком. •
Рис. 280. Фронтальный двусторонний водозабор с наиосоперехватывающими гале-
реями:
а —план; б — разрезы; водосливная плотина; 2— наносоперехватывающне галереи; 3—смотре*
. вые колодди галерей;’4—Щиты у выхода'нз галерей; 5 —сдвоенные щиты промывных, отверстий
кармана; 6 — пазы для шандор; 7 — щиты промывника; 8 — щиты ма; астральных каналов; 9 — криво-
линейные пороги; 10 — щиты водоприемника; 11 — съемные решетки; 12 — щиты входных~отверстий
галер4Й;'73 — карман;. 14 — струенаправляющая стенка; 15 — раздельная стенка; 16 — водоп^реводя,-
* щне дюкеры. к ,;у
Компойбвку и определение основных размеров сооружения выполня-
ют по рекомендациям проф. Н. Ф. Данелия.
Ширину кармана Ввдр определяют в зависимости от суммарной ши-
рины водоприемных отверстий Впр и Влев : ~
>^»(о.з-1,адЛР+влев). .
Кроме того, ЛрМйу кармана проверяют По соотношению Вкар <
Вкар ?РекВ в период прохождения паводковых расходов реки.
Среднюю скорость в кармане принимают окар = (0,8 -т- 0,9) орекн.
Расход воды в кармане определяют как сумму расходов водозабора
и промывных галерей; QKap = (1,5 -т- 2,0) 2 Q3a6,
357
Глубина потока в верхней части кармана, до промывных галерей,
определяется отношением:
h = —QltaP ..
икар 5Кар
Остальная глубина, равная Н—h, заносится донными наносами (Н—
полная глубина потока перед промывными щитами кармана при НРУ).
Скорость течения в водоприемнике принимают либо равной скорости
в кармане, либо несколько меньше — от 1,5 до 2 м/сек.
Наносоперехватывающие галереи рассчитывают так же, как при бо-
ковых водозаборах, при этом число галерей принимают не менее двух,
а высоту галереи — равной hr~ (0,15-4-0,5) Н.
Рис. 281. Фронтальные водозаборы с боковым промывом наносов при помощи донных
направляющих устройств с винтовым движением воды:
а — водозабор с карманом-отстойником; б — водозабор с • криволинейным карманом; / — плотина;
2— головной сквозной донный лоток или галерея; 3 — раздельные стенки; 4 — камеры кармана-от-
стойника; 5 —канал; 6 — головной регулятор; 7 — донные галереи для улавливания н сброса нано-
сов; £ —промывное отверстие; 9 — щиты доцных галерей; 10 — входной порог; 11— фронтальный
криволинейный канал; 12 — пониженный участок с виражом; 13 — вертикальный vcjyn в конце вира-
жа; 14 — плоский затвор; 15 — водоприемник с порогом; 16 — сбросные отверстия; 17 — сбросная
галерея.
По данным исследований, для рассматриваемого водозабора уста-
новлена довольно широкая область применения. Его можно применять
как на предгорных, так и на равнинных участках рек, если река несет
донные наносы даже в виде мелкого песка. На селевых участках рек
строить такой водозабор не рекомендуется.
По лабораторным и натурным данным, пределом применимости та-
кого водозабора для горных и предгорных участков рек считается расход
забираемой воды от 10 до 200 м3/сек при глубине потока перед фронтом
водозабора /7 — 2,5—8 м.
Водозаборы такой конструкции, построенные в Грузинской ССР на
реке Диди-Лиахви (1951 г.) и Ганджа-Чай (1957 г.), успешно предо-
храняют магистральные каналы от наносов.
Во время меженных расходов, когда почти полный сток реки заби-
рается для нужд орошения и энергетики, на периодический-сброс нано-
ков через галереи затрачивается всего 2—3% речного стока.
Водозабор с карманом-отстойником (рис. 281, а) —
один из типов водозаборов, предложенных проф. В. А. Шаумяном [228].
Особенность схемы этого водозабора состоит в том, что перед входом
в карман-отстойник имеется промывная галерея 2, которая непрерывно
358
перехватывает донные наносы и сбрасывает их в нижний бьеф винтовым
движением воды.
Карман разделен на три камеры, имеющие самостоятельные донные
галереи, расположенные в середине и в Конце. Такая конструкция позво-
ляет поочередно переключать разные камеры отстойника то на питание
магистрального канала, то на промывку наносов в нижний бьеф плотины.
В третьей камере предусмотрено промывное отверстие 8 для промыв-
ки и пропуска части паводковых расходов.'
По данным лабораторных исследований, такой водозабор имеет вы-
сокие противонаносные показатели.
Фронтальный водозабор с криволинейным карма-
ном' (рис. 28J, б), предложенный доц. И. И. Кириенко (ЮжНИИГиМ),
основан на использовании принципа поперечной циркуляции и вихревого
горизонтального вальца, образованного с помощью донного уступа в кон-
це виража.
Водозаборный узел состоит из низконапорной плотины /, фронталь-
ного криволинейного кармана специальной конструкции 11с входным
порогом 10, водоприемника 15 и промывного устройства в конце кана-
ла 16.
Принцип действия водозабора заключается в следующем. Перед
вхрдом потока в карман возникает (циркуляционное течение, отвлекаю-
щее часть донных наносов от входа в карман. При подходе к закруглению
и на закруглении в потоке возникает центробежное циркуляционное
теченце, возбуждаемоезакруглением кармана и усиливаемое конструк-
цией его дна в виде виража 12. В конце виража при сходе потока с дон-
ного уступа 13, образуется вихревой валец, которым наносы сбрасыва-
ются в нижний бьеф через промывную галерею 17. При этом промывной
расход не превышает 10% расхода, забираемого в канал.
$ 3. ДОННЫЕ РЕШЕТЧАТЫЕ ВОДОЗАБОРЫ
Применение, условия работы и конструктивные особенности. Водо-
заборы с донной решетчатой галереей применяют при использовании сто-
ка высокогорных и горных участков рек. Они широко распространены на
Кавказе, в Казахстане, Киргизии, Таджикистане и в других горных
районах.
Забор воды на таких участках рек связан с большими затруднения-
ми, обусловленными особенностями гидрологического режима. К этим
особенностям относятся:
й) резкие колебания уровней и расходов воды в течение года, вызы-
ваемые частыми кратковременными паводками;
б) большие скорости течения, нередко превышающие 3—4 м/сек-,
в) насыщенность потока в периоды паводков большим количеством
взвешенных и донных наносов, включающих крупные фракции, иногда
достигающие -в поперечнике 0,5 м и более;
г) образование на ряде рек грязекаменных (селевых) потоков;
д) отсутствие сплошного ледостава и образование шуговых явле-
ний, чему способствует быстрое течение и наличие большого количества
перекатов и др.
Отмеченные гидрологические особенности горных рек в значительной
степени затрудняют постройку водозабора обычной конструкции и со-,
здают весьма тяжелые условия для обеспечения бесперебойного забора
воды в водопроводящие тракты ГЭС и оросительных систем. Поэтому
на таких реках начали применять водозаборные сооружения тирольского
типа с донной решетчатой, галереей, которые забирают воду из нижних
слоев потока. -
Указанным особенностям, гидрологического режима наиболее полно
отвечает водозаборный узел, состоящий из невысокой плотины (рис. 282)
359
с водозаборной галереей 2 под гребнем или порогам плотины, перекрытой,
решеткой. Вода, переливающаяся через водозаборную часть плотины,
частично или полностью поступает через решетку в донную галерею. Из
галереи вода сливается в камеру 3, снабженную для йромыва выпавших
найосов щитовыми отверстиями 4 и 5, откуда она через головной регу-
лятор 7 поступает в канал 8. , ' • >_ 1/.
В зависимости от отношения естественной ширины реки Врекн к рас-
четной ширине Врасч , необходимой для Пропуска максимальною рас-
хода реки, существуют три схемы компоновки водозаборного узла.
Рис. 282. Дойный решетчатый водозабор с промывной камерой:
/ водосливная йли ЩйТовая плотина; 2 — донная галерея, перекрытия решеткой; 3 — промывная
камера, 4t 5~~*- НЮКннЙ . и верхний затворы промывной, камеры; 6 — шугосброс; 7 — водоприемник;
' ' , 8 — канал.
Первая схема применяется, при узких неразмываемых участках
рек, когда ширина реки Вреи равна ширине водозаборной части Вв и
равна расчетной ширине Врасч, то есть Вреки — Врагч — Ве.
В этом случае плотина состоит только из водозаборной части и че- '
рез нее пропускают паводки. у
Вторая, схема применяется при более широких руслах, когда
Дреки Врасч ~ Ва 4“ Вс-
В этом случае плотина состоит из. двух частей,— водозаборной В* в
.сбросной Вс, паводковые расходы пропускают через обе части плотины.
Третья схем а целесообразна при широкой дюйме,' когда BjeKH >
> Врасч — Вв 4-Вс.
-Плотина в этом случае состоит из трех частей. Щурину водозабор?
пой и сбросной части плотины устанавливают с учетоМЙррпуска расчет-
ною паводка, а остальную часть поймы Перекрывают глухой земляной
плотиной. Расчетную ширину реки, Необходимую для пропуска макси-
мального паводка, определяют по формуле С. Т. Алтунина (^.8).. .Шири-
ну водозаборной (решётчатой) части плотины назначают примерно рав-
ной ширине русла реки в межень.
Решетку водозаборной галереи обычно изготовляют в лиде отдель-
ных секций из металлических стержней различной формы "длиной 1 —
2 м, укладываемых по направлению течения-по^рка^фйс. 283). Для об-
легчения перемещения камней й гальки решет(^,й^®ДЖ>т уклон 0,1—0,2.
Водосливные грани .плотины от ударов ^авдей•'защищают прокатными
профилями, затопленными в бетон. • ' - i
Одним из основных .недостатков решётки является засорение про-
светов и уменьшение пропускной способности. Засорёние решетки зави-
360
сит от формы поперечного сечения стержней, формы частиц донных на-
носов, времени года и гидравлической структуры водного'потока. Иссле-
дования показали, что меньше засоряются решетки со стержнями Т-об-
разной и трапецеидальной формы, а также со стержнями, изготовленны-
ми из узкоколейных рельсов с обрезанными полками. Ширину просветов
между стержнями решетки обычно принимают от 6 до 12 мм.
В большинстве построенных сооружений забираемый расход колеб-
лется от 0,2 до 10 м3!сек. и удельный расход — от 0,1 до 0,5 м3/сек.
Рис. 283. Конструкция решетки донной галереи:
t*20-30
t-25-ЗО
t-25-37
d--20-25
t^O-30
t’8-12
Ho75-i l-w
а — решетка; б — формы поперечного сечення стержней; I—защитная закладка: 2 — рама решетки;
3 — секция решетки '(размеры даны в мм).
Основные недостатки донных решетчатых водозаборов такого типа:
а) захват в галерею 90—97% общего количества наносов размера-
ми, меньшими, чем просветы в донных решетках;
б) засорение и обмерзание решеток, что снижает поступление воды
в галерею и затрудняет эксплуатацию;
в) занос наносами начального участка донной галереи;
г) отложение наносов в нижнем бьефе при заборе значительной
части расхода реки и др.
Благодаря дальнейшим работам исследователей значительная часть
недостатков рассматриваемого типа водозабора в той или иной степени
устранена. В этих работах особое место отводилось изучению гидрав-
лического и наноснЬго режимов водозабора, разработке более совершен-
ных конструкций и улучшению эксплуатационных показателей. При '
этом, как и в других типах водозаборных сооружений, хорошие резуль-
таты дало использование для борьбы с донными наносами особенностей
гидравлической структуры потока.
Донный решетчатый водозабор с щитовыми отверстиями на водо-
сливном фронте. ’Различные схемы таких водозаборов детально изуче-
ны проф. Р. Ж. Жулаёвым и кандидатом техн, наук А. И. Арыковой [11].
Одна из предложенных компоновок рассматриваемого типа водозабора
приведена на рисунке 284.
В предлагаемых схемах водозабора используются два способа борь-
бы с наносами:
24—1650
361
а) создание в верхнем бьефе поперечной циркуляции, при которой
основная масса влекомых наносов будет сбрасываться в нижний бьеф
через сбросную щитовую часть плотины, минуя решетчатую водозабор-
ную галерею;
Рис. 284. Донный решетчатый водозабор со щитовым. отверстием н наносоперехва-
тывающей траншеей:
7—трубчатые пульповоды; 2 —щитовое отверстие; 3 — водосливная часть плотины; 4 — раздельная
стенка; 5 — водозаборная галерея, перекрытая решеткой; 6 — наносоперехватывающая траншея;
7 — криволинейный донный порог; В — решетка; S — шандоры зимних водоприемных отверстий;
10 аванкамера; 11 — затвор выходного отверстия водозаборной галереи; 12 — водослив;.ЦЗ — затвор
головного регулятора; 14—промывная галерея. '
б) улавливание до водозаборной галереи значительной части дон-
ных наносов с помощью наносоперехватывающей траншеи.
В отличие от существующих методов поперечную циркуляцию в этом
случае возбуждают путем перераспределения расхода реки по ширине
русла. На водозаборном узле это достигается полной или частичной за-
362
меной водосливной плотины 3 щитовыми отверстиями 2 с пониженным
порогом.
Ширина щитового отверстия должна быть такой, чтобы зона захва-
та донных струй при среднепаводковом расходе была не уже водоза-
борной (решетчатой) части сооружения.
Если водосливная часть плотины 3 значительно длиннее ее водоза-
борной части 5, рекомендуется устраивать между щитовой и водослив-
ной частью плотины раздельную стенку 4 длиной, равной десятикратной
глубине потока в подводящем русле.
Лабораторные исследования показали, что при правильном назна-
чении ширины щитового отверстия 90—95% влекомых наносов сбрасы-
вается в нижний бьеф, Минуя водозаборную галерею.
Для повышения эффективности борьбы с наносами, кроме щитовых
отверстий, рекомендуется применять и наносоперехватывающую тран-
шею. Ее можно устроить по типу траншейной пескогравиеловки Т. Г. Ге-
гелия [48, 49] или Же по типу щелевой пескогравиеловки Р. Ж. Жулае-
ва и А. И. Арыковой.
Для облегчения отвода наносов к щитовому отверстию перед во-
дозаборной частью плотины устраивают криволинейный порог 7 дли-
ной порядка 2Вреш.
Наносоперехватывающую траншею 6 промывают, по предложению
П. А. Понера, через трубчатые пульповоды 1, размещенные по всей дли-
не решетчатой части водозабора 5.
Диаметр трубчатых пульповодов назначают в пределах (3 н- 5)$,
где s — просвет решетки наносоперехватывающей траншеи. Расстояние
между трубами принимают равным (1,6 2) йтр , где /гтр — высота тран-
шеи, обычно принимаемая 0,6—0,8 м.
По данным натурных и лабораторных исследований, захват наносов
такой траншеей достигает 90—95% при сбросном расходе воды, равном
5—6% общего расхода потока, и насыщенности промывного расхода на-
носами до 200 кг/м3.
Мелкие наносы, поступающие из водозаборной галереи 5 в сборную
аванкамеру 10, промываются через щелевую конусообразную промыв-
ную галерею 14 винтообразным движением потока.
Зимние водоприемные отверстия 9 рекомендуется располагать в бе-
реговой стенке сооружения и перекрывать их решеткой 8 с горизонталь-
но расположенными стержнями.
Построенные примерно по такой схеме в Казахской ССР водозабор-
ные сооружения Панфиловской ГЭС на р. Усек (приток р. Или), Мер-
кенской ГЭС на р. Мерке (приток р. Чу) и Верхне-Талгарской ГЭС
(р. Талгар) работают удовлетворительно.
Примером донного водозабора с наносоперехватывающей галереей
может также служить конструкция, предложенная И. И. Кухиани-
дзе[ЮЗ].
Донный решетчатый водозабор совмещенного типа. Эта конструк-
ция предложена канд. техн, наук Ф. С. Салаховым и испытана в гидро-
технической лаборатории АзНИИГиМ [156].
Водозабор (рис. 285) представляет собой водосливную плотину 1 не-
большой высоты, в теле которой размещены: водозабор с донной ре-
шеткой^, гидравлический сепаратор 5, промывная галерея 6 и водоза-
борная галерея 3.
Вода из реки забирается.через донную решетку 2, устанавливаемую
на гребне плотины,_и- поступает в сепаратор 5. В сепараторе наносы
крупнее расчетной фракции выпадают на дно и оттуда поступают в про-
мывную галерею 6, которая располагается на дне сепаратора по всей
длине водозаборной галереи 3.
По конструкции промывная галерея — это конусообразная труба со
щелью по типу, предложенному И. Т. Колесниковым для порога водо-
24*
363
приемников. Поступление воды через щель по касательной создает в
промывной галерее 6 винтообразное движение потока, что в значитель-
ной степени повышает его транспортирующую способность. Для повы-
шения транспортирующей способности потока в начальной части про-
мывной галереи предусматривается дополнительный подвод воды 8 в то-
рец галереи.
В водозаборную напорную галерею 3 переменного сечения освет-
ленная вода поступает из сепаратора 5 восходящим током через грубую
решетку 4.
11-П
Рис. 285. Донный решетчатый водозабор совмещенного типа:
/ — водосливная плотина; 2 — донная решетка- на гребне плотины; 3—водозаборная галерея;
4 —решетка водозаборной галереи; 5 — сепаратор; 6 — промывная галерея; 7 — водосливная часть
плотины; 8 — дополнительный подвод воды к началу промывной галереи.
Восходящую скорость при поступлении воды в галерею назначают
с таким расчетом, чтобы в нее не попадали нежелательные фракции на-
носов. Для этого рекомендуется расчетную среднюю величину скорости
восходящего тока ирасч определить из условия орасч =0,9 и>расч, где
дарасч — гидравлическая крупность расчетной фракции наносов.
Водозаборы этого типа, построенные в Азербайджанской ССР на
реках Вель-Величай и Кудиал-Чай, работают удовлетворительно.
Аналогичный по идее с водозабором Ф. С. Салахова, но отличный
по конструкции водозабор совмещенного типа предложен Г. А. Джим-
шели [67] на основе лабораторных исследований (ТНИИСГЭИ).
Послойно-решетчатый водозабор. Принцип работы этого водозабора
основан на использовании закона обтекания преграды потоком и обхода
ее донными наносами [65]. Водозабор разработан и внедрен в производ-
ство проф, Н. Ф. Данелия (ГрузНИИГиМ).
Обтекаемой преградой в послойно-решетчатом водозаборе служат
небольшие, затопляемые во время паводка полые быки 3, которые раз-
мещаются над водозаборной галереей устроенной в теле водослив-
ной плотины (рис. 286). При обтекании этих быков с лобовой стороны
в потоке создается зона с повышенным давлением, вследствие чего по-
являются нисходящие токи и в нижнем слое потока образуется обратное
донное течение 2, которое сохраняется и тогда, когда поток переливает-
ся через быки.
Обратное течение, встречаясь с основным течением потока, приоб-
ретает вращательное движение, направляет донные наносы в обход бы-
ков и сбрасывает их в нижний бьеф по средней части пролета между
быками.
Вследствие возникновения указанного циркуляционного течения
перед быками и вдоль их появляется полоса Дна, свободная от донных
наносов. В боковых частях пролетов, свободных от донных наносов,
размещают частые решетки 6 (нижний ярус) с просветами от 6 до 12 лш,
через которые вода забирается при меженных расходах реки.. Средние
364
части пролетов, где движутся донные наносы, перекрывают сплошным
стальным листом или железобетонными плитами. На лобовой стороне
быков водоприемную решетку не устанавливают, так как она служит
возбудителем поперечной циркуляции.
То же циркуляционное течение препятствует донным наносам по-
пасть в верхний слой, проходящий над быками. Поэтому на верхней
площадке затопляемых полых быков устанавливают грубые решетки 7
(верхний ярус) с просветами от 20 до 40 мм, через которые вода заби-
рается при паводковых расходах.
Рис. 286. Послойно-решетчатый водозабор:
1— донные токи; 2 — обратное дойное течение; 3 — быки, затопляемые во время паводка; 4—водо-
сливная плотина; 5 — раздельная стенка; 6 — решетки нижнего яруса; 7 — решетки верхнего яруса;
8— щиты в конце водозаборной галереи; 9 — криволинейная часть канала; 10— уравнительный во-
дослив; 11— промывное устройство канала; 12 — щнты в начале отстойника; 13 — двухкамерный
отстойник;- 14— щиты промывннка-отстойннка; 15— канал; 16 — промывннк отстойника; 17 — водо-
заборная галерея; 18 — понур.
Из галереи 17 вода поступает в криволинейный канал 9, в конце
которого располагаются промывное устройство 11, уравнительный водо-
слив 10 и отстойник 13 с промывным устройством 16.
Послойно-решетчатый водозабор рекомендуется устраивать на уз-
ком прямолинейном участке реки или же на криволинейном участке,
располагая створ плотины радиально к вогнутому берегу.
На широких прямолинейных участках реки верхний бьеф выправ-
ляют регулирующими сооружениями на длине, в 4—5 раз большей
длины' решетчатой части.
Ширину решетчатой и водосливной части плотины устанавливают
с учетом пропуска расчетного паводка; остальную часть русла перекры-
вают глухой земляной плотиной.
Водозаборный узел данной конструкции рекомендуется строить в
основном на горных, высокогорных, а также и на предгорных участках
рек при Qpeiai = 0,2—500 м?1сек, пср. = 1—&м1сек й i=^0,01—0,1.
Забираемый расход может быть при одностороннем водозаборе от
0,2 до 12 мъ!сек, при двустороннем — в два раза больше.
365'
Относительные размеры основных элементов сооружения установ-
лены по данным лабораторных и натурных исследований.
Затопляемые быки имеют ширину 2 а, где а—0,5—0,75 м, и высоту
Л=(0,6^1)а.
Пролет между быками принимают равным За и для размещения
мелкой решетки разбивают на три равные части, каждая шириной а.
Крайние пролеты имеют ширину 2 а и разбиваются на две равные части.
Быки выдвигают от начала решеток на 1,5 а, радиус закругления
лобовой стороны быка г=0,75 а.
Максимальная высота слоя воды, переливающегося через быки, не
превышает десятикратную высоту быка.
Секции решеток обоих ярусов устраивают съемными. Решетки ниж-
него яруса имеют уклон iH =0,1—0,15 и коэффициент просветов рн =
=0,25—0,35; решетки верхнего яруса соответственно имеют i=0,05—0,1
ръ = 0,4—0,6.
Радиус криволинейного канала принимается 7?ср = (2,5 4) Вк.
Превышение гребня водосливной плотины над быками ДЛ>0,1 м.
Длина бетонного крепления пе-
ред быками (5 6) а.
Количество донных водозабор-
ных галерей определяют расчетом.
Сечение каждой галереи принима-
ют в пределах 1—3 я? при ширине
1—2 м, высоте в конце галерей 1 —
1,5 м и средней скорости vr = 1,5—
2 м/сек. Уклон дна галереи ir=0,03.
В конце водоприемной галереи
устанавливают щиты для Эксплуа-
тационных целей.
Водозаборы этого типа, по-
строенные в Грузии на р. Квирила
в 1958 г. и на р. Барула в .1954 г.,
работают нормально, и не было слу-
чая нарушения подачи воды [65].
Донный решетчатый водозабор
с размещением галереи на повы-
шенных отметках. Этот тип водо-
забора разработан и всесторонне
исследован в Киргизгипроводхозе Г. В. Соболиным и И. К. Рудаковым в
нескольких вариантах и может быть выполнен по девяти схемам ком-
поновок [172]. Одна из схем с односторонним забором воды приведена
на риСуНке 287.
Отличительная особенность водозаборного узла состоит в том, что
донная галерея 5 располагается выше порога сбросного (щитбвого)
отверстия плотины от 1 до 2,5 м, что сводит роль решётки, перекрываю-
щей донную галерею, лишь к пропуску плавающих предметов. ' :
Донные наносы промывают наряду с речным пролетом плотины,
перекрываемым щитом в Меженный период, через промывное окно 2
в теле раздельного быка. Отверстие шириной не менее 1 ж й высотой
1—2,5 м перекрывается плоским щитом. Для размещения промывного
отверстия раздельные быки выдвинуты в верхний бьеф.
Наносы направляются к промывному окну криволинейным поро-
гом 4, который в концевой части перекрывается железобетонной пол-
кой 3. ' .у,.---.'
По данным лабораторных и натурных исследований узлов, постро-
енных в Киргизской ССР, такое водозаборное сооружение обеспечивает:
беспрепятственный пропуск всей массы наносов через промывные уст-
ройства при сбросных расходах в пределах 10—20%; сброс внезапных
366
Рис. 287. Донный решетчатый водоза-
бор с расположением галереи на по-
вышенных отметках:
1 — сбросное (щитовое) отверстие плотины
с пониженным порогом; 2 —промывник; 3—же-
лезобетонная полка; 4 — криволинейный порог;
5 — галерея, перекрытая решеткой; 6 — щито-
вое отверстие водоприемника-; 7 — отводящий
канал.
паводковых расходов воды; эффективную борьбу с шугой и плавником;
экономичность и надежность эксплуатации сооружения. Его рекомен-
дуется применять при водозаборе для ГЭС и оросительных систем на
участках рек с уклонами 0,005—0,05 и расходами от 5 до 1000 м31сек.
Расчетный расход донной галереи при одностороннем водозаборе может
быть доведен до 40 м?1сек. и при двустороннем — до 70 м3!сек.
Гидравлические расчеты водозаборной части плотины. Забор воды
из донных и придонных слоев потока, обусловленный особенностями
Рис. 288. Расчетные схемы водозаборной части плотины:
А — поступление воды через решетку в водозаборную галерею; Б режимы течения
воды в галерее: а — безнапорный; б — переходный; в — напорный.
рассматриваемого типа водозабора, определяет своеобразие гидравли-
ческого режима работы водозаборной части плотины.
В подводящем русле движение потока можно рассматривать как
равномерное. Непосредственно перед водозаборной галереей поток при-
обретает форму кривой спада. При этом глубина воды в начале решет-
ки (рйс. 288, А) будет больше критической, то есть hi < h0>hKP , если
расчетный расход протекает по руслу в спокойном состоянии (Гг<1)*,
или же hi < при бурном режиме потока.
В пределах решетки движение будет неравномерным, так как часть
потока проваливается через просветы решетки, а другая часть проте-
кает по стержням решетки в нижний бьеф при глубине h2 в конце ре-
шетки.
В настоящее время ввиду отсутствия более точных методов опре-
деления величину hi и h2 выражают в долях критической глубины.
Отдельные. струйки потока поступают в галерею через просветы
решетки под углом, меньшим 90°, и тем самым вызывают винтообраз-
ное движение потока в галерее.
В зависимости *от количества поступающей воды через решетку и
размеров самой галереи режим течения в ней может быть безнапорным,
напорным и переходным (рис. 288, Б).
* hi=hBp, если такой поток будет поступать в'галерею без решетки.
367
Чтобы обеспечить безнапорное движение, устраивают более высо-
кие галереи, чем при напорном движении, так как необходимо иметь
запас в высоте между уровнем воды в галерее и нижней поверхностью
решетки. Безнапорное движение происходит до тех пор, пока уровень
воды в водозаборной галерее будет ниже верхней плоскости решетки.
В безнапорной галерее при падении отдельных струй, образующих-
ся под решеткой, происходит захват значительного количества воздуха,
что приводит к увеличению объема жидкости и, следовательно, разме-
ров поперечного сечения галереи. В результате исследования построен-
ных сооружений А. И. Арыковой и Р. Ж. Жулаевым [11] получены сле-
дующие значения коэффициента аэрации Ка:
Высота падения струи, м 0,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Коэффициент Ха 0,0 0,1 0,15 0,17 0,25 0,32 0,38 0,45
Водозаборную часть плотины рассчитывают на безнапорное движе-
ние воды в галерее для случая нормального режима эксплуатации во-
дозабора при меженных расходах, то есть когда расход реки обеспечи-
вает как водопотребление, так и сброс влекомых наносов в нижний бьеф:
Фреки ~ Ф1 ~ 1>25фреш
и
Q1 — 0,25 фреш-
1. Расчет донной решетки. При безнапорном движении
воды в галерее пропускная способность решетки не зависит от глубины
воды в галерее и размеры решетки определяются по формуле истечения
жидкости из отверстия с введением некоторых поправок, отвечающих
действительным условиям протекания воды через решетку (рис. 288):
Фреш = И КпВр/р/<ч V2ghcp мя;сек, (362)
где р— коэффициент расхода отверстий решетки, принимаемый по
Е. А. Замарину для решетки из плоских стержней при ipem ==
= 0,1 и Ап=0,4—0,5 равным 0,65—0,6, при ipelu =0,2 соответст-
венно 0,6—0,55; для решетки из клиновидных стержней значе-
ния р по Н. К. Зворыкину больше указанных примерно на
5-10%;
Кп—коэффициент просветности, равный отношению --, цока-
s +1
зывающий, какую часть от общей площади решетки составля-
ет площадь ее просветов;
Вр—ширина решетки (нормально теченищ реки), равная длине
донной галереи;
/р — длина горизонтальной проекции решетки, принимаемая
1—2 м\
Кч — коэффициент чистоты решетки, равный 1,0—К3, —коэф-
фициент засорения решетки; значение Кч принимают по опыт-
ным данным для обычных донных водозаборов 0,8—0,85 и, для
послойно-решетчатых водозаборов 0,9—0,95;
hcp— средняя глубина воды над решеткой.
Профессор Е. А. Замарин, исходя из опытов А. И. Арыковой, пред- ,
дожил ftCp определять в долях критических глубин:
ЛсВ=0,5(Л1 + Л2) = 0’405(й^+С)’ (363)
где
=°>47 (тТ3 и =0147 (^Г (364>
\ Ор / \ г* /
368
тогда
fteP = -^-(Q?/3+Qi/3). (365)
где Qi и Q2 — расходы воды в начале и в конце решетки;
^кр и ^кР — критические глубины, соответствующие расходам
Qi и Q2.
После подстановки значения йсрпо формуле (365) в основное урав-
нение (362) получим:
<2рСШ = 1-93 р Кп lf Ко[/3+^/3- (366)
или
/р ------------Qpeni--------- (367)
1,93 и Кп Кч В 2/3 У О.2/3 + С2/3
или
Вр = (-----------Qpem - —У/2. (368)
\ 1,93ц lp V 0[/3 + <2-1/3 J
В частном случае, когда забирается весь расход реки, имеем Qpcni =
= Qi, $2 = 0ийк”р=0.
В этих формулах неизвестны величины Вр и /р, следовательно, за-
давшись одной из них, можно определить другую. При решении практи-
ческих задач удобнее всего составить кривую зависимости Вр =f(lp) и
по ней с учетом указанных выше рекомендаций принять окончательные
размеры решетки.
Пропускную способность решетки и галереи проверяют для случая
напорного режима в последней при минимальной разности уровней во-
ды Ай над решеткой и за галереей (рис. 288,в).
При напорном движении вода поступает в галерею через решетку
под напором г, равным разности отметок уровня над решеткой и уровня
пьезометрической линии в рассматриваемом сечении.
На положение и характер пьезометрической кривой влияют измене-
ния расхода реки и канала, конструкция и степень засоренности решет-
ки, расположение засоренных участков по длине галереи, размеры по-
перечного сечения галереи и т. д. Для упрощения расчета пьезометри-
ческую линию принимают за прямую DE и начало ее устанавливают
ниже уровня воды над решеткой на величину потерь напора в решетке,
равную:
и2
= (369)
где £Реш — коэффициент сопротивления решетки, раРный примерно
3—3,5;
прещ — скорость движения воды в просветах решетки, равная
Qpein
Вр ^р-^п
Удельный расход решетки выражается формулой:
. . (370)
Если напор z изменяется по закону прямой, то
^ = hw+~h~hw х, (371)
369
тогда полный расход решетки в концевом сечении галереи будет:
Среш = [ <7решdX = 0,67H^nWp W ,д Аз/2 _
о
где Цх—коэффициент расхода отверстий решетки при напорном дви-
жении воды в галерее.
Значения рх были определены А. И. Арыковой [12] при уклоне ре-
шеток 0,1 для нескольких типов решеток с различной формой попереч-
ного сечения стержней. В частности, для решетки со стержнями трапе-
цеидальной формы получены следующие значения: рх =0,61 при Ап =
= 0,25; Цх =0,41 при /(п=0,4 и рх=0>33 при Ап=0,5.
При Ай=йср и hw =0 формула (372) примет вид:
Qpew = 0,67И1 ]/ 2gftcp . (373)
Расход Воды в галерее на расстоянии х от начала ее будет:
0=0 {—У7,
'’СЛ Чреш I „ I
\Ор/
(374)
2. Расчет водозаборной галереи. В водозаборной гале-
рее происходит сложное неравномерное и вращательное движение воды
с переменным расходом по ее длине. Такое движение потока недоста-
точно изучено, и в связи с этим при гидравлическом расчете галереи
донного водозабора встречаются значительные трудности.
При безнапорном движений п^ока-фасчёт водозаборной галереи
сводится к определению размеров поперечного сечения, построению сво-
бодной поверхности, определению глубин в различных сечениях по дли-
не и построению продольного профиля дна галереи.
Расчет выполняют по уравнению движения потока с переменным
расходом вдоль пути. Для рассматриваемого случая может быть исполь-
зовано уравнение, полученное Г. А. Петровым, с некоторыми упрощаю-
щими допущениями, которое имеет вид [142]:
где Ду— потери напора на участке длиной Ах;
а0 — коэффициент, учитывающий неравномерность
распределения скоростей в сечении;
Qi, Q2, v\, V2 — расходы и средние скорости в рассматривае-
мых сечениях;
Ах — длина расчетного участка;
QcP, ^ср, ®сР, 7?ср, Сср — средние значения расхода, скорости течения,
площади живого сечения, гидравлического
радиуса и коэффициента Ш,ези на участке
между смежными'сечениями.'
Первый член правой части уравнения (375) выражает величину
потерь напора при изменении скорости потока на участке между двумя
сечениями; второй член—потери напора на трение по длине и третий
член — потери напора вследствие присоединения дополнительной массы
жидкости между расчетными сечениями.
Для расчета по уравнению (375) необходимо знать ширину галереи
и законы изменения расхода и скорости течения вдольткзтока.
Ширину галереи Принимают несколько больше длины решетки, с
тем чтобы с каждой стороны образовалась ниша шириной 0,3 м.
Для безнапорного движения воды в галерее расчет выполняют в
такой последовательности:
370
а) вычерчивают в масштабе длину галереи, равную длине решетки,
и назначают начало координатных осей О, располагая его в начале га-
лереи и на 0,1—0,2 м ниже нижней плоскости решетки (рис. 289);
б) длину галереи разбивают на 4—6 расчетных участков Ax0_[,
Дх(_2 , Ах2_з — и определяют расстояния от начала галереи до расчет-
ных сечений х2, х3...;
в) для каждого расчетного сечения определяют расход воды Qb
Q2, Q3 по формуле:
Qx ~ <7реш (376)
г) из условия обеспечения промыва попавших в галерею наносов
назначают скорости течения не менее ин = 1,5—2,0 м!сек в сечении, от-
Рис. 289. Построение уровня свободной поверхности и продольного профиля диа
водозаборной галереи.
стоящем от начала галереи на расстоянии е = 0,5 м и vK =2,5—3,5 м/сек
в конечном сечении галереи.
При заданных значениях ин И vK определяют среднюю скорость
течения в расчетных сечениях оь v2, v3... из выражения:
Ох = »н4-а(х - е), (377)
— рн
где а — коэффициент пропорциональности, равный у----— ;
д) при известных значениях Qb Q2, Сз»i, t»2, »з и Ьг устанавли-
вают гидравлические элементы потока в расчетных сечениях, а затем
по формуле (375) определяют потери напора А уи А у2, А у3... на длине
выделенных расчётных участков;
е) откладывая в конце расчетных участков от оси абсцисс суммар-
ные величины А у, находят отметки уровня воды и строят линию сво-
бодной поверхности, а отложив от последней соответствующие глубины
с учетом аэрации {полученные делением глубин в расчетных сечениях
на 1—К,) и соединяя найденные точки прямыми, строят профиль дна
галереи. Получившиеся при этом изломы дна выравнивают и дно гале-
реи проектируют обычно с одним изломом или без излома с постоян-
ным уклоном.
При расчетах, учитывая интенсивное перемешивание потока и на-
личие наносов в галерее, принимают повышенное значение коэффици-
ента шероховатости л ^ 0,02—0,025.
При напорном движении потока в галерее расход воды в расчетных
сечениях определяют по формуле (374). В этом случае вода в галерею
по длине решетки поступает неравномерно, удельные расходы на на-
чальных участках решетки будут меньше, чем на конечных. Это обстоя-
371
тельство значительно ухудшает условие транспортирования наносов в
начале галереи. Для ослабления этого явления рекомендуется дополни-
тельно подавать воду из верхних слоев потока в торец галереи, как это
показано на рисунке 288, б.
§ 4. ШУГОСБРОСНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Мероприятия по борьбе с шугой. Виды работ по предотвращению
затруднений от ледо-шуговых образований определяются бытовым зим-
ним режимом водотока и проектируемой схемой эксплуатации гидро-
узла.
Затруднения, вызываемые шугой, в общем случае выражаются в
закупорке решеток водоприемников и в образовании заторов в русле
реки и в деривационном канале.
Отвод, и сброс шуги в гидроузлах связан с бесполезной затратой
воды в количестве, значительно превосходящем расход шуги.
Основные мероприятия по борьбе с шугой: ускорение ледостава и
снижение тем самым интенсивности шугообразования; задержание шуги
в пределах подпорного бьефа или в русле реки выше по течению; сброс
шуги в нижний бьеф.
Меры по ускорению образования ледяного покрова применяют на
реках и каналах, имеющих малые скорости течения, для чего на зимний
период повышают подпорную отметку. На малых реках и каналах на
поверхности воды укладывают плавучие решетки из реек со стороной
ячейки 2—3 м. На небольших участках средних и крупных рек приме-
няют запани, устанавливаемые поперек русла на тросах, и др.
Задержание и аккумулирование шуги в верхнем бьефе применяют,
когда есть емкость, достаточная для вмещения объема шуги за шуго-
ходный период. При недостаточной емкости верхнего бьефа устраивают
выше по реке специальные шугозадерживающие сооружения. Наиболее
целесообразно задерживать шугу запанями в естественных русловых
разветвлениях основного потока, используя для этой цели старые излу-
чины, рукава и староречья. Иногда для уменьшения количества шуги,
поступающей к водозабору, прибегают к искусственному образованию
заторов выше выклинивания кривой подпора.
В плотинных водозаборах шугу сбрасывают в нижний бьеф через
отверстия плотины, через специальные шугосбросные отверстия или при
помощи шугосбросов.
Сброс шуги через отверстия плотины применяют в основном в тех
случаях, когда имеется избыток расхода воды или когда по условиям
эксплуатации требуется производить гарантированные постоянные по-
пуски в нижний бьеф.
При сбросе шуги через водосбросные отверстия плотины целесооб-
разны клапанные и сдвоенные затворы, а также затворы с козырьками,
позволяющие существенно экономить количество сбрасываемой воды.
Иногда допускают транзит шуги через деривационный канал ' и
сброс ее через турбины. В этом случае скорость в водопроводящих со-
оружениях должна быть не меньше 0,7—0,8 м/сек. Если канал не при-
способлен для пропуска значительных расходов шуги, поступающей
из реки и образующейся в канале, шугосбросы следует устанавливать
в двух или трех створах: в голове канала, в деривационном канале выше
его стесненных участков и, наконец у напорной камеры—для сброса
той части шуги, которая дошла до камеры.
Для обеспечения транзита шуги через водоприемник применяют
съемные решетки с просветом не менее 0,2 л.
Пропуск шуги через гидроэлектростанции возможен, если они обо-
рудованы радиально-осевыми или поворотно-лопастными турбинами.
Сброс шуги через струйно-ковшовые турбины не допускается.
372
Для направления шугового потока к шугосбросным отверстиям и
ограждения от него отверстий водозаборных сооружений применяют
при неглубоком заполнении живого сечения потока шугой запани и бо-
ны, а при глубоком заполнении — забральные или шугоотбойные стен-
ки [27]. Запани и боны состоят из отдельных звеньев длиной по 6—8 м,
соединенных между собой простыми шарнирами (рис. 290).
При сбросе шуги через подпорные сооружения гидравлические ус-
ловия нижнего бьефа должны обеспечивать беспрепятственный отвод
сброшенной шуги. Для этого в нижнем бьефе устраивают временные
Рис. 290. Устройства для задержания и направления шуги:
а — шугозадерживающая запань; б — шугонаправляющие боны с козырьком; в — шугоотбойная стен-
ка Невинномысского гидроузла на р. Кубани; 1 — шарнир запанн; 2 —деревянный щит; 3 — опорный
трос d=34 мм; 4— стойка *из трубы d=100 мм; 5 — шуга, всплывшая в майне; б—лед; 7— порог
шугосброса; 8 — крепление троса.
руслорегулирующие сооружения, дают мощные кратковременные попу-
ски и выполняют механические расчистки.
Типы и конструкции шугосбросов. Для сброса шуги через подпор-
ные сооружения применяют различные конструкции шугосбросов: лот-
ковые, вихревые, сифонные и др.
Лотковые шугосбросы (рис. 291) чаще всего применяют
при длительном и интенсивном шугоходе. Их располагают перед водо-
приемными отверстиями открытых водозаборов или перед входными
отверстиями отстойников, размещенных при плотине.
При раздельном расположении отстойника шугосброс размещают
на подводящем канале. При подаче воды по напорным трубам лотковые
шугосбросы устраивают перед входом потока в трубопроводы.
На рисунке 291, а показан шугосброс в начале приплотинного от-
стойника. В этой конструкции между промежуточными быками укла-
дывают железобетонную плиту 1, которую с боков закладывают шандо-
рами 2. Плита, проходя через прорези в быках, образует вместе с шан-
дорами лоток, сбрасывающий шугу по шугоспуску 5 в нижний бьеф.
Более совершенна конструкция лотка с установкой вместо перед-
ней шандорной стенки клапанных затворов, позволяющих регулировать
глубину захватываемого поверхностного слоя (рис. 291,в).
При малых пролетах шугосброса применяют временный подвесной
лоток, который прикрепляют к верху быков и подключают к отводяще-
му лотку, устроенному в устое плотины (рис. 291,6).
Проф. А. Н. Гостунский [56] предложил конструкцию шугосброса в
виде полукруглого железобетонного лотка. Лоток подвешивается на
двух опорах и при помощи тяги, прикрепленной к низовой кромке его, мо-
жет вращаться, изменяя тем самым глубину захватываемого слоя воды
с шугой.
373
Основной недостаток лотковых шугосбросов состоит в том, что пе-
ред лотком образуется нежелательная структура потока, вследствие ко-
торой значительная часть шуги подныривает под лоток (до 50%) [114].
Вихревые шугосбросы, основанные на использовании устой-
чивых вихревых воронок, которые образуются впереди донных отвер-
стий плоскими щитами-вихреобразователями, предложены проф.
В. С. Фокеевым и получили довольно широкое применение на практике
[200, 201, 202, 203].
Рис. 291. Лотковые шугосбросы:
а — шугосброс в начале отстойника из железобетонной плиты с закладными стенками из шандор;
б — съемно-подвесной шугосброс перед водозаборным сооружением; в —клапанный затвор; /— же-
лезобетонная плита; 2— щандорные стенки шугосброса; 3 — забральная стенка; 4 — служебные--Мо-
стики; 5 — шугоспуск; 6 — пролет плотины; 7 — плотина; 3 — затвор шугосброса; 5—-лоток шугосбро-
са; 10 — пролеты водозаборного сооружения; // — дойные промывннкн; 12—решетка.
Транспортирующая способность вихревых воронок зависит от: ши-
рины и глубины потока; скорости подхода потока к щиту-вихреобразо-
вателю; перепада уровня воды, создаваемого щитом-перепадом; ширины
щита-вихреобразователя и расстояния от щита-вихреобразователя до
щита-перепада. •
Для наиболее эффективной работы воронки расстояние между эти-
ми щитами должно быть в 1,2—1,6 раза больше ширины щита-вихреоб-
разователя и перепад уровней должен быть порядка 0,3—0,5 м.
На рисунке 292, а показана схема установки щита-вихреобразова-
теля в напорном бассейне для пропуска шуги через турбины ГЭС.
374
На некоторых ГЭС целесообразно сбрасывать поверхностный лед
толщиной 5—8 см и шугу через металлическую трубу диаметром 0,4—
0,5 м, смонтированную в напорном бассейне на некоторой глубине от
свободной поверхности (рис. 292, б). Для обеспечения беспрерывной
работы впереди трубы устанавливают щит-вихреобразователь. На вход-
ном отверстии трубы устраивают накидную крышку с резиновой про-
кладкой, для открытия или закрытия которой временно понижают уро-
Рис. 292. Шугосбросы по типу вихревой воронки:
а — установка щнта-вихреобразователя в напорном бассейне для пропуска шуги через турбины ГЭС;
б — сброс шуги н тонкого поверхностного льда из напорного бассейна через металлическую трубу;
в — вихревой шугосброс в составе водозаборного узла ферганского типа; а — шахтиый шугосброс
в составе водозаборного узла с карманом; 1 — щит-вихреобразователь; 2—вихревая воронка; 3—щит-
перепад; 4 — запань; 5 —решетка; 6 — шугоотводящая труба; 7 — Г-образный порог; 8 — шахт-
ный стояк; 9 — водоприемное сооружение.
верь воды в бассейне. Над открытой трубой после восстановления уров-
ня" воды образуется вихревая воронка, обеспечивающая сброс льда и
шуги за пределы водного тракта с минимальным расходом воды.
На рисунке 292, в приведен вихревой шугосброс в составе водоза-
борного узла сооружений ферганского типа, испытанный на ряде моде-
лей в гидротехнической лаборатории САНИИРИ А. С. Дудкиным и по-
казавший вполне удовлетворительную работу. Расход сбросной воды
составлял 5—6% расхода реки [71].
Шахтный шугосброс (рис. 292,г), в котором вихревая воронка об-
разуется в шахтном стояке 8, предложил Р. М. Хачатрян (АрмНИИГиМ)
для водозаборного узла с карманом [208]. Для направления шуги к ого-
ловку шугосброса устанавливается запань 4. Вода с шугой свободно
переливается через гребень оголовка фронтом, равным 3/< окружности,
и сбрасывается по шахтному стояку и трубе 6 в нижний бьеф.
375
На шахтном шугосбросе оптимальная высота переливающегося
слоя воды с шугой поддерживается изменением отметки гребня
водослива с помощью съемных колец высотой 0,1—0,3 м или же вер-
тикальным перемещением всего оголовка в уплотнении сальникового
типа.
Сифонный шугосброс (рис. 293, а) также предложен
АрмНИИГиМ и в нескольких вариантах изучен в лаборатории [6].
Шугосброс представляет собой обычный плоский щит, к которому
со стороны нижнего бьефа прикреплена сифонная труба прямоугольно-
го сечения, имеющая со стороны верхнего бьефа горизонтальный рас-
ширенный оголовок с нижней горизонтальной полкой для создания бла-
гоприятных условий входа шуги в сифон.
t
tuuuuul
T
20-30
(L
и-л

Рис. 293. Шугосбросы:
a — снФоиный; б — с параллельными
лотками н отбором воды через донные
отверстия; / — головное сооружение;
2 — запань; 3 — горизонтальная полка
перед входом в сифон; 4—сифон;
5 — сдвоенные щиты; 6 донные отвер-
стия; 7—откидной (клапанный) затвор;
8— шугосбросной лоток; 9— пазы за-
твора шугосбросного лотка.

Такой шугосброс удобно устроить при сдвоенных щитах, тогда
верхний щит представляет собой щит-сифон, а нижний щит служит для
регулирования и сброса донных наносов. Подъемный механизм верхне-
го щита совмещает входной оголовок щита-сифона с шугоносным уров-
нем в верхнем бьефе.
Эффективность работы шугосброса обеспечивается повышенными
поверхностными скоростями потока перед приемным оголовком, созда-
ющимися вследствие разности уровней в бьефах и наличия горизон-
тальной полки.
Шугосброс с параллельными л о т к а м и, основанный на
принципе отбора воды через донные отверстия, предложен А. А. Ни-
кольским [15].
Шугосброс состоит из двух лотков, идущих на некотором протяже-
нии параллельно друг другу (рис. 293,6). В разделительной стенке
устроены боковые донные отверстия 6, через которые 80—90% расхода
воды перепускается во второй лоток для подачи потребителю. Всплыв-
шая же на поверхность шуга транспортируется оставшимся расходом
по шугосбросному лотку 8.
376
Уровень врды в лотках можно регулировать' затворами донных
отверстий' иди 'Йе особым откидным затвором 7, расположенным во вто-
ром лотке. *_
Шугосброс, устраиваемый в аванкамере перед
головным регулятором фронтального водозабора,
показан на рисунке 294.
В пороге водозабора устроены донные промывники 8, над которы-
ми размещается аванкамера 2, из нее вода, поступает в головной регу-
лятор 6 и при необходимости может быть сброшена через шугосбросные
отверстия, , , '
В период шугохода в аванкамере ставят шугонаправляюший бон 4
и шугу сбрасывают через клапанные затворы 9, поставленные в конце
Рис. 294. Гидроузел с шугосбросами:
1 т- струенаправляющая дамба; 2 — аванкамера водоприемника; 3 — водосбросная плотина; <4—шуго-
яедпдвляющий бон; 5 — ГЭС; б—головное сооружение; 7 —земляная плотина; 8 —дойные промыв-
клапанный затвор шугос6роса; Л0 -т затвор донного промывннка; // — консоль с гаснтеля-
».млмппвлькая. запкнь.
камеры. С водобоя плотины'ЛгРута смывается в нижний бьеф попуска-
ми воды из-под здтвора' плотины. При сильных шугоходах ставят до-
полнительную запань 12 перед входом • в аНанкамеру, направляющую
шугу к ближайшему пролету плотины, затвор которого должен быть
снабжен козырьком.
* От ст о йн и к- щу г ос бр ос. В ряде случаев при эксплуатации
водозаборных УЗЛОВ в качестве шугоебрбса используют отстойники.
При однокамерных отстойниках шуговые расходы пропускают че-
рез специальные обводные каналы, При многокамерных отстойниках шу-
гу пропускают через,одну из камер, для чего ее отстаивают в камере, а
затем смывают в нижний бьеф через промывники. В. С. Баумгарт от-
мечает, что при таком способе борьбы с шугой затрачивается 5 .и3 воды
на 1 л<3 шуги [29]. <
Основным показателем, .характеризующим работу различных ти-
пов шугосбросных сооружений, служит коэффициент шугонасыщения:
где <2Ш — расход или объем сброшенной шуги через шугосброс;
QB — расход или объем воды, израсходованной для сброса (?ш.
На основании имеющихся, сведений для некоторых типов шуго-
сбросных сооружений->можио привести следующие примерные значения
377
Хш: вихревые шугосбросы В. С. Фокеева — 0,05; шугосброс-воронка
А. С. Дудкина — 0,075; лотковые шугосбросы А. Н. Гостунского и др.—
0,05—0,10; сифонный шугосброс Г. А. Амбарцумяна и др. — 0,142; от-
стойник-шугосброс — 0,15—0,20; шахтный шугосброс Р. М. Хачатря-
на—0,167.
§ 5. ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ И ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ ВОДОЗАБОРНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Создание современных наиболее совершенных типов водозаборных
сооружений — результат многих теоретических, лабораторных и натур-
ных исследований в течение нескольких десятилетий.
Особенно большие исследования были выполнены по изучению
вопроса борьбы с поступлением донных наносов В отверстия водозабор-
ных сооружений.
Решение этой задачи искали в углах отвода, применении порогов
разной высоты, установлении оптимальных входных скоростей, плав-
ности очертания береговых устоев, определении оптимального коэффи-
циента водозабора, послойном заборе воды путем устройства горизон-
тальной полки и т. п.
По всем видам этих исследований были разработаны многочислен-
ные рекомендации и даже созданы различные теории. Однако фактиче-
ски вопрос остался нерешенным, и в некоторых случаях авторы иссле-
дований пришли к противоречивым выводам, как, например, по вопро-
су о роли порогов, входных скоростей и др.
Опыт проектирования, эксплуатации и исследования водозаборных
сооружений показывает, что ни один из указанных приемов самостоя-
тельно не решает проблему борьбы с донными наносами, так как завле-
чение донных наносов в боковой отвод зависит главным образом от
гидравлической структуры потока, которая формируется и меняется в
зависимости от изменения условий взаимодействия русла', потока и со-
оружения. Однако эти явления недостаточно изучены и не всегда могут
быть учтены при проектировании водозаборов. Именно этим следует
объяснить неудовлетворительную работу многих, особенно ранее пост-
роенных, водозаборных сооружений.
Следовательно, для улучшения работы водозаборных сооружений
по борьбе с поступлением донных наносов необходимо наиболее полно
соблюдать принцип рациональной компоновки. В основу этого принци-
па должна быть положена идея создания желательной гидравлической
структуры потока в районе водозабора соответствующим очертанием
в плане подводящего русла, а также постоянными конструктивными
элементами самого сооружения. При этом весьма эффективно исполь-
зование таких особенностей гидравлической структуры потока, как по-
перечная циркуляция в подводящем криволинейном русле, обтекание
потоком преграды, вийтовое движение, вихревая воронка и др.
Другим, не менее важным мероприятием, способствующим улучше-
нию работы водозаборных -сооружений, является автоматизация и
использование средств телеуправления.
На эксплуатацию многочисленных водозаборных сооружений еже-
годно затрачиваются огромные средства. При этом, как показывает
практика, существующие ирригационные водозаборные сооружения во
многих случаях не отвечают запросам производства в отношении опера-
тивности водоподачи и не обеспечивают наилучщее и четкое выполне-
ние программы работы системы.
Одним из таких путей, обеспечивающих четкость и оперативность
работы ирригационных систем, является автоматизация головных и ос-
новных распределительных узлов Сооружений.
378
Имеющиеся в настоящее время технические достижения дают воз-
можность оснащать водозаборные узлы надежными системами датчи-
ков, которые, позволяют контролировать: уровни, открытие затворов,
пропускаемые расходы воды, отметки дна в опасных местах размывов
или завала наносами перед порогами головных сооружений, степень за-
полнения камер отстойников наносами и их промыв, начало выделения
внутриводного льда и обмерзания решеток, появление шуги,''движение
паводка, селевого потока и т. п.
Налаженная система оповещения и основанная на этой базе авто-
матизация производственных процессов безусловно улучшит организа-
цию службы эксплуатации, будет способствовать уменьшению числен-
ности обслуживающего персонала и стоимости эксплуатации, обеспечит
оптимальные и безаварийные условия работы водозаборных соору-
жений.
Первоочередным мероприятием в этой области является автомати-
зация работы затворов головных сооружений. Большая роль в опера-
тивном управлении водозаборными узлами должна принадлежать авто-
матическим гидравлическим затворам, регулирующим уровни и расходы
воды в бьефах узла сооружений.
В последние годы вопросам автоматизации водозабора и водорас-
пределения уделяется большое внимание. Создан ряд крупных лабора-
торий и институтов по автоматизации, например в гг. Москве, Ташкен-
те, Тбилиси, Киеве, Фрунзе и др.
Советскими учеными разработано и испытано большое количество
технических средств автоматизации водораспределения. В этой области
известны работы Г. А. Амбарцумяна, К. Ф. Артамонова, ЛМ. В. Бутыри-
на, М. Ф. Финке, Т. И. Мамышева, И. С. Меркурьева, А. Д. Разоренова,
Я. В. Бочкарева и многие другие.
В области телеуправления заслуживают внимания работы В. И. Ус,
Й. Л. Баркана, М. 3. Ганкина, В. И. Куротченко и др.
В области теоретических исследований объектов авторегулирова-
ния значительных успехов достигли Э. Э. Маковский, Б. И. Чиж,
И» Б. Хамадов и др.
В СССР построен и действует завод автоматики для ирригации в
г. Ташкенте.
Раздел 9
ОТСТОЙНИКИ
Глава XXIII
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, ОБ ОТСТОЙНИКАХ
§ 1. СТАДИИ БОРЬБЫ С НАНОСАМИ И НАЗНАЧЕНИЕ
ОТСТОЙНИКОВ
Содержание наносов в речных потоках вызывает большие затруд-
нения в гидротехническом Строительстве и наносит большой угЦерб вод-
ному хозяйству в эксплуатации гидроузлов и систем.
По имеющимся сведениям, ежегодный объем очистки оросительных
каналов и водоемов в Советском Союзе достигает 120 млн. м3 [214]. Из
этого объема около 80 мли. м3 приходится на оросительные системы. На
очистку этих систем от наносов ежегодно тратится огромное количество
средств, труда и материалов, поэтому борьба с попаданием наносов в
оросительные системы имеет важноехозя'йственногэкономическое зна-
чение. '' л '''t'JT"w4<-
Вредные действия наносов. Отрицательное действие наносов, содер-
жащихся в водных потоках^ в той или иной степени проявляется^ .всех
отраслях водного хозяйства, а именно:
а) поступление наносов вместе с забираемой водой из реки вызыва-
ет заиление каналов 'оросительных систем и приводит к значительной
потере ими пропускной способности (до 70—80%);
б) отложение наносов в узлах сооружений осложняет водораспре-
деление и ухудшает их эксплуатацию;
в) наносы вызывают заиление водохранилищ, уменьшают тем са-
мым полезный объем и сокращают срок их службы;
г) наносы истирают поверхности быстротоков, облицовки граней
водосливных плотин и, ускоряя их износ, вызывают дополнительные за-
траты на ремонт и восстановление сооружений;
д) проходя через турбины и Насосы, наносы истирают их стенки,
вследствие чего снижается коэффициент полезного действия , и срок
службы этих установок; ' - : •
е) необходимость борьбы с наносами в водозаборных узлах вызы-
вает осложнение их конструкций или же возведение специальных со-
оружений, что удорожает строительную стоимость узла;
ж) наносы, перемещаясь в русле реки, образуют косы, мели, пере-
каты и тем самым ухудшают условия судоходства, увеличивают экёпйу-
атйционные затраты и т. п. .
Стадии борьбы с наносами. Приемы борьбы с поступлением нано-
сов в ирригационные, энергетические и другие системы можно лодраз:
делить на три основные стадии (ступени), отличающиеся местом Прове-
дения их и принципами воздействия на режим наносов отдельных видов
сооружений и мероприятий.
1. Борьба с Наносами в верховьях рек заключается в.
ослаблении эрозионных процессов, которые слуЖат-ирЙчиной образова-
ния и поступления наносов в речные системы. ' '
Наиболее эффективны следующие меры борьбы с эрозией в вер-
ховьях рек: поперечная вспашка посевных площадей; закрепление овра-
гов и осыпей; укрепление склонов и тальвега растительностью;^устрой-
380
ство нагорных каналов для захвата и отвода ливневых и весенних' та-
лых вод; зарегулирование мелких притоков, дающих обильный вынос
наносов, путем уменьшения продольного уклона устройством запруд
или укреплением русла одеждами и т. п.
Указанные мероприятия весьМа эффективны! и относятся к числу
осцовныхййётодов борьбы с наносами. Однако, несмотря на это, они не
получили еще повсеместного распространения, так как проведение их
требует длительного времени и большие капитальных затрат.
2. Борьба с наносами, содержащимися в речном
потоке, ведется на подходном к водозаборному узлу участке реки, в
пределах водозаборного узла перед входом в канал и в нижнем бьефе.
На подходном участке и в нижнем бьефе борьбу с наносами в ос-
новном ведут методами регулирования русл. .
Чтобы уменьшить поступление Донных наносов в каналы^ в преде-
лах водозаборного узла предусматриваются специальные мероприятия,
как, например, искривление подводящего русла для создания поперечной
циркуляции; отстаивание наносов в карманах и последующий сброс их
в нижний бьеф; дойные и поверхностные направляющие устройства; на-
носоперехватывающие и промывные, галереи и др. В общем водозабор-
ные сооружения проектируют так, чтобы они в достаточной степени га-
рантировали магистральный канал оросительной или энергетической
системы от поступления в них донных и крупных взвешенных наиосов.
3. Борьба с наносами, завлеченными в канал вме-
сте с забираемой водой, ведется в;основном на магистральном
канале.-;Z- ’ ' ' *
В большинстве случаев.ц водозаборных узлах не представляется
возможным полностью задержать или отвеети нежелательные фракции,
поэтому вместе с забираемой водой из реки в систему поступает значи-
тельное количество наносов разных фракций.
Более крупные фракции задерживаются иа начальном участке ка-
нала, и, несмотря на небольшой их объем по отношению ко всему объ-
ему взвешенных наносов, они весьма вредно отражаются на водообес-
печенности системы. Для борьбы с такими наносами на каналах
устраивают отстойники, песколовки, граДиеловки и др.
Назначение отстойников. Основное назначение отстойников при ис-
пользовании водной энергии состоит в том, чтобы предохранить гидро-
гурбинЫ'Деривационных гидроэлектростанций от истирания взвешенны-
ми в воде наносами крупных фракций, а в оросительных, системах пре-
дотвратить заиление магистральных и распределительных каналов.
При нормальной работе отстойников должны обеспечиваться:
а) осаждение ц камер ах фракций, которые вредны для гидротурбин
или опасны для оросительных систем с точки зрения заиления;
б) регулярное удаление на носов,из отстойника с минимальной за-
тратой воды и энергии;
,в ) поступление воды в канал с допускаемыми скоростями и в коли-
честве, отвечающем запроектированному графику работы системы;
. г) отстаивание и сброс в нижний бьеф шуги (при небольшом коли-
честве ее).
Следовательно, в отстойниках осаждаются не все поступающие в
них наносьг, так как часть мелких фракций может быть пропущена че-
рез турбины или же вынесена на поля в качестве удобрения.
§ 2. ОСНОВНЫЕ. ЭДЕМЕНТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ ОТСТОЙНИКОВ
Отстойники представляют собой расширенные и углубленные .(по
сравнению с каналом) бассейны, в которых обеспечивается движение
воды с малыми и равномерно распределенными в поперечном сечении
38 I
скоростями, вследствие чего происходит осаждение донных и в основном
взвешенных наносов.
Элементы отстойника и их назначение. Основные элементы отстой-
ника [183], согласно ТУ 24-110-48, показаны на рисунке 295.
Промывной коллектор 13 и промывной канал 14 вместе составляют
грязеспуск, а комплекс промывных сооружений, включающий про-
мывные галереи и грязеспуск,— промывное устройство.
Рис. 295. Схема многокамерного отстойника с периодическим промывом наносов:
1 — подводящий канал; 5 — распределительный канал (аванкамера) для подвода воды к камерам
отстойника н распределения ее между ними; 3 — входной порог, через который вода поступает
в отстойник; 4 — устои, сопрягающие отстойник с берегами; 5 — верховой переходный участок, в пре-
делах которого проводят углубление отстойника; 6 — камеры для осаждения даносов; 7 — раздель-
ные стееки, разделяющие отстойник на отдельные камеры; 8 — йнзовой переходный участок; 9—вы-
ходной порог, через который вода выходит из отстойника; 10—промывные галереи, через которые
удаляются задержанные в камерах наносы; И — собирательный канал; 12 — магистральный (отво-
дящий) кацал, по которому осветленная вода подается потребителю; 13— промывной коллектор,
принимающий наносы из промывных галерей; 14— промывной или грязевой канал для отвода уда-
ляемых из отстойника наносов в нижний бьеф головного узла или в другое место.
В зависимости от типа и конструкции отстойника некоторых частей
его может не быть или же в него могут входить новые элементы^
Основные размеры отстойника:
LK — общая длина камеры отстойника, определяемая от конца
входного порога 3 до начала выходного порога 9;
Ар — рабочая длина камеры, равная расстоянию от конца верхово-
го переходного участка 5 до начала низового переходного
участка 8, то есть общая длина камеры без переходных уча^
стков 1\ и lz,
В? — рабочая ширина отстойника или отдельных его камер в свету;
Н — полная глубина в начале рабочей части камеры, соответству-
ющая нормальному уровню воды в отстойнике;
Нр — расчетная глубина, отсчитываемая от нормального уровня во-
ды в отстойнике до проектной отметки отложений наносов;
Лм — высота мертвого объема, заполненного наносами в период
между промывами, равная Н—Нр.
Классификация отстойников. Отстойники подразделяются:
а) в зависимости от назначения системы — на отстой-
ники ГЭС, оросительных систем и водоснабжения;
б) по месту расположения—на совмещенные с водопри-
емником и расположенные на трассе канала;
382
в) по числу камер — на однокамерные, двухкамерные и мно-
гокамерные;
г) по способу удаления наносов — на отстойники с пе-
риодическим гидравлическим промывом, непрерывным гидравлическим
промывом, механической очисткой и комбинированные.
Отстойники с механической очисткой в комбинации с гидравличе-
ским промывом применяют значительно реже ц в основном на ороси-
тельных системах.
§ 3, ВЫПАДЕНИЕ НАНОСОВ В ОТСТОЙНИКЕ И СТЕПЕНЬ
ОСВЕТЛЕНИЯ ЗАБИРАЕМОЙ ВОДЫ
Процесс выпадения наносов. Установление степени осветления по-
тока непосредственно связано с процессом выпадения наносов по длине
отстойника. Этот процесс весьма сложный и зависит от многих пере-
менных факторов.
Рис. 296. Основные - факторы, определяющие выпадение наносов
В отстойнике.
Влияние характера распределения скорости по
вертикали. В отстойниках эпюра продольных скоростей может быть
получена более выровненной, чем в реках, однако Донные скорости все.
же будут меньше, чем средние и поверхностные. При условии постоян-
ства вертикальной скорости, равной гидравлической крупности (fBep =
= и>) влияние переменной горизонтальной скорости огор, приводит к
криволинейной форме траектории частицы 1 (рис. 296,а,линия/—2—3)
с перегибом на уровне максимальной огор .
При допущении, что v в(р —w и огор = оср , движение частицы / бу-
дет равномерным, й траектория ее представляет прямую линию /—3,
наклоненную к горизонту под углом а, определяемым из выражения
tga=a>:tv»p . Условие игор = усР при расчете отстойников отражается
только на форме траектории падения частиц наносов, но на длине; пути
осаждения их не сказывается.
Неравномерность распределения скоростей по ширине отстойника
также даст различие траекторий выпадения одинаковых частиц нано-
сов, находящихся на различном расстоянии от стенок камеры от-
стойника.
Наблюдения показывают, что неравномерность поля скоростей в
камере значительно ухудшает условия работы отстойника. Поэтому для
правильной работы отстойника необходимо обеспечить равномерное
распределение скоростей в камере.
383
Влияние турбулентности потока. Движение воды в от-
стойнике имеет турбулентный характер. Шероховатость дна отстойника
или поверхность отложившихся Наносов служат истопниками Вихреоб-
разования и вйхреотделения, которые вызывают в потоке вторичные
(поперечные) перемещения масс жидкости, увлекающие за собой И ча-
стицы наносов.
Наиболее сильное влияние вторичных течений потоков на переме-
щение частиц наблюдается в придонных слоях, по мере удаления от дна
и стенок оно постепенно затухает. Таким образом, турбулентность пото-
ка увеличивает дальность выпадениячастиц и Приводит к форме траек-
тории 1—4, выпуклой книзу. Пренебрежение этим факторам при расче-
тах приводит' к недостаточной длине, отстойника.
Влияние распределения- наносов ПО глубине и
длине отстойника. По глубине потока наносы распределяются
неравномерно. В нижних слоях их Содержится больше, чем в средних и
верхних, при этом средний размер фракций также увеличивается по ме-
ре приближения ко дну (рис. 296,б). Это объясняется наличием в ниж-
них слоях потока интенсивных, вторичных течений, в частности течений,,
направленныХ-вверх^с различной скоростью и. *
Частица наносов; гидравлическая крупность которой равна w, бу-
дет подвешена б иотоке, если она находится в объеме воды, перемеща-
ющемся вверх со скоростью «=о>. При u>w эта частица будет переме-
щаться вверх со скоростью, равной и—- w, или будет падать со скоро-
стью W — и При u<w.
Таким образом, большая часть нано(соф.-.д.!.наиболее крупные их
фракции, имеющие большие, величины.'. ГЩкравЛДПёф^^ ^крупности w,
находятся в нижних и средних слоях Потока. Эго'прйШгщ^^к^йеаьше-
нию высоты и сокращению Времени падения основной массы Частиц,
осаждаемых .в отстойнике, и, следовательно, к уменьшению расстояния,
необходимого для их выпадения.
По Длине отстойника суммарное содержание наносов, находящихся
во взвешенном состоянии, постепенно уменьшается, и это происходит в
первую очередь за счет выпадения наиболее крупных фракций в начале
камеры (рис. 296,в). При этом в каком-то поперечном сечении отстой-
ника транспортирующая способность потока может оказаться равной
количеству оставшихся во взвешенномх состоянии наносов. Это означает,
что дальнейшее выпадение наносов Прекращается и оставшееся коли-
чество будет находиться во взвешенном состоянии. Такое положение
.-приводит к форме траектории /—5. :
Все рассмотренные факторы, влияющие на процесс'выпадения на-
носов, в свою очередь непрерывно изменяются ввиду постепенного и не-
равномерного заиления камеры. - - т
Недостаточная изученность и невозможность Комплексного учета
рассмотренных факторов привели к необходимости создания 'Прибли-
женных методов расчета отстойников, основанных нН ряде упрощаю-
щих допущений. - ' . - .
Установление степени осветления воды. Установление доли осаж-
дения взвешенных наносов (степени осветления) и размеров вредных
фракций зависит от Характера использования воды.
Более полное осветление воды требуется' при водоснабжении;
оно достигается при вторичном отстаивании с коагулированием И
фильтровании на очистных сооружениях системы водоснабже-
ния. - '
В отношении осветления воды наименьшие требования предъявля-
ются к отстойникам^Гидроэлектростанций. Крупйость фракций наносов,
которые могут допускаться -в гидротурбины, Назначают в зависимости
от конструкции турбины, напора,-количества и минералогического со-
става наносов. '
384
Согласно ТУ и НП 24-110-48 [183], в тех случаях, когда турбины не
имеют специальных устройств для защиты от истирания, предельная
минимальная крупность фракций наносов, на осаждение которых про-
ектируется отстойник, не должна,- как правило, превышать. 0,25 мм.
Для ГЭС с напором меньше 40 м, при содержании наносов в потоке
до 5 г/л и отсутствии среди наносов кварцевых частиц минимальная
крупность может быть повышена до 0,4 мм.
В тех случаях,'когда турбины снабжены специальными устройства-
ми для защиты от истирания, предельная минимальная крупность мо-
жет быть повышена до 0,7 мм.
Установление степени осветления и размера вредных фракций на-
носов— достаточно определенная задача при подаче воды для водо-
снабжения и ГЭС, чего нельзя сказать при подаче воды на орошение.
Одно из основных условий бесперебойной подачи воды в ороси-
тельную систему, согласно графику водопотребления, — сохранение про-
ектных размеров поперечных сечений каналов. Это условие может быть
соблюдено при отсутствии заилений или размывов всех звеньев системы.
Интенсивность заилений и размывов русел каналов в основном зави-
сит от мутности поступающей воды в систему и транспортирующей спо-
собности потока в каналах. При поступлении в канал потока с мутно-
стью, большей, чем его транспортирующая способность, излишняя часть
наносов выпадает и происходит заиление, а в случае поступления потока
с мутностью, меньшей его транспортирующей способности, может про-
изойти размыв русла. Следовательно, основное назначение отстойника
оросительных систем состоит в том, чтобы обеспечить регулирование мут-
ности воды, выходящей из отстойника, то есть не допустить как недоста-
точного осветления, так и переосветления потока.
В связи с этим важное значение имеет изучение режима наносов во
всех звеньях оросительных систем для установления их фактической
транспортирующей способности и оптимального осветления воды в от-
стойнике.
Исследования, проведенные экспедицией ВНИИГиМ. на канаде
Куль-Арык, и анализг работы других каналов среднего течения реки
Амударьи, выполненный проф. А. Г. Хачатряном [206], показали, что на
магистральных каналах этих систем мутность сохраняется в пределах
2,0 —2;5 кг/м3. По мере забора воды и уменьшения размеров канала
происходит закономерное падение мутности по длине. В мелких каналах
на орошаемые поля транспортируется до 1,5 кг/м? наносов, что состав-
ляет около 20—25% всего количества взвешенных наносов, поступающих
в голове магистрального канала.
Оросительные системы работают при переменном расходе, в связи
с чем изменяется, и транспортирующая способность каналов. Поэтому
требование постоянного процента осветления воды в отстойниках для
всего оросительного сезона нельзя считать.обоснованным. При правиль-
ной работе отстойника мутность выходящей воды должна соответство-
вать фактической транспортирующей способности нижележащих ка-
налов.
В соответствии с рассмотренными выше особенностями работы ир-
ригационные отстойники должны удовлетворять следующим требова-
ниям: л. -
а) обеспечивать осаждение всех фракций наносов, которые поток
не в состоянии транспортировать на орошаемые земли или до тех ка-
налов, заиление доторых нежелательно;
б) не допускать осаждения в них мелких полезных фракций наносов,
которые могут быть вынесены потоком на орошаемые земли;
в) обеспечить оперативное регулирование мутности потока, выходя-
щего из отстойника, в соответствии с транспортирующей способностью
каналов; -
25-1659
385
г) максимально использовать энергию водного потока для очистки
отстойника от наносов гидравлическим промывом;
д) создать необходимые условия, гарантирующие высокую произ-
водительность машин, занятых на очистке отстойника, и удобства раз-
мещения отвалов.
Следует отметить, что достижение полной незаиляемости всех ка-
налов оросительной системы не всегда может оказаться лучшим реше-
нием. В некоторых случаях для увеличения количества выносимых на
орошаемые земли наносов может быть целесообразно повысить мутность
потока в мелкой постоянной сети, допуская даже некоторое ее заиление,
если удаление наносов из этих каналов не представляет особой трудно-
сти и может быть механизировано.
/
§ 4. ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ОТСТОЙНИКОВ, И НЕОБХОДИМЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Задачи и состав исходных данных при проектировании отстойников^
в значительной Степени зависят от типа отстойника, месторасположе-
ния, способа очистки, от класса сооружения и стадии проектиро-
вания. ,
При проектировании отстойников на основе результатов проведенных
изысканий и исследований рассматривают следующие вопросы:
1) устанавливают исходные данные для проектирования: отметки
верхнего и нижнего бьефов;'величины промывного расхода; предельные
значения мутности потока, поступающего в-систему; механический, со-
став взвешенных наносов и др.; ' -
2) окончательно выбирают место расположения и тип отстойника на
основании технико-экономического сопоставления различных вариантов,
наиболее полно удовлетворяющих рассматриваемым условиям;
3) определяют основные размеры отстойника (глубину, длину и ши-
рину) и устанавливают схему сопряжения его с водоприемником и с во-
дотоком, в который сбрасываются наносы;
4) выполняют гидравлические расчеты и устанавливают размеры
сооружений промывного тракта (при гидравлическом промыве) или вы-
бирают тип машин по очистке (при механическом удалении наносов);
5) устанавливают на основании детальных расчетов размеры и кон-
струкции всех частей и элементов сооружения (устоев, стенок, затворов,
фундаментов);
6) разрабатывают методы производства работ по постройке отстой-
ника;
7) определяют объемы работ и их стоимость;
8) устанавливают схему эксплуатации отстойника.
При уточнении состава и объема' работ по стадиям проектирования
пользуются инструкцией соответствующей инстанции, утверждающей
проект.
Для обоснования проекта отстойника необходимо проводить специ-
альные изыскания и гидрологические исследования водотока, в процессе
которых устанавливают:
1) колебание уровней и расходов воды в реке и их обеспеченность;
2) колебание мутности и температуры воды в реке в зависимости
от времени года и расхода водотока;
3) фракционный состав наносов, их физические и химические свой-
ства; •
4) количество донных наносов в реке, их состав, намечаемые меро-
приятия в пределах водозаборного узла по борьбе с поступлением на-
носов в канал, ожидаемый эффект;
5) уклон свободной поверхности в реке на участке от входа в канал
до предполагаембТо места сброса промывного расхода;
386
6) график потребления воды из отстойника и колебание глубины
воды в канале на участке выше и ниже отстойника;
7) транспортирующую способность потока в подводящем и отводя-
щем каналах отстойника;
8) топографию местности в районе расположения отстойника, сброс-
ного тракта, отвалов Наносов от геханической очистки и характеристики
грунтов. ,
Для различных типов отстойнихов и условий их работы соответст-
венно меняется и состав необходимых данных. Например, для отстойника
с удалением наносов только механическим способом не нужны данные
об уклоне свободной поверхности в реке, но требуются дополнительные
данные о типах применяемых машин для очистки (размеры, произво-
дительность, необходимые условия высокопроизводительного использо-
вания и др.).
При проектировании отстойников оросительных систем нужны до-
полнительные сведения о наличии и месторасположении внутрисистем-
ных отстойников, транспортирующей способности каналов ороситель-
ной системы, о количестве и химическом составе наносов, взносимых
на поля орошения, и др.
Глава XXIV
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТЫ ОТСТОЙНИКОВ
§ 1. КОНСТРУКЦИИ ОТСТОЙНИКОВ-С ПЕРИОДИЧЕСКИМ
ПРОМЫВОМ НАНОСОВ
В рассматриваемом типе отстойников оседание взвешенных на-
носов протекает в течение некоторого периода времени и сопровож-
дается образованием отложений на дне отстойника (рис. 295). По мере
заиления камеры скорость течения в ней увеличивается, в связи с этим
постепенно возрастает и мутность потока, выходящего из отстойника.
Когда слой отложений достигнет предельной величины, при которой
вредные фракции наносов начнут завлекаться в магистральный канал,
наносные отложения смывают из отстойника.
Частота промыва зависит от размеров отстойника, величины рас-
хода и мутности воды, забираемой из реки. Оптимальная частота про-
мыва отстойника в обычных условиях колеблется от одного раза в сут-
ки до одного раза в неделю. В^ериод наибольшей мутности воды (в па-
водок) допускается увеличение частоты промыва до двух раз в сутки.
Типы отстойников с периодическим промывом. В зависимости от
условий промыва наносов и условий эксплуатации применяют однока-
мерные, двухкамерные и многокамерные отстойники (рис. 297).
Однокамерные отстойники (рис. 297, а) применяют толь-
ко при определенных условиях, так как они не обеспечивают непрерыв-
ной подачи осветленной воды в систему.
ПромВв осевших в отстойнике наносов при одновременной подаче
воды в систему вследствие незначительного увеличения скоростей в
камере оказывается малоэффективным, весьма длительным и сопро-
вождается поступлением части вредных наносов в магистральный ка-
нал. Поэтому однокамерный отстойник обычно промывают по прекра-
щении подачи воды в систему.
Эта особенность не исключает применения однокамерных отстой-
ников в орошений, если кратковременное прекращение подачи воды
в систему может быть компенсировано увеличением подаваемого рас-
хода воды после проведения промывд. При этом чем больше длина и
емкость холостой части магистрального канала, тем меньше влияние
кратковременного прекращения пбдачи воды на работу системы.
' 387
В случае использования воды -на ГЭС однокамерный отстойник
можно, применять лишь тогда, когда за ним удается создать резервуар
необходимой емкости, позвойяющий регулировать подачу воды на ГЭС
согласно графику нагрузки.
При работе однокамерного отстойника с прекращением подачи во-
ды в систему в период промыва головной регулятор и подводящий ка-
нал рассчитывают на пропуск наибольшего рабочего расхода, то есть
Фйод = QpaC- ,
Однокамерный отстойник с обводным каналом
(рис. 297, б) позволяет непрерывно подавать, воду в систему, не мешая
Рис. 297. Схемы отстойников с периодическим промывом наиосов:
а — однокамерный; б — однокамерный с обводным каналом; в — двухкамерный; г — многокамерный;
/ — плотина: 2 —головное сооружение; J —подводящий канал; 4 — аванкамера; 5 — затворы отстой-
ника; 6 — камера отстойника; 7 — затвор промывной галереи; 8 — промывной коллектор: S —магист-
ральный канал; 10 — обводной канал; 11 — раздельная стенка.
процессу промыва, и выключать камеру отстойника на период осмотра
. и ремонта.
Во время промыва или ремонта камеры в систему подается неосвет-
ленная вода по обводному каналу. Чтобы уменьшить количество на-
носов, поступающих в систему, камеру следует промывать в часы по-
дачи пониженных расходов. Это позволяет более экономично запроек-
zтировать головной регулятор и подводящий канал, рассчитываемые на
сумму промывного и наибольшего рабочего расхода, то есть . QnOfl =
~ Qnp 4" Qpa6 •
Такой тип отстойника применяют в тех случаях, когда кратковре-
менный пропуск неосветленной воды в систему не будет иметь сущест-
венного значения.
Однокамерные отстойники обычно применяются при расходах по-
дачи до 10 мР/сек.
Дйухкамерный отстойник (рис. 297,в), как более совер-
шенный, позволяет непрерывно подавать осветленную воду в систему.
Расчет отстойника можно выполнить в двух вариантах:
1) каждую камеру рассчитывают на пропуск полного расчетного -
расхода магистрального канала; . ,
2) каждую камеру рассчитывают на пропуск половины расхода ма-
гистрального канала. - . .. , .
Первый вариант обеспечивает возможность выключения из рабо-
ты каждой камеры и проведения промыва в любое время. ' 4
388
Многокамерный отстойник в работе.
Второй вариант 'обеспечивает нормальную работу отстойника лишь
нри одновременной работе обеих-камер; а во время промыва одной из
них другая работает’ на полный расход с повышенными скоростями. В
этом случае для уменьшения поступления наносов в систему промыв
рекомендуется проводить в часы подачи пониженных расходов.
Головной регулятор и подводящий канал рассчитывают на пропуск
Фпод — Qnp+Qpa6 ~ (1 >5 — 2) Qpa6 ••
Многокамерный отстойник (рис. 297, г) обеспечивает не-
прерывную подачу осветленной воды и применяется при больших рас-
ходах, когда увеличение размеров однокамерного или’ двухкамерного
отстойника вызывает значительное увеличение длительности промыва,
сопровождающееся повышенным поступлением наносов в магистраль
и нерациональным расходованием воды на промыв.
Многокамерные отстойники по конструкции камер аналогичны
двухкамерным. Каждую камеру обычно рассчитывают на пропуск доли
наибольшего рабочего расхода, соответствующей числу камер, то есть
Скам = %5 , где N— число камер.
Л
Камеры промывают по очереди, и при промыве одной из камер дру-
гие работают с; перегрузкой в ~—у раз.
Головной регулятор и подводящий канал рассчитывают на пропуск
Фпод = Фкам 1) •
При заборе воды из реки, имеющей длительный паводок и высокую
' мутность потока, рекомендуется устраивать запасную камеру, исключа-
ющую перегрузку.
Для уменьшения размеров аванкамеры многокамерные отстойники
располагают И плане под некоторым углом к подводящему каналу.
Однако недостатком этой конструкции является косой ввод воды в ка-
меры и Неравномерное распределение расхода воды и ианосов по ка-
мерам. ' . [ ' , .
Конструирование и повышение эффективности работы отстойников.
Эффективность работы отстойников в значительной степени зависит от
гидравлических условий подхода' потока к отстойникам, равномерности
389
распределения поступающей воды между камерами и равномерности
. поля скоростей в камерах.
Чтобы обеспечить благоприятные гидравлические условия во вход-
ной части отстойника, проводят следующие конструктивные мероприя-
тия:
а) устраивают прямолинейный участок трассы канала перед вхо-
дом в отстойник;
б) создают плавный переход от сравнительно узкого канала к ши-
, рокому и глубокому сечению отстойника без образования водоворотных
зон; для этого в пределах аванкамеры обеспечивается расширение по-
тока в плане под углом не более 22—26°, а в пределах верхового переход-
ного участка — расширение струи по глубине с уклоном дна, равным
1 :2,5-н 1:3;
в) придают камере прямоугольную форму в плане;
г) увеличивают число вспомогательных быков и входных отвер-
стий, которые способствуют выравниванию направления скоростей те-
чения;
д) устраивают в пределах аванкамеры раздельные стенки, обеспе-
чивающие равномерное распределение расхода воды между камерами;
е) устанавливают на верховом переходном участке камеры струе-
распределительные решетки с горизонтальными или вертикальными
стержнями из труб диаметром 55—83 мм. Как правило, решетки ставят
в 2—3 ряда на расстоянии 1,5—2 м друг от друга. Равномерное распре-
деление скоростей по 'всей глубине камеры достигается более частым
расположением стержней в зоне максимальных скоростей. Расстояние
между стержнями принимают в среднем от 0,1 др 0,3 ж. Стержни рас-
станавливают на основании результатов предварительный "лаборатор-
ных исследований иЛи же в натурных условиях в пусковой период. При
правильном применении таких решеток можно достигнуть отличных
результатов.
Для улучшения условий промыва и ускорения его процесса реко-
мендуется:
а) обеспечить работу промывного тракта без подтопления его вы-
ходного отверстия со стороны реки при любых уровнях в период па-
водка;
б) в широких камерах применять секционирование путем устройст-
ва дополнительных раздельных стенок на высоту, несколько превыша-
ющую отметку отложения наносов;
в) придавать дну камеры уклон порядка 0,02—0,05, прямой или
обратный (камеры с обратным уклоном применяют, когда в составе
наносов преобладают частицы крупных фракций, При этом промывные
галереи устраивают в начале камеры, а промывной расход подается че-
рез специальные водоводы, которые открываются в конце камеры); .
г) оборудовать входные, выходные и промывные отверстия затво-
рами, снабженными индивидуальными подъемниками, обеспечивающи-
ми быстрое маневрирование и удобство эксплуатации отстойника. •
Следует отметить, что для улучшения и ускорения процесса перио-
дического промыва наносов еще слабо используется внутренняя струк-
тура самого потока.
1
§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ОТСТОЙНИКА
С ПЕРИОДИЧЕСКИМ ПРОМЫВОМ
Основные положения методики расчета. Наиболее важные иссле-
дования в области разработки теории и практических методов.расчета
выполнены советскими ученымй Я. Соколовым, Е. А. Замариным,
М. А. Великановым, А. Н. Гостунским,, И. И. Леви, А. П. Зегждои,
А. Г. Хачатряном, С. Ф. Савельевым и др.
390
Сложность точного учета' ряда основных факторов, влияющих на
динамику осаждения наносов в турбулентном потоке, послужила при-
чиной поязления методов расчета отстойников, Основанных на исполь-
зовании теории вероятности. Наиболее полную разработку получило
предложение проф. М. А. Великанова рассчитывать длину отстойника и
время его заиления на вероятность (обеспеченность) осаждения нано-
сов заданной крупности. Это предложение положено в основу принятой
в ТУ и НП [183] методики расчета и заключается в следующем.
При отсутствии турбулентного перемешивания частицы, падающие
в потоке со скоростью, равной гидравлической крупности w, и.проходя-
щие через начальный створ на высоте h, выпадают на дно на расстоя-
нии L, определяемом из условия:
L = A v, (379)
W
где v — средняя скорость потока в отстбйнике.
В турбулентном потоке под воздействием вертикальных восходящих
и нисходящих скоростей вторичных течений частицы будут двигаться
по сложной траектории. Теоретические соображения о равновероятности
отклонений в обе стороны и специальные экспериментальные исследо-
вания, выполненные С. Ф. Савельевым, позволили М. А. Великанову ут-
верждать, что кривая, распределения этих отклонений цодчиняется зако-
ну «нормального» распределения, выражаемому уравнением кривой
Гаусса:
у = —(380)
<т
где у — плотность распределения;
х—вертикальное отклонение от горизонтальной траектории ча-
стиц на расстоянии L от начального створа;
о — среднеквадратичное значение этого отклонения.
Выпадение частицы на дно в пределах расстояния L от начала
створа будет обеспечено, если ее начальная высота положения над
дном и высота вертикального отклонения частицы потоком в сумме бу-
дет меньше высоты ее падения от собственного веса, то есть
х~р или х < — h. (381)
о о
Каждое значение х имеет определенную частоту, устанавливаемую
выражением (380). Следовательно, для определения вероятности выпа-
дения частицы на расстоянии L от начального створа следует просумми-
ровать частоты при всех значениях х, удовлетворяющих зависимости
(381), то есть проинтегрировать выражение (380) в пределах от х —
Lw ,
— — оодох=-—- —п:
v
I е dx. (382)
|/2л о
Вероятность. Р выпадения частиц заданной крупности характери-
зуется отношением -количества наносов G, осевших на длине L, к их ко-
личеству Gq в исходном створе и при введении обозначений:
—= Х, (383)
2<Т2 \ О / 7
391
будет окончательно определяться выражением:
х
— | е at.
л J
G
Go
(384)
В выражение для % входит среднее квадратичное отклонение а, ве-
личина которого пока еще не поддается теоретическому определению.
Опытами Савельева, Попова и Сокерина в лаборатории ВНИИГ им.
Б. Е. Веденеева и в натуре приблизительно установлено, что 1:о]/2=
=2,73]/rLA. Тогда для значений величины X. можно написать следую-
щую формулу:
(385)
которая и была принята для рекомендуемой в'ТУ и НП методики расче-
та длины отстойника.
Численные значения вероятности, определяемой формулой (384),
приведены в таблице 30.
Таблица *30
X % X Р. % Р. % X Р. %
—2,0 0,2 —0,8 12,9 б • 50.0 ' 0,8 : 87,1
—1,5 1,7 —0,7. 16,1 0,1 55,6 6,9 89,8
—1,4 2,4 -0,6 - 19,8 0,2 61,1 * 1,0 ' 92,1
—1,3 3,3 1 —0,5 24,0 0,3 66,4 1,1 .94,0
—1,2 ’ 4,5 —0,4 28,6 0,4 71,4 1,2 95,5
-1,1 6,0 —0,3 33,7 0,5 76,0 1,3 96,7
—1,0 7,9 —0,2 38,9 0,6 80,2 1,4 97,6
—#9 10,2 —0,1 44,4 0,7 83,9 1,5 2,0 98,8 99,8
При этой методике расчета по заданной обеспеченности осаждения
наносов Р с помощью таблицы 30 определяется значение Л : Расчетная
длина отстойника устанавливается формулой (385) по заданной гидрав-
лической крупности наносов w, осаждаемых в отстойнике, средней ско-
рости потока v и высоте падения частицы h. ,
Для упрощения расчета условно принимается равномерное распре-
деление наносов по глубине потока в начальном створе. Вследствие это-
го наблюдается некоторое1* повышение средней высоты положения нано-
сов различных фракций и соответственно некоторое увеличение 'рас-
четной длины отстойника. При таком допущении выражения (384) и
(385) несколько видоизменяются и приводятся к виду, облегчающему
их практическое использование. .
Для удобного использования основных расчетных зависимостей со-
ставлены графики P=f при различных значениях отношения ~ и ,
уклона дна отстойника (рис. 298—303).
В рассматриваемом методе, основанном на применении кривых
распределения, не учитываются непостоянство скоростей nd, глубине и
ширине потока, усиление турбулентности в средних и особенно нижних
слоях потока, величина транспортирующей способности потока и не-
равномерность распределения крупности наносов по глубине.
Следует отметить, что рассматриваемый метод расчета имеет суще-
ственные преимущества по сравнению с обычно принятым, при котором
расчет ведется только на заиление отстойника теми фракциями, кото-
392 - ' ,
рые подлежат осаждению. Рассматриваемый метод учитывает заиление
отстойника каждой из фракций, содержащихся в потоке с соответствую-
щей обеспеченностью.
Порядок расчета по определению основных размеров отстойника.
Эту задачу решают путем технико-экономического сравнения ряда ва-
риантов, рассчитанных для нескольких предварительно заданных зна-
чений: полной глубины отстойника Н и средней скорости течения в
нем и.
принимают равной 4,5—6,5 м. Глубину отстойника следует назначить
возможно меньшей, чтобы получить наименьшую стоимость отстойника
(за счет устоев и раздельных стенок).
Расчетную глубину отстойника (рис. 295) вычисляют так:
Нр - Н - h№, (386)
где hi — высота мертвого объема, заиляемого в период между про-
мывами.
Окончательно численное значение hu выбирают на основании рас-
четов времени заиления отстойника; предварительно его можно прини-
мать равным 25—30% полной глубины воды в начале рабочей части
отстойника, то есть
Лм = (0,25-^0,30)7/. (387)
Пределы изменения величины средней скорости при расчетах при-
нимают в зависимости от предельной минимальной крупности наносов,
которые необходимо задержать в отстойнике. При диаметре осаждае-
мых фракций 0,25 0,40 мм величина средней скорости выбирается в
пределах п=0,25—0,50 м/сек, при диаметре до 0,7 мм значение v = 0,7—
0,8 м/сек. Большие значения и принимают при преобладании в по-
токе более крупных фракций.
Длина камеры отстойника LK складывается из рабочей части и дли-
ны переходных участков Ц и 12. Длину переходных участков устанавли-
вают на основании гидравлических лабораторных испытаний модели от-
стойника или по аналогии с построенными сооружениями. При предва-
рительных расчетах,.наклон дна верхового переходного участка обычно
принимают равным 1 :2,5—1 : 3.
Расчет рабочей длины камеры Lp выполняют на обеспеченность Р
осаждения наносов заданной крупности по методике проф. М.. А. Вели-
канова.
26—1650
393
Требуемый процент обеспеченности осаждения, как правило, зара-
нее не задается, а назначается на основе анализа кривой зависимости
Р = f(— ).При выполнении расчетов процент обеспеченности выбирают
'Лр/
в пределах 80—90%; при малом количестве наносов рекомендуется
принимать значения процента обеспеченности, близкие к нижнему пре-
делу. Для сооружений III класса допускается принимать требуемый
процент обеспеченности равным 85%.
Гидравлическую крупность w принимают в зависимости от разме-
ров фракций и температуры воды по таблицам 26 и 27. Для каждого
интервала фракций следует принимать минимальное значение круп-
ности.
Дну камер рекомендуется придавать прямой или обратный уклон
порядка 0,005—0,02; обратный уклон предпочтителен в случае преобла-
дания крупных фракций.
В соответствии с методикой, изложенной выше, рабочую длину ка-
меры Lp определяют в такой последовательности.
1. Устанавливают исходные данные для расчета:
а) рабочий расход отстойника Qp;
б) фракционный состав наносов, поступающих в отстойник, с ука-
занием процентного и весового содержания каждой фракции;
в) уклон дна отстойника io.
2. В зависимости от требуемой степени осветления воды выбирают
минимальную крупность dMilH фракций наносов, которые необходимо
задержать в отстойнике.
3. По принятому для расчета фракционному составу устанавливают
количество поступающих в отстойник наносов 2(G()0 кг/сек крупно-
стью выше б/мин с разбивкой на фракции (GJo, (G2)0•..(G„)o.
4. Для каждой из подлежащих осаждению фракций наносов опре-
деляют по таблицам 26 и 27 меньшее значение гидравлической крупности
Wi, w2 ... wn.
5. Согласно принятому значению dM11H, назначают величину средней
скорости потока v в отстойнике и для каждой из фракций подсчитыва-
W, w2 w„
ют отношение —— ... —
v v V
6. Задаются рядом значений отношения (обычно 0,20; 0,15;
Гр
0,10; 0,075; 0,050; 0,025). При каждом из отношений для известных зна-
чений —, — ... — определяют по графику P — f (— j (рис. 298) обе-
спеченность осаждения (Рг)к путем интерполяции по кривым для бли-
жайших значений — .
v
1. Для каждой из фракций подсчитывают количество наносов, осе-
дающих при каждом из заданных отношений
Гр
по формуле;
(<?()к = (<?()о кг/сек.
(388)
8. Для каждого заданного отношения —— подсчитывают суммар-
Гр
ное количество оседающих наносов Z (G,)K и определяют общую обес-
печенность по формуле:
Рк=100 (389)
2. (Gz)o
394
Результаты вычислений по определению Рк для каждого отношения
удобно свести в таблицу 31.
£р
Таблица 31
Гр Яр (я;)к % при (g i) к. кг/сек 2 (G;)k Pk
te»i V wt V •.. V (G,). (G2), . . . (Gn),

9. По результатам вычислений строят график зависимости общей
обеспеченности Рк от отношения-^-, то есть который слу-
Яр \ Яр /
жит для выбора приемлемого процента обеспеченности Р. Ординату Р
определяют точкой на кривой графика, начиная от которой кривая ста-
новится более пологой и дальнейшее повышение обеспеченности вызы-
Ld
вает значительное увеличение отношения ——, а следовательно, при
Яр
данном Нр и длины отстойника Lp .
Установив таким образом Р и N, остается выбрать рабочую глуби-
ну отстойника и подсчитать его длину. Следует заметить, что при за-
данной скорости v уменьшение глубины потребует соответственно уве-
личения ширины отстойника. За известными пределами увеличение ши-
рины связано с необходимостью устройства лишней камеры, мероприя-
тий по равномерному распределению скоростей по сечению и может
оказаться невыгодным.
10. Задаются различными значениями полной глубины отстойника
Н (обычно 4,5; 5,5 и 6,5 м) и определяют расчетную глубину Нр по фор-
муле (386) и при известных Р и N находят рабочую длину отстойника
для каждого значения Нр:
Lp = NHp. (390)
При этом принятая полная глубина отстойника Н должна удовлет-
ворять условию незатопляемости выходного отверстия промывного трак-
та со стороны реки:
Н 4- i0Lp < z—ii /3 + hpp, (391)
где i’o — уклон дна отстойника;
Lp — рабочая длина отстойника;
г — перепад уровня верхнего бьефа отстойника и нижнего бьефа
промывных устройств;
— уклон промывного тракта (для предварительных расчетов
может быть принят равным 0,012—0,017);
/3 — длина промывного тракта;
hpp — средняя глубина воды в отстойнике при промыве, которую мо-
жно принимать равной (0,1 -г- 0,3) Нр.
11. Рабочую ширину отстойника Вр (в свету) или отдельных его
камер определяют по формуле:
= (392)
26*
395
где Qp—рабочий расход воды, протекающей через отстойник или че-
рез одну камеру, м31сек\
Нр — принятая расчетная глубина отстойника, ж;
v — средняя скорость в камере, м!сек.
В обычных условиях ра-
Рис. 299. График для определения процента
осаждения наносов при уклоне дна t=0,00.
Рис. 300. График для определения
процента осаждения наносов при
уклоне дна t=0,05.
бочую ширину отстойника
или отдельных его камер ре-
комендуется назначать не
более 35% рабочей длины,
то есть Вр < 0,35Lp, имея в
виду, что в широких камерах
труднее добиться равномер-
ного распределения скоро-
стей.
В результате выполнен-
ных расчетов можно найти
размеры отстойника, при ко-
торых стоимость сооружения
при заданной средней скоро-
сти потока в камере будет
минимальной. Для оконча-
тельного определения разме-
ров отстойника (расчетной
глубины Нр, рабочей длины
Lp и ширины Вр) указанные
экономические расчеты по-
вторяют для различных зна-
чений средней скорости v, за-
даваемых в пределах, ука-
занных выше.

Очевидно, что большие
скорости v при той же обес-
печенности требуют большей
длины Lp и, следовательно,
менее выгодны. С другой
стороны, увеличение v по-
зволяет соответственно
уменьшить ширину отстой-
ника Вр.
§ 3. ВРЕМЯ ЗАИЛЕНИЯ
МЕРТВОГО ОБЪЕМА И ПРОМЫВ
КАМЕРЫ ОТСТОЙНИКА
Определение времени
заиления мертвого объема.
Ввиду сложности и недоста-
точной разработанности ме-
тодов расчета, учитывающих
непрерывность процесса
осаждения наносов, в ТУ и
НП 24-110-48 рекомендуется
приближённый метод расче-
та, позволяющий получить
ориентировочные данные
для суждения о достаточно-
сти принятых размеров от-
стойника.
396
При расчете известны следующие данные: рабочий расход отстой-
ника Qp, рабочая длина Lp и ширина Вр, расчетная глубина Нр, пред-
варительно принятая высота мертвого объема hM и количество взвешен-
ных наносов Go, поступающих в отстойник, с разбивкой на фракции и
с указанием процентного и весового содержания каждого интервала
фракции.
Время заиления камеры
определяют с учетом всех юо
фракций d >0,05 мм. Более
мелкие фракции обычно в '°
расчет не вводят, так как1'
при рекомендуемых значе-
ниях средней скорости v за- 75
иление отстойника этими
фракциями не имеет сущест-
венного значения. Кроме
того, их разрешается про- gg
пускать через турбины или
же частично транспортиро-
вать на поля орошения в ка-
честве удобрения.
Процесс заиления начи- 25
нается с откладывания нано-
сов крупных фракций в на-
чале отстойника, .причем
гребень отложений может
даже выйти за пределы вы-
соты мертвого объема. Ког-
Рис. 301. График для определения про-
цента осаждения наносов при уклоне дна
t=0,01.
да скорость движения пото-
ка в начальной заилившей-
ся части отстойника дости-
гает величины, при которой
дальнейшее увеличение вы-
соты отложений станет не-
возможным, начнется более
интенсивное заиление ниже-
лежащих участков отстой-
ника.
В связи с этим можно
предполагать, что время за-
иления камеры, после кото-
рого необходимо начать про-
мыв, может быта обуслов-
лено не временем заиления
всего мертвого объема от-
стойника, а моментом, в ко-
торый отложения с макси-
мальной возможной отмет-
кой, превышающей отметку
мертвого объема отстойника,
продвинутся достаточно
близко к концевой его части.
Это расстояние принимает-
ся равным примерно 50—
75% рабочей длины отстой-
ника, считая от начального
створа, то есть £расч = (0,5-*-
н-0,75) Ар.
Рис. 302. График для определения про-
цента осаждения наносов при уклоне дна
1=0,02.
z
397
Время заиления находят с учетом осаждения каждой из выпадаю-
щих фракций в пределах принятой длины расчетного участка, и при
определении процента осаждения рекомендуется пользоваться графика-
ми P=f (-pj , приведенными на рисунках 299—303.
Из имеющихся графиков выбирают тот, который относится к ук-
лону дна, среднему за все время заиления, вычисленному по формуле:
(*о)ср = ^ + <‘о)в , (393)
где i’o — уклон дна незаиленной камеры отстойника;
(1о)ср — уклон дна при заполнении наносами всего мертвого
объема, обычно принимают (io)H=O.
Рис. 303. График для определения процента оса-
ждения наносов при уклоне дна /=0,03.
Расчет заиления каме-
ры выполняют в такой по-
следовательности.
1. Определяют среднюю
за время заиления глубину
в начальном створе:
Нн = Нр+^-. (394)
2. Вычисляют среднюю
за время процесса заиления
глубину в конце расчетного
участка по формуле:
Нк = Яр+ Лм±|°£раа (395)
и устанавливают отношение
£расч
3. Определяют среднюю
скорость на расчетном
.участке за время заиления:
Ярасч =---------- • (396)
расч (Я„+ЯК)ВР v
4. Для каждого интервала оседающих фракций наносов вычисляют
среднее значение диаметра, по таблицам 26, 27 определяют соответст-
вующую гидравлическую крупность и подсчитывают отношения
Шц шг
9 • • •
Шрасч ®расч
5. По формуле (393) вычисляют средний уклон дна за время заи-
ления и по соответствующему графику (рис. 299—303) для каждого ин-
тервала фракций путем интерполяции определяют процент осаждения
наносов: Рь Р2, Р3... .
6. Подсчитывают количество наносов каждой фракции, оседающих
в единицу времени в пределах расчетного участка:
G1 = -^(G1)0; G2 = -^(G2)0..., (397)
где (Gi)o, (G2)0— количество наносов данной фракции, проходящих в
единицу времени через начальный створ.
7. Определяют суммарное количество оседающих наносов, то есть
SG = G1 + G2... кг[сек. (398'
8. Устанавливают объем отложений в единицу времени:
№от = — л/сек, (399)
Yo
где уо — объемный вес отложений наносов, который может быть при-
нят равным 1,3—1,6 кг/л.
398
Отложения наносов в камере отстойника оросительного канала Баксан-Малка
(Терско-Кумская оросительная система).
9. Для расчетного участка определяют величину мертвого объема:
X = Вр (йм+ ‘°£2РаСТ-) Грасч М3. (400)
10. Вычисляют время заиления мертвого объема в часах:
Аналогичными расчетами можно определить длительность заиле-
ния ряда расчетных участков, взятых в пределах рабочей длины отстой-
ника, и время полного заиления камеры при Арасч = Lp.
Время заиления камеры £занл, подсчитанное для участка Арасч, ох-
ватывающего 50—75% рабочей длины отстойника, проверяют по усло-
виям эксплуатации. Если промывы окажутся слишком частыми (§ 1
этой главы), увеличивают глубину мертвого объема ha или рабочую
длину Lp. При большой продолжительности заиления рекомендуется
из экономических соображений уменьшить величину ha или Lp. В том
и другом случае указанный расчет следует повторить.
Определение длительности гидравлического промыва. Наносы, от-
ложившиеся в камере отстойника, промывают пуском воды из-под за-
твора входного отверстия в предварительно опорожненную камеру
(рис. 304). Для этого перед промывом полностью опускают затворы 3 в
конце камеры, вследствие чего прекращается течение в камере и уровень
воды в ней сравняется с уровнем верхнего бьефа; после этого опуска-
ют затворы 1 в начале камеры на такую величину, чтобы при свобод-
ном истечении из-под щита пропускался принятый промывной расход
(около 0,5—-1,0 рабочего расхода камеры), затем полностью открывают
затворы промывников 2. При этом уровень воды в камере быстро сни-
жается и, вследствие больших скоростей в конце отложений наносы
глыбами сваливаются на дно отстойника, разрушаются падающим то-
ком воды и относятся в промывник. Кроме того, интенсивный размыв
происходит и в начале камеры вследствие больших скоростей, образую-
щихся при истечении промывного расхода из-под затвора. Верхний слой
•отложений наносов также смывается, но менее интенсивно. Примерная
399
схема последовательности смыва наносов при таком способе промыва
показана на рисунке 304.
При расчете промыва камеры отстойника известными величинами
служат: полная глубина Н, рабочая ширина В?, рабочая длина Lp,
объем». наносов 1ГМ, высота отложений наносов йм, Фракционный со-
став отложившихся наносов и эксплуатационный промывной расход Qnp.
Расчет отстойников на промыв заключается в определении промыв-
ной скорости опр, удельного промывного расхода дпр и времени про-
мыва /пр.
Величину промывной скорости для отстойников ГЭС, в которых за-
держиваются в основном крупные и средние взвешенные наносы, реко-
Рис. 304. Схема смыва наносов,из камеры:
1 — затвор входного отверстий; 2 — затвор прймывййка; 3 — затвор выходяого отвер
стий; 4 — зоны -смыва; 5 — дренаж. *
мендуется назначать по следующей приближенной эмпирической зави-
симости:
(402)
где d — диаметр частиц, подлежащих промыву наносов, мельче
которых в данной смеси содержится 75%;
w — гидравлическая крупность, соответствующая этому диа-
метру;
йпр — средняя глубина воды в отстойнике при промыве, состав-
ляющая около 10—30% расчетной глубины отстойника;
р — содержание в промывном потоке наносов в процентах по
весу, принимаемое, по опытным данным, в пределах 2—8%,
что примерно соответствует затрате от 75 до 20 м3 воды на
удаление 1 м3 отложившихся наносов.
Величину промывной скорости принимают во всех случаях не ме-
нее 2—2,5 м[сек.
Уклон дна отстойника рекомендуется определять по формуле Шези:
i0=^-, - (403)
0 С2Я
где С коэффициент Шези, определяемый при коэффициенте шеро-
ховатости п=0,0275;
R— гидравлический радиус, принимаемый равным Лпр.
Удельный промывной расход определяется по формуле:
<7вр = (1Л^-1>25) м3)сек. (404)
При равномерном по времени смыве наносов длительность промы-
ва определяют по формуле:
400
, (405)
P?np Bp
где —объем отложившихся наносов в камере, м3;
ув— объемный вес наносов, ъ/м3;
Вр — рабочая ширина камеры, м;
р—содержание в промывном потоке наносов в процентах по весу.
Если вычисленное £пр окажется больше обычно принимаемых
средних значений порядка 0,5 часа, следует задаваться новым большим
значением р в формуле (402) и повторить расчет.
Фактическая затрата времени на промыв вследствие потерь време-
ни на предварительное опорожнение камеры и маневрирование затвора-
ми может быть на 50—100% больше вычисленного значения по фор-
муле ,(405).
Расчет промывного тракта. Расчет промывных галерей и коллекто-
ра сводится к определению величины промывной скорости, площади
живого сечения и к проверке условия обеспечения промыва без подтоп-
ления выходного отверстия со стороны реки.
Расчетный промывной расход галереи определяют по формуле:
(Qnp)r = Qn₽ = ЯпрВр м3/сек. (406)
Величину промывной скорости (опр)г для расчета безнапорных га-
лерей прямоугольного сечения находят по формуле (402). Величиной- р
в этом случае следует задаваться по крайней мере в два раза большей
по сравнению со значением р, принятым для расчета отстойника. Глу-
биной воды в галерее (Лпр)г задаются предварительно в пределах
0,5—1,0 м.
Площадь живого сечения промывной галереи при этом будет:
Юг = (£np)r^2 (407)
(ипр)г
Промывную скорость для песчаных частиц в водоводе прямоуголь-
ного сечения в условиях безнапорного движения можно определить и по
формуле Г. Н. Роера [153], которая при удельном весе твердых фрак-
ций ут = 2,65 т/м3 и абсолютной шероховатости бетонированного лот-
ка среднего качества А » 0,0028 м будет иметь вид:
vnp = 33[~'"~2 (Yu “ О t«j0’326 м/сек, (408)
где а = b : й;
Ъ и h — ширина и глубина потока, м;
•уп — удельный вес пульпы, т/м3;
w—средняя гидравлическая крупность наносов, м/сек;
R — гидравлический радиус, м.
у Ширину промывной галереи Ьг при известном значении (ййр)г оп-
ределяют поформуле:
К = (4°9)
*v*np/r
причем желательно иметь йг< <0,5 Вр. Если окажется, что Ьг> 0,5 Вр,
то следует задаваться большим значением (йпр)г и расчет повторить,
то есть снова определить (опр)г, <ог, Ъг.
Необходимый уклон галереи определяют по формуле (403) при
окончательно принятых значениях (спр)г и (йпр)г.
Условие, чтобы отметка уровня воды в конце пульповода была не
ниже отметки уровня воды .в реке при паводковом расходе, проверяется
по формуле (391). ,Л
401
Транспортирующую способность промывного потока можно значи-
тельно увеличить, создавая в пульповоде винтовое движение плавными
поворотами или устройством невысоких донных и бортовых косо распо-
ложенных брусков искусственной шероховатости.
§ 4. КОНСТРУКЦИИ ОТСТОЙНИКОВ С НЕПРЕРЫВНЫМ ПРОМЫВОМ НАНОСОВ
Отстойники с непрерывным промывом в отличие от отстойников
периодического действия имеют ряд особенностей.
а) камеры отстойников устраивают без резервного объема для ак-
кумуляции наносных отложений, так как здесь поступающие наносы не-
прерывно смываются, поэтому полную глубину отстойника Н достаточ-
но принять равной расчетной глубине /7р;
б) уровни воды в камерах остаются постоянными и промыв проис-
ходит в условиях напорного потока, в связи с чем требуется значитель-
но меньшая разность уровней верхнего и нижнего бьефов и, следова-
тельно, водозаборное сооружение может быть построено с меньшим
подпором уровня реки;
в) скорость падения частиц в камерах таких отстойников значитель-
но больше гидравлической крупности, так как она увеличивается на ве-
личину вертикальной скорости, образующейся за счет промывного рас-
хода, в связи с чем заметно сокращается и рабочая длина отстойника;
Рис. 305. Отстойник системы Дюфура:
1 — подводящий канал; 2 — верховой затвор; 3 — служебный мост; 4 — решетка для выравнивания
скоростей; 5 — решетка для улавливания мусора; 6 — камера отстойника; 7 — решетка донного сбор-
но-промывного лотка; 8— донный сборно-промывной лоток; 9 — затвор камеры; 10 — затвор донного
лотка; 11—выходной затвор; 12 — магистральный канал; 13 — сбросная галерея; 14 — спицы донной
решетки.
г) в периоды поступления малого количества наносов эти отстой-
ники могут быть использованы как отстойники с периодическим промы-
вом, если они будут соответствующим образом оборудованы.
Основным недостатком этих отстойников является сравнительно
большая затрата воды на удаление единицы объема наносов. /
Отстойники с непрерывным промывом устраиваются как однокамер-
ные, так и многокамерные. К настоящему времени предложено и раз-
работано много различных конструкций отстойников, которые отлича-
ются принципами улавливания и удаления наносов.
402
Отстойник системы Дюфура (рис. 305) представляет со-
бой прямоугольную в плане камеру, дно которой устраивают в виде ка-
нала с одиночными откосами для концентрации осаждающихся нано-
сов на узкой полосе дна этого канала.
Отличительная особенность отстойника состоит в том, что поток по
высоте при входе в отстойник делится на две неравные части; сравни-
тельно небольшая придонная часть потока, содержащая более тяжелые
фракции наносов, направляется в продольный донный лоток неболь-
шого сечения, основная же верхняя часть потока, содержащая более
мелкие фракции наносов, направляется в отстойную камеру.
Рнс. 306. Отстойник с ребристым дном и продольными пульповодами системы
проф. Е. А. Замарина:
а'—продольный разрез; б — поперечные разрезы; /— входной регулятор; 2—пазы для затворов:
3— сорозадержнвающая решетка; 4 — донные промывники входного порога; 5—прикрывающая пуль*
повод решетка; 6 — донные продольные пульповоды; 7 — отводная сборная галерея; 8 — отверстие
для периодической промывки; 9 — выходной регулятор; ГО — пьезометрическая линия донного пуль-
повода; // — камера; /2 —гребень дна отстойника; 13 — уравнительные решетки; 14 — дно шугосбро-
са; 15— дырчатая плнта; 16— бортовые и донные бруски шероховатости.
Камера отстойника и донный сборно-промывной лоток разделены
горизонтальной решеткой со спицами, расположенными нормально к
оси камеры.
В конце камеры в торцовой стенке устроены одно над другим два
донных отверстия 9 и 10. Нижнее служит для непрерывной промывки
наносов, поступающих через отверстия решетки, верхнее — для перио-
дической очист*ки решетки, когда нижнее отверстие закрыто.
В периоды малой мутности воды такой отстойник может работать
с периодическим промывом.
‘Для непрерывного промыва наносов в отстойниках системы Дюфу-
ра, по данным проф. И. В. Егиазарова, затрачивается около 20% расхо-
да канала.
Отстойник с ребристым дном и продольными пуль-
поводами системы проф. Е. А. Замарина показан на рисунке
306 [79]. ....
В этом отстойнике выпадающие наносы направляются скатами реб-
ристого дна вниз и поступают в продольные пульповоды 6.
Необходимые скорости в пульповоде достигаются отделением его
от камеры горизонтальными дырчатыми плитами или решетками 5.
403
3 Ч 5
Рис. 307. Поперечный разрез кони-
ческого отстойника:
1 — подводящая труба; 2—камера; 3—коль-
цевой водослив; 4 — грубая решетка;
5 — сборный лоток; 6 — промывной пульпо-
вод.
Движение в таком пульповоде становится напорным, что
позволяет смывать наносы сравнительно небольшими расходами
воды.
Для повышения транспортирующей способности донного и сброс-
ного пульповодов рекомендуется создавать в них поперечную циркуля-
цию потока путем косого впуска воды или же установкой на стенках
пульповода косых (под углом 45°) брусков 16 высотой, равной 0,1 ши-
рины пульповода. По данным наблюдений, такое устройство, создающее
винтовое движение, позволяет увели-
чить транспортирующую способность
потока в пульповоде примерно в 1,5—
2 раза.
Преимуществами отстойника яв-
ляются: возможность расположения в
водозаборном узле сооружений, срав-
нительная простота конструкции; воз-
можность использования в качестве
отстойника периодического действия и
пригодность для осаждения как круп-
ных, так и мелких фракций наносов.
В рассмотренных конструкциях
отстойников очень важно определить.
поперечные сечения пульповодов и ве-
личину просветов донной решетки, из-
меняющихся по длине отстойника. Во-
просы промыва наносов в отстойниках подобных конструкций недоста-
точно изучены, и для разработки надежных методов расчета требуются
специальные исследования.
Круглые в плане отстойники представляют собой соору-
жения с вертикальными или наклонными бортовыми стенками и быва-
ют в основном двух типов.
1. При малых расходах и достаточной для промыва разности уров-
ней в бьефах обычно применяют конические отстойники, представляю-
щие собой резервуары диаметром до 10 м и глубиной до 4,5 м с конус-
ным днищем, способствующим концентрации оседающих наносов перед
входом в промывной пульповод (рис. 307).
Очищаемая вода подводится в центр отстойника по напорному во-
доводу, а осветленная принимается через кольцевой водослив в сбор-
ный лоток и поступает в отводящий канал.
Наносы, выпадая на откосы конуса, скатываются к центральному
донному отверстию и далее по сбросному пульповоду отводятся в ниж-
ний бьеф.
2. При больших расходах и недостаточной разности уровней воды
в бьефе круглые отстойники устраивают меньшей глубины. Диаметр
таких отстойников достигает 100 м, а глубину у борта принимают около
2-*-2,5 м независимо от диаметра. Дно отстойника имеет уклон, увеличи-
вающийся от 0,05 у краев до 0,15 у центра. Такие уклоны дна оказыва-
ются недостаточными для скатывания наносов вниз к донному,отверстию
под действием силы тяжести. В таких случаях устраивают легкие фермы
с наклонными скребками, медленно вращаемые электроприводом
вокруг оси (один оборот за 10—15 минут). Ферма имеет одну опору
в центре отстойника, а другую — на тележке, которая передвигается по
рельсу, уложенному по борту отстойника. Скребки сдвигают осевшие на
стенках дна наносы книзу — к донному промывнойу отверстию.
При невозможности гидравлического промыва наносы из таких от-
стойников удаляют механическим путем с помощью стационарной насос-
ной установки, гидромонитора, сифона и др. [173].
Круглые отстойники располагают обычно группами (батареями) с
404
распределительйыми каналами или. водоводами, позволяющими вклю-
чать каждый отстойник отдельно.
Криволинейный отстойник (песколовка) с непрерыв-
ным промывом, разработанный И. К. Никитиным [129], показан на ри-
сунке 308.
Отстойник представляет собой криволинейную в плане камеру 3 с
центральным углом поворота 90°, радиусом 7?=43, где b — ширина ка-
нала по дну. Дно отстойника имеет поперечный уклон в сторону выпук-
лого берега, который принимается в среднем для песколовок равным
Рис. 308. Схема криволинейного отстойника (песколовки) системы
И. К- Никитина:
/ — плотика; 2 —головное сооружение; 3 — камера песколовки; 4 — движение оседающих
‘наносов; 5 — донные промывннки; 6 — сбросная траншея; 7 — порог; 8 — канал; 9 — щит.
0,065, а для гравиеловок — 0,11. По длине отстойник устраивают с гори-
зонтальным дном.
Среднюю глубину песколовки принимают равной 0,07 Ь, гравиелов-
ки — (0,1 0,125) Ь.
Удаление наносов основано на принципе использования поперечной
циркуляции, возникающей на криволинейном участке. На дне, вдоль
основания откоса выпуклого берега, куда циркуляционными токами 4
подгоняется оседающие наносы, размещаются донные промывники 5, че-
рез которые наносы затягиваются в сбросную траншею 6 переменной
ширины И отводятся в нижний бьеф.
Количество донных промывников в песколовке 10—12, в гравиеловке
6—8. Наиболее нагружены передние промывники. Необходимый перепад
между уровнями в отстойнике и сбросной траншее должен быть для
песчаных наносов 0,25 м, а для гравия 0,45 м. Промывной расход со-
ставляет около 15% расхода в отстойнике, а при малом количестве на-
носов (в межень) может быть снижен до 5-ь 10%.
Строительная стоимость криволинейных отстойников ввиду их срав-
нительно небольшой глубины значительно ниже стоимости прямо-
угольных.
405
Многокамерный отстойник с системой донных на-
носоулавливающих устройств для удаления наносов непре-
рывным гидравлическим промывом предложен проф. В. А. Шаумяном
(рис. 281,а).
Отстойник совмещен с плотиной и располагается в верхнем бьефе
или сдвигается в нижний бьеф. Работа отстойника проверена на моде-
лях в лаборатории и на опытных отстойниках в Тахиаташе и на Кара-
кумском канале.
Рассмотренные выше основные схемы далеко не исчерпывают все
возможные типы и варианты отстойников и их деталей.
§ 5. РАСЧЕТ ОТСТОЙНИКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
С ДОННЫМИ СБОРНО-ПРОМЫВНЫМИ ГАЛЕРЕЯМИ [79, 134, 183]
Расчет таких отстойников обычно выполняют при следующих усло-
виях:
а) камера не имеет резервного объема для аккумуляции наносных
отложений;
Рнс. 309. Расчетная схема отстойника с непрерывным промывом наносов:
1 — донная сборно-промывная галерея; 2— промывной коллектор; 3— пульповод; 4—отсек
отстойника; 5 — пьезометрическая линия сборно-промывной галереи.
б) камера устроена с горизонтальным дном;
в) промыв наносов ведут под напором;
г) промывной расход вдоль камеры линейно убывает.
Кроме того, разность уровней в бьефах z должна быть достаточной
для создания в пульповоде необходимых скоростей, обеспечивающих
бесперебойное транспортирование наносов. При назначении отметки дна
отстойника следует предусматривать возможность осмотра и ремонта
дна выключенной из работы камеры, без подтопления ее со стороны ниж-
него бьефа в период межени (рис. 309).
Окончательно конструкцию и размеры отстойника устанавливают
путем сопоставления нескольких вариантов.
Для выполнения расчета известными являются следующие вели-
чины:
Qp — рабочий расход отстойника;
р0 — весовая мутность воды, поступающей в отстойник;
406
Pi> Рг, Рз ••• — весовая мутность по фракциям;
А, А, А ••• — процентное содержание наносов по фракциям;
dMHH, шмин -диаметр и гидравлическая крупность для предельно ми-
нимальной осаждаемой фракции;
г — разность уровней воды в канале и в реке (у НПУ —
уУВВ).
Определение основных размеров отстойника. 1. На основании ис-
ходных данных и общих соображений предварительно принимают:
а) глубину камеры Н=3—5 л;
б) среднюю скорость течения в камере к = 0,20—0,5 м1сек\
в) промывной расход Qnp = (0,1 4-0,2) Qp м3/сек;
г) ширину донной галереи Ьг =0,5—1 м;
д) высоту ребер дна ЛРеб = 1—2 м и наклон их к горизонту а=45°.
2. Определяют ширину одной секции камеры:
Веек ~ Ьг + 2Лреб- (410)
3. Площадь живого сечения секции будет:
^сек =^Аек-Л2ре6. (4И)
4. Требуемое число отсеков находят по формуле:
ли = ~р±°,5<3пр • (412)
О ь?сек
Число секций должно быть целым; это достигается соответствую-
щим изменением предварительно принятых значений Н или Всек.
5. Общая рабочая ширина отстойника будет:
Вр = ВСек-^сек- (413^
6. Среднюю ширину отстойника определяют из выражения:
в йсек NeeK = _Йк_ (414)
р И н v ’
7. Средняя глубина отстойника:
/7 - реек Усек = (415)
&р
8. Рабочую длину отстойника устанавливают из следующих сообра-
жений:
Г — Г — Н °i + v2 _ Н -
^р -Ь „ иср,
®мии+«ср 2 И’мин-Тиср
где и 1»2 — средняя скорость течения в начале и в конце камеры;
«сР — средняя вертикальная скорость, возникающая за счет
промывного расхода.
При замене в уравнении (416)
“ Qp + (0,4 4- 0,45) Qnp
(416)
(417)
__ (0,8 4-0,9) Qnp
wcp —
Lp Вер
получим следующее выражение:
д __ pj иср ___(0,8 4- 0,9) Qnp
₽ О’мин
(418)
Вер ®мии
(419)
Определение основных показателей режима наносов. В отстойни-
ке принятых размеров будут оседать не только те фракции, на задержа-
ние которых он рассчитан, но и часть более мелких фракций.
407
Высоту падения, при которой отдельные мелкие фракции смогут
выпасть при данной длине отстойника, находят по формуле:
к, = Lp Qnp (420)
Vcp 5Ср Оср
Допускается, что доля осаждения мелких наносов от содержания их
во взвеси пропорционально отношению глубин, й суммарный процент за-
держиваемых наносов находится по формуле:
2 р3 = 2 ркр + 2 -рмел, (421)
“Ср
где р — процентное содержание наносов по фракциям.
Расход наносов, входящих в отстойник и выходящих из него, опре-
деляют по формулам: '
GBx = (Qp + Qnp) Ро кг/сек-, (422)
СВых = QP Ро (1 - кг!сек. (423)
Чтобы избежать заиления канала ниже отстойника, должно быть со-
блюдейо условие:
Рвых = < Рт, (424)
где рт — транспортирующая способность канала, кг/м3.
Мутность промывного потока определяют, по формуле:
Рпр= °вх-Свых ^3, (425)
Опр
или численное значение в процентах по весу:
Р%=0,1Рпр. (426)
В отстойниках с непрерывным промывом консистенция пульпы не-
велика и мутность промывного расхода обычно не превышает 20—
25 кг/м3.
Расчет промывного устройства. Промывное устройство отстойника
состоит из сборно-промывных галерей, расположенных на дне каж-
дого отсека камеры; промывного коллектора, принимающего наносы
из сборно-промывных галерей; пульповода, который служит продолже-
нием коллектора и необходим для транспортирования наносов в ниж-
ний бьеф.
Сборно-промывная галерея питается промывным расходом через
отверстия в перекрывающих ее плитах, поэтому расход ее постепенно
возрастает к концу, то есть промывной поток движется в галерее с
переменной массой.
Начальный участок галереи, имеющий небольшой расход, наиболее
загружен, так как здесь выпадает большое количество наносов и К
тому же более крупных фракций. Поэтому для облегчения транспорти-
рования ианосов на этом участке 10—20% промывного расхода подают
непосредственно в начало галереи через торцовое отверстие.
Промывной расход одной галереи определяют по формуле:
(Qnp)r = ^-, (427)
N сек
тогда расход в начале галереи будет: Ж *
(QB)r = 0,1 -:-0,2(Qnp)r. - (428)
Чтобы обеспечить транспортирование наносов по напорным пульпо-
водам, надо создать достаточные промывные скорости. В ТУ и НП
24-110-48 [183] для определения этой скорости рекомендуется эмпири-
408
ческая зависимость, предложенная- В. С. Кнорозом для галереи круг-
лого сечения:
wnp2S=ffi’}/^Р' м!.сек, (429}
где обозначения те же, что и в формуле (402), а значение р определяет-
ся по формуле (426). \
Величину промывной скорости 'Можно определить и по формуле
Г. Н. Роера, которая для этоголугучая^при ут ^=2,65 т/л3 и А = 0,0028 м,
имеет вид: . "
ипр = 4$,4 '[(уй-1) ©W26 Я01473 м/сек, (430)
обозначения те же, что и в формуле (408).
Обычно скорость в галерее назначают не меньше 1,3 м/сек для
мелкого песка, 1,5 м/сек для среднего песка и 2 м/сек, дЛя гравия.
Для предупреждения закупорки донной галереи наносами ее про-
ектируют так, чтобы скорость в ней постепенно возрастала от начала
к концу..
Предварительный расчет галереи допускается производить, поль-
зуясь уравнениями равномерного движения, составленными для отдель-
ных створов потока. Для этого Выбирают 3—4 створа, которые размеща-
ют в середине принятых расчетных участков. Расход каждого участка
считается постоянным. и. определяется в предположении линейного из-
менения расхода по длине галереи по формуле:
Qi = ^а)/^^^^1м91сек, (431)
л₽
Сечения галереи в расчетных створах определяют по формуле (407)
и при известной ширине галереи Ьг устанавливают ее высоту аг^
Потери напора при впуске части промывного расхода в начале га-
лереи находят по формуле:
гн = / —\ \ (432)
где р = 0,65.
Потери напора по длине каждого расчетного участка определяют по
формуле: ' -
(433)
- C‘R‘
при повышенном коэффициенте шероховатости га=0,03 — 0,04, учиты-
вающем дополнительные /потери, вызываемые пуском в поток струй
через отверстия в плитах.
Сечения Отверстий в плитах галереи определяют по формуле:
®,=-------(?npVi - . (434)
. nt sin а<р VigZi
где (<7дР)г — погонный расход питания галереи, равный °?8 ~ °-9(Qnp)r .
I. — длина расчетного участка;
п,- — число намечаемых отверстий;
о — угол наклона оси отверстий к горизонту;
Z; — разность между уровнем воды в отстойнике и линией
пьезометрических напоров в донной галерее;
<р—коэффициент скорости.
409
Условие равномерного питания галереи по длине при переменном
z( вызывает необходимость устраивать отверстия с переменным сече-
нием а>с. (
Промывной коллектор длиной LK (рис. 309) принимают перемен-
ного сечения с расходами, возрастающими от (Qnp)r в начале до Qnp
в конце.
Пульповод длиной Ln принимают постоянного сечения с полным
расходом Qnp.
Промывные скорости в коллекторе и пульповоде назначают не менее
.2—3 м[сек, а потери напора в них определяют по формуле (433).
Окончательно возможность промыва проверяют по формуле:
го + гн + 2 ^дл + 2 hu < г, , (435)
где г0— потери напора при входе в отстойник;
гн— потери при входе в галерею;
2йдЛ— сумма потерь напора по длине;
2/гм — сумма местных потерь напора.
§ 6. УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОТСТОЙНИКОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Размещение отстойников. Отстойники оросительных систем обыч-
но располагают на магистральном канале или же в Пределах водоза-
борного узла сооружений. Однако при подаче воды на орошение, когда
приходится задерживать не только крупице, но также средние и ча-
стично мелкие фракции наносов, размеры отстойников получаются
столь большими, что такое сооружение трудно вписать в комплекс гид-
роузла. - '
В этом случае гидравлический промыв такого отстойника становит-
ся малоэффективным, значительная часть мелких полезных наносов
задерживается в отстойнике, возрастает объем механической или гид-
ромеханической очистки, крупные каналы, обладающие большей транс-
портирующей способность'ю, будут подвержены размывам.
Материалы натурных исследований работы ирригационных отстой-
ников показывают, что для обеспечения устойчивости русла крупных
каналов, транспортирования наибольшего количества мелких фракций
наносов на орошаемые земли, а также для использования наиболее
экономичного гидравлического способа удаления наносов из отстойника
во многих случаях целесообразно отстаивать наносы в два приема: 1) в
головном отстойнике и 2) во внутрисистемных отстойниках.
Головной отстойник в этом случае устраивают обычных размеров
(чтобы удержать наносы более крупных фракций) с периодическим или
непрерывным гидравлическим промывом и с выходной мутностью, при
которой наносы будут транспортироваться до внутрисистемного от-
стойника.
Внутрисистемные отстойники устраивают для осаждения осталь-
ного избыточного количества наносов и с такой выходной мутцостью, ко-
торая может быть вынесена на поля орошения. Наносы из внутрисистем-
ных отстойников удаляют в основном механическим, гидромеханическим
или комбинированным способом.
При бесплотинном водозаборе разница в уровнях верхнего и ниж-
него бьефов невелика, поэтому для создания условий хотя бы частич-
ного промыва наносов стремятся располагать отстойник на таком рас-
стоянии от головы канала, чтобы получить необходимую разность уров-
ней в отстойнике и в реке. Следует учесть, что расположение бесплотин-
ного водозабора на спрямлении петли русла реки позволяет получить
эту разность уровней при меньшем удалении отстойника от головы
канала.
410
На основании материалов исследований амударьинских каналов
проф. А.-Г. Хачатрян [207] .предложил принципиальные схемы располо-
жения отстойников и головных регулирующих сооружений при беспло-
тйнНом водозаборе, позволяющие создать и лучше использовать падение
уровня воды для гидравлического промыва. Такие схемы показаны на
рисунке 310.
Характерная особенность этих схем состоит в том, что осаждение
наносов проектируется в двух местах — в пределах головного участка и
•в отстойнике.
В пределах головного участка осаждаются более крупные фракции
в количестве 5—10% общего объема взвешенных наносов. В первом ва-
Рис. 310. Схемы головных участков оросительных систем при бесплотинном водоза-
боре по А. Г. Хачатряну:
а — русло и берега неустойчивы; б— русло н берега устойчивы; 1—струенаправляющая. система;
2 — подходящий канал; 3 — головное регулирующее сооружение; 4 — сброс головного сооружения;
5— магистральный канал; 6 — отстойник; 7— сброс отстойника; 8 — отводящий канал.
рианте (рис. 310, а) это количество наносов осаждается в подводящем
канале до головного сооружения,, а во втором варианте —за головным
сооружением (рис. 310,6), то есть на начальном участке магистрально-
го канала. Наносы удаляют механизмами.
Такой хпредварительный отбор крупных фракций на головном уча-
стке позволяет транспортировать оставшиеся наносы в магистральном
канале без его заиления прц значительно меньшей скорости, а следова-
тельно, и при меньшем уклоне.
В этих схемах,основную роль в борьбе с наносами играет отстой-
ник, цодводящие каналы заиляЮтся значительно меньше, чем при ис-
пользований их'в качестве отстойников. Уменьшение заиления, в свою
очередь, позволяет сократить число голов, сохранить их пропускную спо-
собность и повысить водообеспеченность оросительных систем.
Отстойник состоит из необходимого числа камер. Каждая камера
может1 б ыт^ отключена на промыв, имеет в конце регулирующее соору-
\ жение и промывную галерею, соединяющуюся со сбросным каналом.
Мутность потока при выходе из отстойника проектируют равной
мутности, при которой наносы транспортируются на орошаемые
4емли.
В плане отстойник может быть расположен по одной из схем, при-
веденных на рисунке 310. Первую из них, схему а, можно применять при
достаточной разности уровней воды и близости канала к реке, а вторую,
схему б, — при малой величине перепада и большом удалении канала от
реки в район расположения отстойника.
411
Для определения возможности проведения промывок на данной си-
стеме и при данном месторасположении сбросцого устройства пользу-
ются следующими зависимостями:
4*1 4~ 44 + 44 + 2 /гм ’ч z, (436)
и
I»! ©! = tt>2 — V3 СО3, ,(437)
где I — длина канала на соответствующих участкак, м\
I— уклон свободной поверхности воды;
2/гм — сумма потерь на местные сопротивления (вход, выход, го-
ловное и сбросное сооружения), м;
v — средняя скорость течения воды, м^сек-,
<о — площадь живого сечения, м2',
z — общее падение реки от входа в канал до выхода сброса в
реку.
Индексы 1, 2 и 3 обозначают соответственно элементы подводяще-
го, магистрального и сбросного каналов.
. Головные участки оросительных систем, выполненные по рассмат-
риваемой схеме при бесплотинном водозаборе, позволяют удалять зна-
чительную часть наносов гидравлическим способом, устранять заиле-
ние оросительных каналов и сократить до Минимума работу механизмов
по их очистке.
Типы и конструкции внутрисистемных отстойников. Основные раз-
меры и конструктивные особенности внутрисистемных отстойников за-
висят от следующих факторов;, ‘ . < -
а) величины расхода и мутности воды, поступающей-ИЗ головного,
отстойника; - - - *?.
б) величины средней скорости й минимальных размеров осаждае-
мых фракций в отстойнике;
в) транспортирующей способности оросительных каналов;
г) способа удаления наносов и применяемых механизмов;.
д) принятой схемы эксплуатации и др.
Внутрисистемные отстойники при невозможности гидравлического
промыва устраивают в виде больших копаных или огражденных дамбами
бассейнов, вытянутых по направлению движения потока и разделенных
внутренней продольной дамбой на секции (камеры).
Нередко для устройства таких отстойников используют излучины
и старые русла рек.
Бассейны очищают обычно земснарядами со сбросом пульпы на от-
вальные площади. Для перевода плавучего земснаряда из одной секции
в другую в разделительной дамбе устраивают специальное отверстие.
Ширину камеры (секции) отстойника назначают.с таким расчетом,
чтобы были обеспечены условия высокопроизводительной работы ис- .
пользуемых на очистке машин. Для земснарядов 8 ПЗУ-ВНИИГиМ при
работе их папильонажем и движении по оси камеры наиболее выгодной
считается ширина, равная 30 м. ~ »
В ирригационной практике применяют также отстоййики с .Гидроме-
ханической очисткой при помощи передвижного сифона конструкции,
предложенной Ф. С. Салаховым (АзНИИГиМ) [157] взамен отстойников
с экскаваторной и землесосной очисткой (рис. 311). ’ /
Эти отстойники представляют собой расширенные участки Магист-
рального канала в полувыемке-полунасыпи протяженностью 300—400 м,
глубиной 2—2,5 м и заложением откосов 1 : 1—1 ; 1,5.
Сифон выполнен из стальной трубы и смонтирован‘на тележке, пе-
редвигающейся по рельсам, уложенным по обеим берегам отстойника.
Выходной конец сифона перекинут через гребень насыпи и заканчивает-
ся гофрированным шлангом с клапаном на конце. Другой конец, обору-
412
дованный сосуном, опущен на дно отстойника. Сосун сделан из чугунно-
го литья в виде сплющенной воронки и имеет в конце.нож (рис. 311, б).
Сифон заряжается вакуум-насосом, расположенным на опорной тележ-
ке мостика.
-Для очистки откосов служит жесткая рама, соответствующая по-
перечному сечению камеры и снабженная ножами-скребками, сгребаю-
щими наносы на дно отстойника к входному отверстию сосуна.
Установка перемещается вдоль отстойника с помощью тягового ме-
ханизма, расположенного на подвижном мостике. Тяговый механизм со-
стоит из барабана, соединенного через редуктор с электромотором, и
Рис.’311. Отстойник с гидромеханической очисткой передвижным сифоном конструк-
ции Ф. С. Салахова:
а — поперечный разрез; б — сосун сифонной установки; 1 — камеры отстойника; 2— рельсы для под-
вижного мостика; 3 — подвижной мостик с жесткой треугольной рамой; 4 — тяговый механизм: 5—си-
фонная труба; 6 — иожи-скребкн; 7 —сосун сифона; 8 — лоток для отвода пульпы.
тягового троса, пропущенного Через барабан и закрепленного по концам
отстойника в анкерных опорах,
. Рабочую скорость движения сифонной установки назначают с уче-
том объема отложившихся наносов и производительности сифона (80—
100 м/час). Возвратное движение получают переключением фаз элек-
тромотора.
Сифонная установка имеет высокую, консистенцию пульпы (25—
30% по весу) и обладает,высокими технико-экономическими показате-
лями? , v
В качестве временных внутрисистемных отстойников во многих слу-
чаях целесообразно использовать местные понижения рельефа. Для
лучшего заполнения чаши такого отстойника нельзя допускать сбойного
течения* для чего его разделяют на отдельные секции (камеры) путем
устройства валиков, плетней и т. п. Пропуская поочередно воду через
такие камеры, можно добиться полного использования всего объема от-
стойника. ' -
Подобные временные отстойники после заиления обычно использу-
ют под сельскохозяйственные культуры.
Методы расчета отстойников оросительных систем. Рассмотренные
ранее методы расчета отстойников, в которых осаждаются преимущест-
венней крупные* взвешенные наносы, не удовлетворяют требованиям,
предъявляемым к методике расчета отстойников на оросительных си-
стемах.
При определении размеров отстойников ГЭС в основу расчета кладут
.Длину пути осаждения вредных частиц наименьшей крупности и не учи-
тывают транспортирующую способность потока в отстойнике, а также
мутность при выходе из отстойника, что недопустимо при расчете ирри-
гационных отстойников.
Методы расчета отстойников оросительнйх систем'наиболее подроб-
но разработаны советскими учеными проф. А. Н. Гостунским [57], проф.
П. В. Михеевым [124], проф. А. Г. Хачатряном [206], Г. О. Хорстом и др.
Проф. А. Н. Гостунский впервые учел транспортирующую способ-
ность потока в отстойнике и расчеты по осветлению потока обосновал на
осаждении наносов, составляющих избыточную мутность р — рт, где
р — общая мутность, а рт—транспортирующая способность пбтока.
Расчетное уравнение динамики мутности в отстойнике составлено
из следующих соображений.. -
Если выделить в отстойнике некоторую вертикальную призму воды
с площадью основания F и высотой h, то за время ,dt из призмы выпада-
ет следующее количество наносов:
(Р-Рт)«/ (438)
и изменение мутности в призме за это время будет
_ (р —pT)faff = Р —Рт Wdt ' (439)
v Fh h ’
откуда
_p_^P_ = JLdt (440)
P ~ ? Pt
При постоянных значениях w. и h интегрирование уравнения (440)
дает:
. -1п(р-рт) = 4-С. (441)
*
Постоянная величина С определяется из начальных условий при t —
= 0 мутность р=р0, где р0 — мутность потока в начале отстойника,
то есть
С = — ln(Po —Pt). (442)
Подставляя найденное Значение С в формулу (441) и заменяя в нем
t на — , где v — скорость перемещения рассматриваемой призмы, а х —
v
длина пути, пройденного призмой за время t, получим следующее урав-
нение динамики мутности в отстойнике:
, . . ~т (443)
Рлг — Рт 4“ (Р0 Рт)® >
где q=hv.
Из уравнения (443) можно получить длину отстойника L для задан-
ной в конце его выходящей мутности Рв после замены В нем Рж на Рв
и х на L:
L — — In A-.fr-, ' (444)
' W Рв — Рт
следовательно, рассмотренный метбд расчета позволяет определить ве-
личину мутности при выходе из отстойника Рв при заданных значениях
начальной Ро и критической Ркр = Рт мутности, а также при заданных
длине отстойника L и удельном расходе в нем q. . . . /
Однако следуем отметить, что допущение аУ=const, сделанное при
интегрировании выражения (440), позволяет применять уравнение (443)
или (444) только при однородном составе наносов.
При разнородном составе наносов в этих формулах принимается
w = const, где w — средняя гидравлическая крупность. В действительна
414 ' *
Рис. 312. Кривая зависимости JK.o ® =Со-
сти фракционный состав по длине отстойника меняется, поэтому такое
допущение в расчетах ведет к чрезмерному'завышению скорости осаж-
дения наносов и степени осветления потока в отстойнике. Поэтому для
получения удовлетворительных результатов рекомендуется расчет вести
по участкам, определяя значения w и рт для каждого участка. При этом,
мутность в конце каждого участ-
ка принимается за начальную для
последующего участка с равно-
мерным ее распределением по
глубине. В этом случае результа-
ты расчета по этому методу по-
лучаются достаточно удовлетво-
рительными.
Наиболее полные и глубокие
теоретические исследования в об-
ласти разработки метода расче-
та отстойников оросительных си-
стем проведены проф. А. Г. Ха-
чатряном [206].
Изучение наносного режима
рек показало, что весовое коли-
чество отдельных фракций нано-
сов с уменьшением их гидравли-
ческой крупности резко возраста-
ет. Это изменение происходит по
определенной закономерности, ко-
торую можно выразить равно-
сторонней гиперболой с некото-
рой постоянной Со. Поэтому связь
между
стью w
ординатой кривой распределения /к.о и гидравлической крупно-
можно написать в виде (рис. 312):
Л.о® = С0,
(445)
то есть произведение относительной мутности на ее гидравлическую
крупность составляет постоянную величину.
Относительная мутность определяется как средняя в пределах фрак-
ции по формуле:
= —' (446)
, ®г+1—
где pf — удельное содержание наносов фракции i с предельными гид-
равлическими крупностями частиц wt и wi+1 .
Цостоянную Со, когда наносы даны общим весовым количеством р0,
имеющим в своем составе частицы с наибольшей гидравлической круп-
ностью аУмаКс ~wn+i и наименьшей ш„ин=®1, можно определить из за-
висимости:
О -С I In Wn+X Wn+1 ~ W1
Ро — u0 in---------•----------
(447)
wn+l
Состав наносов определяется двумя предельными крупностями.
Величина наибольшей крупности наносов ®n+i характеризуется
главным образом гидравлическими элементами потока и шероховато-
стью русла. Ее значение принимается равным наибольшей взвешиваю-
щей скорости ив. На основании опытных данных:
и»л+1 = ив = 0,065 (к-0,05) 14* (448)
415
или
ш = 0,065 n—A(t'~°’05) . (449)
R'*
Минимальная крупность Wi определяется в основном механическим
составом и строением почв и грунтов поверхности бассейна и русла ре-
ки, а также характером питания ее.
Закономерность распределения наносов по крупности позволяет оп-
ределить величину наименьшей Гидравлической крупности заданного
состава наносов по данным фракционного анализа. В частности, если
известна наибольшая гидравлическая крупность wn+1, значение wj
можно определить по формуле; '
(lna’i--^)(1-Pi) = ln“’a—(450)
где рг и w2 — удельное содержание и наибольшая гидравлическая
крупность первой (мелкой) фракции.
При предельно насыщенном состоянии потока наносами постоянная
кривая распределения наносов достигает своего предельного значения
<?т, которое в ^первом приближении рекомендуется принять равным:
Ст 200 ив. .(451)
Тогда формула (447) для транспортирующей способности потока при-
мет вид: : 4 „
рт^200ав(1п-^—(452)
, . \ Wi «в / ‘V. t .
Когда мутность поступающего потока меньше его транспортирую-
щей способности, то есть когда постоянная кривой распределения нано-
сов начальной мутности
С0<Ст = 200^п+1> (453)
и,меем случай неполного насыщения наносами питающего потока, что
обычно наблюдается в действительности.
Рассматривая вопрос о динамике осаждения наносов для различ-
ных условий работы отстойников, проф. А. Г. Хачатрян предложил со-
ответствующие системы уравнений, которые позволяют вычислять вели-
чину мутности в отстойнике при заданной его длине, известном гидрав-
лическом режиме, количестве и составе наносов начальной мутности.
Они позволяют также определить длину отстойника при заданной рас-
четной мутности рр в конце отстойника.
Основным недостатком всех существующих методов расчета от-
стойников оросительных систем является их громоздкость и отсутствие
надежных исследований по сопоставлению результатов расчета с дан-
ными натуры [127]. '
Раздел 10 СУДОХОДНЫЕ, РЫБО-
И ЛЕСОПРОПУСКНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Глава XXV
ЕСТЕСТВЕННЫЕ ВОДНЫЕ ПУТИ,
СУДОХОДНЫЕ КАНАЛЫ И СООРУЖЕНИЯ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОДНЫХ ПУТЕЙ
Водные пути принято делить на морские (моря и океаны) и
внутренние, которые в свою очередь подразделяются на естест-
венные (реки и озера в естественном состоянии) и искусственные
(судоходные каналы, шлюзованные реки и водохранилища).
По характеру использования водные пути делятся на судоход-
ные, сплавные, судоходно-сплавные и судоходно-оро-
сительные.
Судоходные каналы по назначению разделяются на три основных
типа: соединительные, обходные и подходные каналы.
Соединительные каналы устраивают для создания транзит-
ного водного пути между отдельными судоходными реками или озера-
ми, например: Беломорско-Балтийский канал, соединяющий Белое море
с Онежским озером; канал имени Москвы — р. Волгу с р. Москвой;Вол-
го-Донской канал — р. Волгу с р. Дон и др. (рис. 313).
Обходные каналы устраивают для обхода препятствий, встре-
чающихся на основном водном пути. Такими препятствиями могут быть
порожистые участки рек, плотины и озера, если речные суда непригод-
ны для озерного плавания. Примерами таких каналов служат Прила-
дожский, Белозерский и Онежский.
Подходные каналы обычно являются тупиками, играют роль
подъездных путей и чаще всего устраиваются для соединения морских
портов с судоходными реками или транзитными судоходными кана-
лами.
В зависимости от условий плавания судоходные' каналы различают
открытые (свободные) и шлюзованные.
Открытые каналы обычно устраивают без шлюзов при соеди-
нении водных путей, имеющих незначительную разность уровней воды.
Почти все обходные каналы открытого типа.
Шлюзованные каналы сооружают при значительной разно-
сти уровней в бьефах соединяемых водных путей, а также для умень-
шения объема земляных работ на водораздельных участках. Поэтому
соединительные судоходные каналы обычно являются шлюзованными.
Категорию внутренних водных путей и сооружений устанавливают
в зависимости от их народнохозяйственного значения по соответствую-
щим нормативам речного транспорта, после чего класс капитальности
устанавливают согласно СНиП П-И.1-62 [168].
§ 2. ШЛЮЗОВАНИЕ СУДОХОДНЫХ РЕК И КАНАЛОВ
Многие реки в естественном состоянии не полностью удовлетворя-
ют требованиям судоходству и нуждаются в проведении специальных
инженерно-технических мероприятий для их улучшения. Эти мероприя-
27—1650
417
Рис. 313. Схема расположения важнейших каналов европейской части Советского
Союза:
1 — Беломорско-Балтийский канал; 2 — Волго-Балтийский водный путь имени В. И»; Ленина; 3—Севе-
ре.Двинский канал; 4 — канал имени Москвы; 5 — Березийская водная система! 6— Днепро-Бугский
каиал; 7— Волго-Донской канал имени В. И. Ленина; S — Невинномысский канал: 9 — Манычский
водный путь.
тия в основном сводятся к увеличению глубин (дноуглубительные рабо-
ты, регулирование русла, стока и шлюзование рек).
Шлюзование.ре к — один из основных методов улучшения судо-
ходных условий. В дореволюпиояное время шлюзование в основном сво-
дилось к постройке на реках'низконапорных «судоходных» разбор-
418
чатых плотин. Напор таких плотин не превышал 2—5 м, расстояние ме-
жду ними достигало в зависимости от уклона реки 30—50 км.
С развитием в СССР идеи комплексного использования водных ре-
сурсов и крупного гидроэнергетического строительства Для шлюзования
рек строят более высокие плотины с напором 15—20 м и более. Такое
шлюзование коренным образом изменяет гидрологический режим реки
и условия судоходства. Расстояние между плотинами измеряется сот-
а — продольный профиль Волжского каскада; б — варианты шлюзования реки; ГЭС: / — Иваньков-
ская; 2 — Угличская; 3 — -Рыбинская; 4 — Горьковская; 5 — Чебоксарская; 6 — Волжская имени
В. И. Ленина; 7 — Саратовская; 8 — Волгоградская имени XXII съезда КПСС; S — Ннжне-Волжская.
нями километров, и суда в течение всей навигации пропускают с по-
мощью судоходных камерных шлюзов.
Следовательно, при шлюзовании рек увеличение глубин достигает-
ся устройством ряда плотин, разбивающих реку на отдельные бьефы,
сопрягающиеся между собой судоходными шлюзами. В результате вод-
ный поток;-приобретает ступенчатый вид, как это показано на рисун-
ке 314, а. '
Для получения необходимых судоходных глубин по всей длине шлю-
зуемой реки вышестоящая плотина должна быть расположена в том
створе,, где глубина в конце кривой подпора, создаваемой нижестоящей
плотиной, равна требуемой судоходной.
Если Для ориентировочных расчетов уровень воды в бьефе считать
горизонтальным, то величину подпора, создаваемого^ плотиной над пер-
воначальным уровнем в реке, можно найти из зависимости (рис. 314, б) :
, ’ y = H-\-T-h = lJ + T-h, (454)
27* 41g
где I — расстояние между плотинами, м:,
J — средний уклон реки;
Т— транзитная судоходная глубина, м;
h — среднее значение наибольших глубин реки до шлюзования в
период межени, м.
Требуемую судоходную глубину на шлюзуемой реке можно полу-
чить разными комбинациями расположения, величин подпора и числа
подпорных сооружений. Например, изменяя напоры у сооружений, то есть
увеличивая у одних и уменьшая у других, можно получить необходимые
судоходные глубины при ином расположении сооружений, а увеличивая
Рис. 315. Схемы шлюзованных каналов:
а — двусклонная: б — односклонная.
напоры у некоторых из них, той же цели можно достигнуть с помощью
меньшего числа сооружений (рис. 314, б,-второй вариант).
Окончательно вариант'шлюзования выбирают на основании Техни-
ко-экономического сравнения нескольких вариантов с учетом наилучше-
го комплексного использования особенностей данной реки.
Шлюзование каналов применяют для создания новых и улуч-,
шения старых искусственных водных путей. Шлюзованные каналы име-
ют ряд преимуществ по сравнению с нешлюзованными, например посто-
янство уровней и глубин в бьефах; отсутствие течения по судовому ходу
и сравнительно малый объем земляных работ. Но в то же время шлю-
зованные каналы обладают меньшей пропускной способностью и требу-
ют возведения сложных гидротехнических сооружений для питания их
водой (водохранилище на водоразделах, насосные станции и др.).
По характеру размещения шлюзов шлюзованные каналы бывают
двусклонными иодносклонными (рис. 315, а,б).
Соединительные каналы, пересекающие водораздел, как правило,
бывают двусклонные, например Беломорско-Балтийский, Волго-Дон-
ской каналы и др.
Односклонные шлюзованные каналы в большинстве случаев" явля-
ются подходными и обходными и имеют шлюзы только на одном склоне.
§ 3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОХОДНЫХ
КАНАЛОВ
Проектирование судоходных каналов имеет целый фяд особенно-
стей, которые определяются судоходными требованиями.
Поперечное сечение канала служит основной характери-
стикой канала. Выбор наиболее рациональной формы и определение раз-
меров поперечного сечения судоходного канала производятся с учетов
следующих факторов: интенсивности движения; размеров груженого
расчетного судна; величины сопротивления,, возникающего при движе-
нии судов; типа крепления откосоВ^ характера грунтов, слагающих от-
косы и дно канала; удобства производства строительных работ и эко-
номичности строительства.
420
В Советском Союзе судоходные каналы, как правило, устраивают
для двустороннего движения и лишь при наличии достаточного обосно-
вания допускается строить каналы с односторонним движением.
Ширина канала на уровне осадки груженых расчетных судов при
двустороннем движении должна быть:
. ЬОС>2ВС +ЗДВ, (455)
Рис. • 316. Схема размещения двух встреч-
ных судов в судоходном канале.
__ <о
«пр- ф- -
где Вс ширина максимального расчетного судна, м;
Л В—расстояние между встречными судами и между бортом суд-
на-и откосами канала на уровне осадки судна (рис. 316),
принимаемое обычно от 2 до 3 м.
Согласно СНиП П-И.1-62,
ширина канала должна быть:
при двустороннем движёнии не
менее 2,6ВС и при односторон-
нем— не менее 1,5ВС.
Глубина воды в каналах при
наинизшем судоходном уровне
принимается не.менее:
‘Й = ЛОС + ДЛ3, (456)
где Лос — величина осадки расчетного судна с учетом дифферента
(разности осадки носа или кормы) на ходу, л;
А/г3 —величина запаса под днищем судна, м\ принимается по
СНиП Н-И.1-62 в зависимости от рода грунта дна и глуби-
ны канала от 0,15 до 0,35 м.
Коэффициенты заложения откосов судоходных каналов назначают
в зависимости от рода грунтов, слагающих русло.
В проектировании поперечного сечения судоходных каналов важное
место занимает выбор так называемого профильного коэффи-
циент а, представляющего собой отношение Площади живого сечения
канала при наинизшем судоходном уровне к площади подводной части
сечения по миделю расчетного судна, то есть
(457)
При уменьшении живого сечения канала увеличивается сопротивле-
ние движению 'судов, в связи с чем возрастает и тяговое усилие. Следо-
вательно, для уменьшения тягового усилия необходимо увеличить пло-
щадь живого сечения канала, что сопряжено с увеличением объема зем-
ляных работ.
Величину профильного коэффициента принимают при расчетах по
СНиП П-И.1-62 в зависимости от категории водных путей и не менее
следующих значений: для каналов на водных путях I категории ппр=4;
для II категорий ппр =3,5 и-для III категории ппр=3.
Наиболее распространенными формами живых сечений судоходных
каналов"являются трапецеидальная, ложбинообразная и полигональная
(рис. 317).
Опыт строительства и эксплуатации судоходных каналов показы-
вает, что наиболее рациональной формой поперечного сечения является
полигональная, более близкая по своей форме, к естественному парабо-
лическому руслу. . чу
Возвышение бровок канала над максимальным уровнем воды при-
нимается по данным практики эксплуатации: для каналов, проходящих,
в выемке, 1—1,5 м, а для каналов, устраиваемых в насыпи, 2—3 м.
Для инспекторского, осмотра-и-ремонта канала на обоих бровках
устраиваЮтсйПТё|ШьГ—дороги шириной 3—4 м~ ~
42Г
На рисунке 318 приведены типовые поперечные сечения судоход-
ного канала [189].
Трассу канала выбирают для уменьшения строительной стои-
мости, что бывает при минимальной длине канала и трассировке его в
полувыемке-полунасыпи. Трассу канала не следует проводить по сильно
водопроницаемым грунтам, заболоченным районам, в зонах плывунов
ит.п.
Радиусы закруглений каналов по установкам СНиП П-И.1-62 дол-
жны быть не менее пятикратной длины расчетного судна для одиночных
Рис.- 316. Iивовые иопе^нйй? 'Ёечения судоходных
' каналов? i-.
а — в выемке: б — в насыпи; / — крепление? -$5йй1йфма;
3 — кювёт; 4 — нагорная канава.
Рис. 317. Формы живых
сечений судоходных канат
лов:
а — трапецеидальная; б — лож-
бинообразная: «т— полигональ-
ная.
Рнс. 319. Схема уширения судоходного канала на закруг-
лениях.
судов и буксируемых составов и трехкратной длины расчетного состав^
Для толкаемых составов.
Для обеспечения нормальных запасов расстояния меЖду. .судами и
откосами ширину канала на закруглениях увеличивают ^рис.’319). Ве-
личину уширения можно определить по формуле [122, 18Г
L2
А^ос —-----
2R +
: (458)
или
£2
4
А &ос=,(4,44- 0,148-£
где Lc—длина расчетного судна, ж;
R—радиус закругления, принимаемый от 3£е до 6£С, л«.
(459}
422
При одностороннем движении величина уширения:
Д&ос = 0>5Д&юе М- - ' .
Уширение каналов устраивают, как правило, на выпуклом берегу.
Кредтление откосов судоходных каналов выполняют для за-
щиты их от воздействия судовых волн. Зона действия волн определяется
вверх от наивысшего и вниз от наинизшего уровня воды в канале
(рис. 320).
Рнс. 320. Схема набегания судовой волны на откос
канала.
Для определения высоты волны предложен целый ряд формул, .одна
из них, формула проф. П. К. Божича, имеет вид:
* * * - • . о *
... - йа = 0,6Б+ЗДМ4-^, (460)
\ bochj 2g
где В с—ширина судна, м;
hoc — осадка судна, м;
Ьос— ширина канала на уровне осадки судна, м;
h— глубина воды в канале, м;
vc— расчетная скорость судна, принимаемая для небольших гру-
зовых судов 1,4—1,7 м/сек, самоходных, грузовых судов
3,3—4,2 и для грузо-пассажирских судов 4,2—5,6 м/сек.
Въкту вскатывания ТЦ. судовух .волн на крепление откоса можно
достаточно точно определить по известной формуле проф. Н. Н. Джун-
ковского, которая ^приведена 8 разделе «Земляные плотины».
Возвышение верха крепления йад наивысшим расчетным уровнем
принимают: •
Л1 = А3/гвс> ‘ (461)
где k3—коэффициент запаса, принимаемый равным 1,3—1,4 при дли-
тельном стоянии расчетных уровней воды и 1,1 —1,15 при редкой повто-
ряемости и неустановившемся характере этих уровней.
Нижнюютраницу крепления h2 назначают на 1—1,5 м ниже наиниз-
ших уровней воды в канале.
Наиболее распространенными типами крепления откосов судоход-
ных каналов являются каменная наброска или укладка (мощение) и бе-
тонные армированные плиты. Для определения толщины каменного по-
крытия предложены эмпирические формулы.
Но П. К. Божичу, толщцна покрытия определяется по формуле:
т 0,36Авг ,
; (ук—l)cosa . .
где ук—объемный вес камня, т/м3; С
а—угол наклона крепления откоса.канала-к-горизонту.
Скорости течения воды н судоходных каналах по условиям эксплуа-
тации должны быть возможно меньшими и не превышать 1 м/сек, но
423
одновременно с этим они должны удовлетворять условию неразмываемо-
сти и незаиляемости русла.
Питание судоходных каналов водой производится само-
течным и машинным (механическим) способами.
Самотечное питание применяют для снабжения водой не-
шлюзованных, а также односклонных и двусклонных шлюзованных ка-
налов из водохранилищ, устраиваемых на водоразделах. Полезная ем-
кость таких водохранилищ должна обеспечить потребный объем воды на
всю навигацию. В большинстве случаев водохранилища, устраиваемые
на водоразделах, включаются в состав судоходного пути, что позволяет
в некоторой степени уменьшить объемы работ по устройству каналов.
Машинный способ питания каналов- применяют в том случае,
когда питание водой из водохранилищ, устраиваемых .на водоразделе,
не может быть обеспечено. При этом встречаются две схемы питания:
нагнетание воды непосредственно на водораздел и нагнетание воды из
бьефа в бьеф через всю систему шлюзов вплоть до водораздельного
участка.
Машинное питание обходится сравнительно дорого, но при ком-
плексном решении водохозяйственных задач может быть экономически
вполне целесообразным. Например, машинное питание осуществлено на
Волго-Донском канале, где район водораздельного бьефа оказался бед-
ным в отношении местного стока, объем которого в средний по водности
год не превышает 5% потребности канала в боде и едва покрывает по-
тери нз бьефов канала на'испарение. ......
Расход воды, необходимый для обеспечения судоходства, слагается
из следующих расходов воды [189]: на шлюзбванйе, нй фильтрацию, на
испарение с водной поверхности канала и на утечку через затворы шлю-
зов, то есть -
Q = Qm + <2ф + <2и + Q3 м?1сек, (463)
или
л . Ял . г . EL.B . « г г .. л..
Q =-----“F Qd> “Ь--------2 Я<?3, (464)
86 400 к 86400-30 ™ '
где Q — площадь сливной призмы в шлюзе, .и2;
Н— напор на шлюзе, м;
п— число шлюзований в сутки;
— фильтрационный расход, приходящийся на 1 пог. м канала,
Л43/сек;
LK—длина канала, я;
Е—среднемесячный слой испарения, м;
В— ширина канала поверху, м\
"ZH— суммарный напор всех шлюзов, м\
q3 — фильтрация через затворы на 1 м напора, принимаемая, по
данным практики, .равной 0,005 м?[сек.
Общее количество воды, необходимое для поддержания каналов в
судоходном состоянии за вес» период навигации, будет:
V = 86400 Q7’4-Vx13, (465)
где Т — продолжительность навигации в сутках;
Уо— объем воды, необходимый для заполнения канала весной до
судоходных уровней, м3. ,
Судоходно-оросительные каналы. Современные магистральные ка-
налы крупных оросительных систем имеют достаточно большие размеры .
и значительную протяженность. Поэтому весьма желательно использо-
вать такие каналы для местного судоходства. Однако это потребует не-
которых дополнительных мероприятий, связанных с приспособлением их
для выполнения комплексных задач.
424
;К таким мероприятиям относятся:
а) создание живого сечения канала, удовлетворяющего заданной
величине осадки судна, допустимому значению профильного коэффици-
ента и необходимой ширине русла на уровне осадки судна;
б) обеспечение скорости течения воды в каналах, не превышающей
максимально допустимые судоходные скорости;
в) обеспечение устойчивости откосов каналов от воздействия судо-
вых волн путем устройства креплений;
г) уменьшение числа поперечных преграждений и других сооруже-
ний, препятствующих судоходству и требующих устройства судоходных
шлюзов;
д) обеспечение условий судоходства в те-периоды, когда ороситель-
ная система не нуждается в воде и др.
Следовательно, приспособление оросительных каналов для судоход-
ства связано с рядом дополнительных затрат и вопрос о строительстве
судоходно-оросительного канала можно решить в результате выполне-
ния специального технико-экономического анализа для конкретных ус-
ловий.
§ 4. НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ И РАЗМЕРЫ
СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА
Судоходными шлюзами называются специальные гидротехнические
сооружения, служащие для перемещения плавающего подвижного со-
става (судов, барж, плотов и др.) из одного бьефа в другой в местах со-
средоточения перепадов, которыми являются плотины на реках и пере-
гораживающие сооружения на судоходно-оросительных каналах.
Рис. 321. Общая схема однокамерного ш^оза:
! — верхний подходной канал; 2 — направляющие палы; 3 — обратные стены; 4 — пазы для шан-
дор; 5 — водопроводные галереи с затворами; 6 — верхние ворота (закрыты); 7—кЗмера шлюза;
—ннжиие ворота (открыты); 9 — причальные стенкн; 10 — нижний подходной канал; 11 — стенки
камеры; 12— дно камеры; ВГ — верхняя голова; НГ — нижняя голова; LK—длина камеры;
Вк—ширина камеры; Я—напор шлюза; йк—глубина на короле; а — запас высоты стен камеры.
Судоходный шлюз состоит (рис. 321) из средней части камеры,
которая в концевых частях ограничивается головами.
В головах шлюзов размещаются шлюзовые ворота, которые отделя-
ют камеры от верхнего или нижнего бьефа и поддерживают в закрытом
28—1650
425
Камера шлюза № 13 Волго-Донского судоходного канала.
!
состоянии разность уровней между верхним или нижним бьефом и ка-
мерой. В головах шлюзов' располагаются также устройства для напол-
нения камеры водой и ее опорожнения.
К головам шлюзов примыкают подходные каналы и сопрягаются
со шлюзом направляющими стенками — п а л а м и. С одной стороны под-
ходных каналов на направляющих стенках размещаются причальные
устройства для швартовки судов, ожидающих шлюзования.
Камеры и головы шлюзов обычно состоят из днища и боковых стен,
конструкции которых весьма разнообразны.
Пропуск плавающего подвижного состава через судоходный шлюз
называется шлюзованием.
Шлюзование из верхнего бьефа в нижний происходит в такой по-
следовательности: *
1) при закрытых верхних и нижних воротах открывают затворы
водопроводной галереи верхней головы, наполняют камерудо уров-
ня верхнего бьефа, открывают верхние ворота, вводят -судно в каме-
ру и закрывают затворы водопроводной галереи и ворота верхней го-
ловы; . >
2) открывают затворы водопроводной галереи нижней головы,
опоражнивают камеру и тем самым опускают шлюзуемое судно до уров-
ня нижнего бьефа, затем открывают нижйие ворота и выводят судно из
камеры в нижний бьеф для дальнейшего следования.
426
Если следующее судно также идет из верхнего бьефа, то закрывают
водопроводные галереи и ворота нижней головы и затем повторяют
весь цикл операций шлюзования.
Если же второе судно идет снизу вверх, то его вводят в камеру шлю-
за после выхода первого судна и операцию его шлюзования выполняют
в обратном порядке.
Ко?да подряд несколько шлюзований проводят в одном направле-
нии, то есть сверху вниз или снизу вверх, то такое шлюзование называ-
ется односторонним, если же шлюзование происходит попеременно —
то вверх, то вниз —его называют двусторонним или встречным.
В отношении расходования воды встречное шлюзование наиболее вы-
годно, так ка^с с помощью одной сливной призмы пропускаются два суд-
на или ^араван судов.
Согласно СНиП П-И.1-62, габаритные размеры шлюзов определяют
по грузе- и судообороту, установленному на перспективный расчетный
срок—10 лет для шлюзов на водных путях I и II категорий и 5 лет на
водных путях III и IV категорий (после начала постоянной эксплуа-
тации).
Размеры наиболее выгодного для шлюзов данного водного пути рас-
четного судна или каравана судов устанавливают на основании технико-
экономического сравнения различных вариантов этих караванов по ми-
нимуму капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Полезную длину камеры принято определять по формуле [193]:
. > Lk^ + SAL, (466)
где длина расчетного состава 'или группы шлюзующихся одно-
временно судов;
AL — запас в длине в каждом конце камеры, принимаемый рав-
ным
AL= 1+ 0,015/с, (467)
где 1С—длина расчетного судна или состава, м.
Полезную ширину камеры принимают:
Вк=Ьр.с + 2ДВ, (468)
- где &р.с — ширина одновременно шлюзующихся (рядом стоящих) рас-
четных судов илн расчетного состава;
АВ — запас по ширине с каждой стороны камеры, принимаемый
от 0,2 до 0,5 м.
Глубину на короле определяют от наинизшего судоходного уровня
в шлюзе по формуле: ’
Лкор = Лос 4-А Л, (469)
где Лос — осадка груженого расчетного судна с учетом дифферента;
Ай — запас по глубине на короле, принимаемый 0,15—0,25 м.
Полная высота стен камеры шлюза определяется из выражения:
$к = АКОр + Н + а, .(470)
где Н—наиор на шлюзе (разность уровней бьефов);
а — превышение верха стенки над уровнем верхнего бьефа (запас),
принимаемое 0,5—1 м.
§ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ,
ТИПЫ И КОНСТРУКЦИЙ ШЛЮЗНЫХ КАМЕР
Классификация судоходных шлюзов. В зависимости от величины
преодолеваемого напора, характера грузов и направления грузопотоков,
геологических условий, рельефа местности, а также эксплуатационных
28« . <27
соображений устраиваются различные типы судоходных шлюзов, отли-
чающихся по числу и расположению камер, по конструкции камер, си-
стемам водопроводных устройств и по роду основного строительного
материала.
По числу камер шлюзы бывают о д н о к а м е р н ы е и мно-
гокамерные.
/ — верхние ворота; 2, 3— промежуточные ворота; 4 — ннжние ворота; 5 — стенки падения.
Рис. 322. Схематический продольный разрез трехкамерного шлюза:
Рис. 323. Разновидности судоходных шлюзов по типу камер:'
а — шлюз без стенки падения; б — со стенкой падения; в — со вспомогательной головой;, г — со сме-
щенными головами; д — шахтный; е — со сберегательными бассейнами; ж — поворотный; в — стре-
лочный: / — верхние ворота; 2— нижние ворота; 3 — вспомогательные ворота; 4—водопроводные
галереи; 5 —шлюзуемые суда; 6 — стенка падения; 7 — забральная стенка; 8 — камера; 9 — разде-
• лнтельная стенка; 10 — сберегательные бассейны; Н — напор шлюза.
Однокамерные шлюзы со стенкой падения (рис. 323, б) наиболее
распространенные и применяются обычно при напорах, не превышаю-
щих 15—20 м.
Многокамерные шлюзы состоят из нескольких последовательно рас-
положенных камеру разделенных промежуточными головами со стенкой
падения (рис. 322). Общий напор в этом случае делится поровну между
428
камерами, а конструкции отдельных элементов и размеры камер При-
нимаются одинаковыми.
При строительстве многокамерного шлюза уменьшается объем зем-
ляных работ, расход воды на шлюзование, облегчается конструкция,
возможно применение типовых сборных элементов и типового оборудо-
вания. Однако пропускная способность многокамерных шлюзов меньше,-
и они сложнее в эксплуатации.
По числу линий движения судов различают шлюзы в
одну, две и более линий. Шлюзы в две линии иногда называют парк ы-
м и, а вообще такие шлюзы называются параллельными и применяются
на водных путях с интенсивным движением судов при больших грузопо-
токах. Основное преимущество параллельных шлюзов состоит в воз-
можности специализации отдельных линий по направлению движения
или же по роду грузов.
При специализации работы линий шлюзов увеличивается пропуск-
ная способность, создается более благоприятное условие для движения
судов различных габаритов. Однако при этом в связи с односторонним
шлюзованием увеличивается количество расходуемой воды.
Разновидности судоходных шлюзов по типу камер приведены
на рисунке 323:
а) шлюзы без стенки падения. Их применяют обычно при
малых напорах, когда для простоты устройства пороги верхней и ниж-
ней головы закладывают на одинаковой отметке. В таких шлюзах глу-
бина воды над порогом верхней головы значительно больше необходи-
мой судоходной глубины, принятой на нижней голове, вследствие чего
объемы работ по устройству верхней головы и подходного канала по-
лучаются преувеличенными;
б) шлюзы со стенкой падения. В таких шлюзах отметку
порога верхней головы назначают так, чтобы обеспечить в верхнем бьефе
лишь необходимую судоходную глубину. Верхняя голова сопрягается
с камерой при помощи стенки падения, высота которой получается при-
мерно равной напору на шлюзе. Такое устройство камеры позволяет
уменьшить высоту верхних ворот и объем работ по устройству верхней
головы и подходного канала;
в), шлюзы со вспомогательной (промежуточной) головой.
В длинных однокамерных шлюзах иногда в.пределах камеры устраива-
ют вспомогательную грлову, которая делит камеру на две, обычно нерав-
ные, части. Вспомогательная голова выполняет роль или верхней, или
нижней головы полукамер и тем самым допускает шлюзование судов
трех размеров по длине, позволяет уменьшить объем сливной призмы и
сократить время шлюзования;
г) шлюзы со смещенными головами. Такие шлюзы име-
ют укороченную длину и удвоенную ширину камеры. Шлюзуемые суда
вводятся в камеру по очереди и размещаются рядом, что увеличивает пе-
риод шлюзования и ухудшает условия эксплуатации. Поэтому такие
шлюзы устраивают обычно при ограниченности выбора места по топо-
графическим или геологическим условиям;
д) шахтные шлюзы применяют при одной камере с больщим
напором и при сравнительно небольших габаритах шлюзуемых судов.
Они имеют глубокую камеру и большой объем сливной призмы. Для
уменьшения размера и веса нижних ворот устраивают забральную стен-
ку, стесняющую надводные судоходные габариты, что является основ-
ным недостатком шлюзов шахтного типа;
е) шлюзы со сберегательными бассейнами. Их при-
меняют для уменьшения расходования воды при шлюзовании, что осо-
бенно важно для водораздельных участков шлюзованных каналов, не
Имеющих естественного питания. Сберегательные бассейны устраивают
рядом с камерой и соединяют друг с другом галереями, перекрываемы-
429*
ми затворами. При опорожнении камеры воду сливают в эти бассейны,
а при наполнении камеры в нее постепенно сливают воду из сберега-
тельных бассейнов и лишь недостающее количество воды пополняют из
верхнего бьефа.
Объем сбереженной воды определяется [68] по формуле:
= (471)
я + 2
где k— число сберегательных бассейнов;
Н— напор на шлюзе;
Q— площадь бассейна, принимаемая -равной площади камеры;
ж, з) поворотные (стрелочные) шлюзьГ устраивают в местах
пересечения нескольких водных путей. Камеры таких шлюзов имеют в
плане различную форму. Размеры камеры назначают из условия разво-
рота судов для перехода из одного-водного пути в другой. В зависимо-
Рис. 324. Типы стен и днищ шлюзных камер:
а — ряжевая; б —с откосной стенкой и направляющей эстакадой; в — аикерно-шпунтовая; г — буто-
бетонная на свайном основании; д — бетонная с проходящей внутри водопроводной галереей;
е —нз армированного бетона на свайном ростверке; лс — из армированного бетона, докового типа;
з —из армированного бетона, свирского типа; и — железобетонная (контрфорсная) с фунДаментной:
плитой; к—бетонная, треугольного профиля на скальном основании; л — железобетонная, рамно-
докового типа с донными галереями; м — железобетонная с водопроводной галереей.
сти от уровней воды соединяемых водных путей некоторые гадовы устраи-
вают,с двусторонним подпором. Это достигается устройством двух пар
ворот, из которых одна поддерживает подпор в одном направлении, а
другая — в обратном. -
Типы и конструкции шлюзных камер. Тип и конструкцию шлюзных
камер выбирают в зависимости от характера грунтов основания, габа-
ритных размеров проектируемого шлюза и вида применяемого основно-
го строительного материала. Типы и конструкции шлюзных камер приве-
дены на рисунке 324.
По форме поперечного сечения камеры бывает с вертикальными
стенками и откосного типа. Как правило, камеры устраивают с верти-
430
кальными стенками, так как они имеют минимальный объём сливной
призмы и более удобны в эксплуатации.
Основное преимущество откосных камер состоит в том, что их сте-
нами могут, служить простые укрепленные земляные откосы. Но в этом
случае во избежание посадки судов при шлюзовании на откосы прихо-
дится устраивать длинные сквозные эстакады. Поэтому такие камеры
обычно применяют для шлюзов небольших напоров (1—3 м), устраивае-
мых на судоходно-оросительных каналах.
По конструкции днища камеры шлюза разделяются на непроницае-
мые и проницаемые.
В большинстве случаев устраивают непроницаемое днище, которое
представляет собой бетонную или железобетонную плиту. При этом
стенки шлюза могут быть конструктивно объединены с днищем в одно
целое или же отделены от днища сквозными швами.
Камеры с проницаемым днищем в виде каменного мощения или от-
дельных плит, уложенных по слою обратного фильтра, применяют при
напорах не более 5—6 м.
Наиболее распространены камеры докового и свирского типов из
массивного армированного бетона (рис. 324, ж, з), которые можно при-
менять при любых напорах, системах питания и при относительно,сла-
бых грунтах основания.
Согласно СНиП П-И.1-62, шлюзы рекомендуется проектировать об-
легченных типов с применением сборных железобетонных конструкций;
крупногабаритные щлюзы рекомендуется проектировать разрезной кон-
струкции с применением предварительно обжатого железобетона.
§ 6. СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СУДОХОДНЫХ шлюзов
Система питания, необходимая для наполнения и опорожнения ка-
меры, — один из основных элементов камерного шлюза, определяющих
его конструктивные и эксплуатационные условия.
Существуют различные системы питания судоходных шлюзов. Од-
нако все проектируемые шлюзы должны наиболее полно отвечать трем
основным требованиям:
1) наполнение и опорожнение камеры шлюза должно происходить
в течение минимального времени;
2) должны соблюдаться необходимые гидравлические условия от-
стоя шлюзующихся судов в камере и в подходах к шлюзу;
3) строительная стоимость сооружения должна быть минимальной.
Гидравлические условия отстоя судов принято оценивать величиной
усилий, возникающих в причальных тросах, при этом эти усилия не дол-
жны превышать допускаемых значений для расчетных шлюзуемых
судов.
По характеру поступления воды в камеру различают две основные
л системы питания — сосредоточенную и распределитель-
ную.
При сосредоточенной системе питания вода в камеру подается ча-
ще всей через верхнюю голову в верхний конец камеры и при опорож-
нении сбрасывается через нижнюю голову. Эта система питания изуче-
на лучше, 'в результате чего предложено много различных схем и кон-
струкций, которые широко используются при строительстве судоходных
шлюзов малых и средних напоров. Основные схемы сосредоточенного
' питания приведены на рисунке 325.
Однако сосредоточенная система питания, несмотря на широкое
применение успокоительных устройств, при больших напорах и разме-
рах камеры имеет ряд существенных недостатков, основными из кото-
рых являются: медленное наполнение и опорожнение камеры и неудов-
летворительные гидравлические условия отстоя судов.
431
Улучшить условия отстоя судов и сократить время наполнения ка-
меры можно путем перехода к более современной, но более сложной, а
следовательно, и более дорогой распределительной системе питания.
При распределительной системе питания водопроводные галереи
устраивают по всей длине камеры и вода подается в камеры и выпу-
скается из них через большое число выпусков, сообщающихся с гале-
реей. При этом галереи располагают либо в боковых стенах шлюзных
камер, либо в днище камеры (рис. 326).
Рис. 325. Схемы сосредоточенных (головных) систем питания:
а — питание через небольшие отверстия в нижней части шлюзовых ворот; б—д — питание через
короткие водопроводные галереи в обход ворот; е — питание через отверстие, создаваемое у порога
при подъеме затвора; ж — питание путем перелива воды через верх опускающегося затвора; /—верх-
ние ворота; 2 — нижние ворота; 3 — клинкетные отверстия; 4 — балочный гаситель; 5 — зубчатый
порог; 6 — фигурный гаситель с колодцем; 7 — водопроводные галереи; 8— плоский затвор; 9— сег-
ментный затвор; 10 — экранный гаситель.
Распределительные системы питания проф. Б. Д. Качановский де- '
лит на два типа — простые, когда вода подается из основных продоль-
ных галерей через отверстия непосредственно в камеру (рис. 326, а, б),
и сложные, когда вода в камеру поступает через отверстия вспомога-
тельных поперечных галерей (рис. 326, в, г).
Рассмотренные схемы распределительной системы питания с забо-
ром воды из верхнего подходного канала и выпуском ее в нижний под-
ходной канал обладают тем недостатком, что при значительных напо-
рах и расходах воды в период наполнения и опорожнения камер в под-
ходных каналах могут иметь место неблагоприятные для отстоя судов
гидравлические условия. Для улучшения гидравлических условий, в под-
ходных каналах применяют боковую схему питания шлюзов, при кото-
рой вода для наполнения камер забирается из верхнего бьефа вне верх-
них подходных каналов и выпускается при опорожнении в нижний бьеф
гидроузла, минуя нижние подходные каналы (рис. 326, д). Однако при
этом приходится строить специальные водозаборные сооружения вне
голов шлюза, что вызывает некоторое удорожание шлюза.
432
Дальнейшее улучшение,работы системы питания нашло отражение
в создании так называемых эквиинерционных систем. Принцип дейст-
вия этих систем состоит в том, что инерция масс воды, заключенных в
ответвлениях подводящего трубопровода, питающих участки распреде-
лительной галереи, преодолевается за одно и то же время. В результате
этого одновременно включаются соответствующие выпуски распредели-
тельной галереи и одинаково нарастают их расходы [104].
Рис. 326. Схемы распределительных систем питания:
а и б — простые! распределительные’системы питания; в и г — сложные распределительные системы
питания; д — схема питания с раздельным боковым забором н выпуском воды; 1 — верхняя голова;
2 — нижняя Голова; 3 — боковые галереи; 4—донные галереи; 5 — вспомогательные галереи; 6—водо-
забор; 7 — водопроводные галереи; 8 — водосброс; 9 — земляная плотина.
Согласно СНиП П-И.1-62, систему питания шлюзов в тех случаях,
когда произведение напора на полезную длину камеры составляет бо-
лее 2000 и отношение напора к глубине на пороге более 3, следует вы-
бирать на основании технико-экономического сравнения сосредоточен-
ных (голодных) и распределительных систем питания с учетом пропуск-
ной Способности шлюзов на расчетный срок. Для шлюзов с меньшими
величинами приведенных выше показателей рекомендуется применять
сосредоточенные системы питания.
»
§ 7. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ШЛЮЗОВ И РАСХОД
ВОДЫ НА ШЛЮЗОВАНИЕ
Пропускная способность шлюзов. Под пропускной способностью
шлюзов принято понимать количество, грузов в тоннах, которое может
быть пропущено через шлюз в обоих направлениях в течение навигации.
433
Пропускная способность зависит от количества грузов, которое одновре-
менно может находиться в судах или на плотах в камере при шлюзова-
нии, и от числа шлюзований, которое может быть выполнено за период
навигации.
Число возможных шлюзований в сутки служит основным эксплуа-
тационным показателем работы шлюза и зависит от длительности от-
дельных операций, выполняемых при шлюзовании.
При одностороннем шлюзовании [68] продолжительность одного
цикла работы однокамерного шлюза определяется выражением:
Л = 4/i + t2 + 2t3 + tit ' (472)
где Т\—продолжительность шлюзования в минутах при односторон-
нем движении;
/х— время одного открытия или закрытия ворот;
/2— время ввода судна или каравана в камеру;
4—время наполнения камеры водой или ее опорожнения;
4— время вывода каравана из камеры.
При встречном шлюзовании длительность цикла будет:
T2 = 4t1 + 2t'2 + 2t3 + 2t'4,
где t2— продолжительность ввода каравана в камеру;
t'4— продолжительность вывода.каравана из камеры.
Значения слагаемых правой части уравнений (472) и (473) опреде-
ляются согласно указаниям СН 303—65 [193].
Встречное шлюзование имеет значительные преимущества,- так как
в период времени "Совершается шлюзование двух караванов и на, каж-
дый караван расходуется времени меньше Т\ и, кроме того, на два кара-
вана расходуется одна сливная призма. По данным практики, время
71 изменяется примерно в пределах 30—55 минут, а Т\ находится в пре-
делах 50—75 минут.
Одновременный и равномерный подход судов или караванов к шлю-
зу с обоих бьефов трудно обеспечить, поэтому в расчет обычно прини-
мают среднее время шлюзования:
т _ Т1 + 0,5Та
2
При этом условии теоретическое число шлюзований в сутки составит:
1440
« = —• (475)
Тогда теоретическая пропускная способность шлюза в навигацию:
^теор = nNmG, (476)
где N — длительность навигации в сутках;
m— число одновременно шлюзуемых грузовых судов;
G — средняя грузоподъемность судов, т.
Однако эксплуатационная (фактическая) пропускная способность
шлюза будет значительно меньше, так^как часть шлюзований исполь-
зуется для пропуска пассажирских и служебных судов, не всегда пол-
ностью используется тоннаж грузовых судов, некоторая^часть времени
затрачивается на осмотр и ремонт оборудования шлюза, грузооборот
как по отдельным месяцам, тар и по отдельным суткам неравномерный
и т. п. .
Учитывая указанные причины, для определения 'эксплуатационной
пропускной способности шлюза рекомендуется [175] использовать фор-
мулу: .
(473)
(474)
434
Рэ = (п-т)^.-^, (477)
Pi₽2 24
где п0— число шлюзований в сутки негрузовых судов;
а—средний коэффициент использования грузоподъемности судов,
принимаемый равным 0,7—0,8;
Тф—фактическое число часов работы шлюза в сутки, равное
20—21 ч;
о _ максимальный грузооборот в месяц. ,
Р1 — Z Z *•
среднемесячный грузооборот
Р _ максимальный грузооборот в сутки j
2 среднесуточный грузооборот
Значения коэффициентов 01 и ₽2 устанавливают по плановому гра-
фику грузооборота.
Пропускная способность шлюза должна соответствовать проектиру-
емому грузообороту судоходной шлюзуемой реки или канала.
Расход воды на шлюзование. При всяком шлюзовании сбрасывает-
ся из верхнего бьефа в нижний некоторое количество воды, которое за-
висит от объема камеры, направления движения плавающего состава,
водоизмещения судов в караване и уровней воды в бьефах.
Объем воды, равный объему камеры, принято называть сливной
призмой. При вертикальных стенках камеры шлюза объем сливной
призмы будет;
(478)
где Q— площадь зеркала камеры между верхними и нижними во-
ротами; .
Н—напор на шлюзе.
При шлюзовании сверху вниз входящие в камеру суда вытесняют
в верхний бьеф объем воды, равный суммарному водоизмещению всех
судов шлюзуемого каравана 2 1УВ„Н, а прн выходе каравана в нижний
бьеф этот объем воды возмещается за счет нижнего бьефа. Следова-
тельно, в этом случае объем воды, потребный на шлюзование, опреде-
лится величиной: •
V =У-21У
в-*и . " в~*н •
При шлюзовании снизу вверх суда при входе в камеру вытесняют
в нижннй бьеф объем воды, равный суммарному водоизмещению судов
21Уи_в, а при выходе каравана из камеры этот объем размещается за
счет верхнего бьефа. Таким образом, расход воды на одностороннее шлю-
зование каравана снизу вверх будет:
j =
При двустороннем шлюзовании караванов через однокамерный
шлюз расход воды на каждое из них составит:
- о.? 2 <479>
Ввиду неясности в будущем числа и водоизмещения судов, которые
будут шлюзоваться в наиболее напряженные периоды работы шлюза,
влиянием водоизмещения судов на расход воды при шлюзовании пре-
небрегают. Поэтому объем воды, потребный на шлюзование через одно-
камерный и многокамерный шлюз, принимают равным V, а при дву-
стороннем шлюзовании через однокамерный шлюз — равным 0,5 V на
каждый караван.-Число караванов, пропускаемых через однокамерный
шлюз вверх и вниз, при .практических расчетах принимают одинаковым.
При указанных допущениях [122] расчетная суточная потребность в
воде на шлюзование составит:
435
для однокамерного (однониточного) шлюза
2 Г = 0,75/г V , (480)
сут ’ макс макс ’ V
для многокамерного шлюза
2^уТ = "макХакс- (481)
Тогда средний секундный расход на шлюзе с учетом потерь воды
на утечку в уплотнениях затворов шлюзов будет:
= + <482>
где QyT— потери на утечку воды в уплотнениях, подсчитываемые по
формуле:
QyT ~ <7ут ^уп, (483)
<7ут — удельная утечка воды на 1 пог. м, принимаемая равной
0,0015—0,002 м^сек. при напорах на шлюз до 10 л и 0,0025—
0,003 м3!сек. при напорах более 10 м;
2/уп—полная длина уплотнений по периметру ворот и затворов
головы шлюза.
§ 8. РАСПОЛОЖЕНИЕ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА НА КАНАЛАХ
И В УЗЛАХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИИ
Расположение шлюзов и подходов к ним на судоходных, судоход-
но-оросительных каналах и в речных узлах гидротехнический сооруже-
ний в значительной степени зависит от комплекса решаемых водохозяй-
ственных задачу местных топографических, инженерно-геологических и
гидрогеологических условий, а также от способов производства работ.
На рисунке 327 приведены наиболее типичные схемы компоновки
шлюзов.
На судоходно-оросительных каналах основными препятствиями для
судоходства являются сопрягающие и перегораживающие сооружения
или гидростанции, устраиваемые иногда на канале. Компоновка шлюза
в узле с перегораживающим или сопрягающим сооружением затрудняет >
эксплуатацию оросительной системы, так как при шлюзовании прихо-
дится прекращать подачу воды в каналы ниже сооружения, что сопро-
вождается понижением уровня воды и появлением волновых явлений.
Для поддержания необходимых уровней в каналах ниже сооружения
судоходный шлюз лучше размещать на обходном канале, как это пока-
зано на рисунке 327, а. При достаточно большой емкости канала, поз-
воляющей четко регулировать уровни воды, судоходный пролет (шлюз)
можно устраивать рядом с перегораживающим или сопрягающим со-
оружением.
На малых судоходно-оросительных каналах при разнице уровней
воды не более 0,3—0,4 м обычное подпорное сооружение устраивают по
типу полушлюза. В этом случае для пропуска небольших судов подпор-
ное сооружение снабжают шторным, клапанным или двухстворчатым
с клинкетами затвором. Перед пропуском судов частичным открытием
затвора сбрасывают воду в нижний бьеф, чтобы поднять в нем уровень
воды и уменьшить давление на затвор, после чего открывают затвор и
пропускают суда.
На прямом участке реки (рис. 327; б) наиболее удобным мёстом
для строительства шлюза является незатопляемый берег. Верхний и
нижний подходы к шлюзу должны быть защищены со стороны реки ог-
радительными дамбами, длину которых принимают не менее длины рас-
четного каравана.
436
Когда в узле сооружений устраивается и гидростанция, то обычно
предпочитают размещать шлюз и ГЭС на разных берегах, так как при
этой схеме облегчаются условия подхода к шлюзу.
По отношению к оси плотины шлюз может быть вынесен в сторону
верхнего или нижнего бьефа. При наличии проезда выгоднее вынос шлю-
за в сторону верхнего бьефа (рис. 327,6), то есть пересечение шлюза
мостом по нижней голове, так как в этом случае нужные подмостовые
габариты обычно обеспечиваются высотой стенок шлюза.
Рис. 327. Основные схемы расположения судоходного шлюза в гидроузлах:
а — шлюз в обход сопрягающего сооружения или ГЭС иа судоходно-оросительном канале; б — шлюз
на прямом участке реки; в — шлюз на обходном канале прн криволинейном участке реки: г — шлюз
на спрямляющем канале; д — шлюз при соединении озеровндных бьефов; 1 — судоходно-ороситель-
ный канал; 2 — сопрягающее сооружение илн ГЭС; 3 —нижиий подходной канал; 4 — судоходный
шлюз; 5 — верхний подходной канал; 6 — гидростанция; 7 — плотина; 8— причальное и направляю-
щее устройство.
На криволинейном участке реки (рис. 327,8) шлюз устраивают на
выпуклом берегу в обходном канале, спрямляющем поворот. Длина
этого канала^ должна быть не менее суммарной длины шлюза, двух на-
правляющих пал и двух участков с причальными устройствами, ее обыч-
но принимают равной четырехкратной длине каравана, проходящего че-
рез шлюз. Гидростанцию лучше располагать у выпуклого берега, где
она меньше подвержена воздействию ледохода. Компоновка сооруже-
ний по этой схеме имеет также значительные преимущества в отноше-
нии организации и производства работ.
Если в районе расположения узла сооружений имеются крутые из-
гибы русла, шлюз целесообразно устроить в канале, спрямляющем из-
лучину реки, а плотину и гидростанцию — в русле реки на некотором
расстоянии от входа в верхний подходной канал (рис. 327,г).
437
Судоходный шлюз по схеме, показанной на рисунке 327, д, устраи-
вают при соединении двух небольших озеровидных бьефов, где ветро-
вые волны практически не влияют на условия движения по ним судов.
В этом случае причальные и направляющие элементы сооружения вы-
водят прямо в бьеф и все маневры судов или караванов при входе в
шлюз; и выходе из него совершаются между причальной линией и есте-
ственным берегом водоема.
Рассмотренные схемы расположения судоходных шлюзов в узлах
сооружений безусловно не исчерпывают всего возможного разнообразия
в компоновке.
При решении таких задач обычно намечают несколько вариантов,
проводят технико-экономическое сравнение и выбирают наиболее
рациональный. В более сложных случаях компоновку узла сооруже-
ний проверяют и уточняют на пространственной модели в гидротех-
нической лаборатории.
§ 9. СУДОПОДЪЕМНИКИ
Для преодоления больших напоров иногда вместо лестницы шлюзов
бывает экономичнее устроить судоподъемник, представляющий собой
наполненную водой подвижную камеру, которая поднимается и опуска-
ется вместе с судном.
Рис. 328. Схемы вертикальных судоподъемников:
а — однокамерный с противовесами; б — двукамериый с гидравлическими прессами;
в — однокамерный с поплавками; 1—ворота; 2 — опорные и направляющие стены или
стойки; 3 — камера; 4 — блоки; 5—противовесы; £ —плунжеры гидравлического'прес-
са; 7—-цилиндр; 8 — задвижка; 9 — поплавки; 10—'шахты для поплавков.
По направлению движения камеры судоподъемники делятся
на вертикальные, перемещающие суда по вертикальному на-
правлению, и наклонные, перемещающие суда по наклонной плос-
кости.
На обоих концах камеры судоподъемника, вместо торцовых стен ус-
траивают ворота. Такие же ворота имеют и' каналы, примыкающие к
судоподъемнику. - •
438
Вес камеры с водой всегда остается постоянным, так как судно при
входе в камеру вытесняет из нее объем воды, соответствующий своему
весу, а при выходе этот же объем воды вновь в нее поступает. Это усло-
вие позволяет достаточно точно уравновесить вес камеры соответствую-
щими устройствами и свести к минимуму усилие, необходимое для пере-
мещения камеры.
Корпус камеры судоподъемника может быть железобетонной или
металлической конструкции.
Вертикальные судоподъемники по способу уравновеши-
вания веса камеры с водой подразделяются на механические (рис.
328, а), гидравлические (рис. 328, б) и поплавковые
(рис. 328, в). ,
Рис. ,329. Схема наклонного судоподъемника:
аверхний полушлюз: б — нижний иолушлюз; / —опускной плоский затвор; 2—судо-
возная камера; 3— ремонтные двустворчатые ворота; 4 — судовозные пути.
У построенных вертикальных судоподъемников высота подъема ка-
меры достигает 36 м, грузоподъемность перемещаемых судов 1000 т,
общий вес подвижных частей 5400 т, время пропуска судна колеблется
в пределах 20—30 минут.
Наклонные судоподъемники (рис. 329) для перемещения
камеры имеют наклонное (1:10—1:20) путевое устройство [78]. Каме-
ра обычно уравновешивается или противовесами, или спаренной второй
камерой.
В зависимости от положения судна при перемещении наклонные су-
доподъемники могут быть продольные и поперечные. Судно в камере
может находиться наплаву и насухо. Перевозка судов насухо неблаго-
приятно отражается на прочности корпуса судов и поэтому редко при-
меняется. Камеру можно передвигать гравитационным способом, то есть
добавлением или уменьшением количества воды в камерах, а также ме-
ханическим устройством.
.При больших напорах судоподъемники имеют значительное преиму-
щество перед обычными шлюзами, так как позволяют доводить до
минимума расход воды на пропуск судов, сократить время пропуска
почти в два раза и тем самым увеличить пропускную способность
пути.
В связи со строительством крупных гидроузлов на реках Сибири
вопрос о выборе типа судоходного сооружения тщательно изучался на-
учными и проектными организациями. Выполненные технико-экономи-
ческие исследования показали, что из всех рассмотренных типов судо-
ходных сооружений наиболее экономичен по капиталовложениям, экс-
плуатационным затратам и удовлетворению грузооборота наклонный
судоподъемник, который и рекомендован в качестве унифицированного
сооружения для всех гидроузлов Ангарского и Енисейского каска-
дов [143].
439
Главе XXVI
РЫБОПРОПУСКНЫЕ И ЛЕСОПРОПУСКНЫЕ
СООРУЖЕНИЯ
§ 1. ВЛИЯНИЕ РЕЧНОГО ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
НА РЫБНОЕ ХОЗЯЙСТВО И МЕРОПРИЯТИЯ
ПО СОХРАНЕНИЮ РЫБНЫХ ЗАПАСОВ
Рыбное хозяйство дает ценные продукты питания, сырье для про-
мышленности и составляет важную отрасль народного хозяйства. По-
этому в связи с огромным размахом гидротехнического строительства в
СССР вопросы сохранения и обеспечения роста рыбных запасов на ре-
ках, преграждаемых гидроузлами, имеют актуальное значение.
Возведение гидроузлов вызывает существенное изменение природ-
ных условий водоемов. Влияние, оказываемое гидротехническим строи-
тельством на рыбное хозяйство, заключается в том, что нарушаются
обычные условия передвижения проходных рыб к прежним местам ик-
рометания; изменяются естественные условия нереста в верхнем бьефе
вследствие затопления больших площадей, вызванного подпором соору-
жения; уменьшаются площади нерестилищ в нижнем бьефе, особенно
при регулировании стока; ухудшаются условия обратного ската отне-
рестившихся рыб и молоди; изменяются гидрологические и гидробиоло-
гические условия рыборазведения на больших участках рек и т. п.
Для ослабления и ликвидации отрицательного влияния строитель-
ства речных подпорных сооружений на рыбное хозяйство во многих слу-
чаях приходится’ проводить специальные мероприятия. Основные из них
следующие:
1) обеспечение пропуска рыбы через гидроузлы в обоих направле-
ниях с помощью рыбопропускных и рыбооградительных соооружений;
2) использование новых водохранилищ путем заселения их озерны-
ми рыбами (лещ, сиг и др.), обладающими высокими товарными каче-
ствами, и освоение новых нерестилищ, образующихся после возведения
плотины;
3) восстановление и улучшение (мелиорации) рыбных угодий в при-
устьевых участках рек путем создания новых нерестовых площадей на
более низких отметках, затопление которых обеспечивается и при умень-
шенной величине зарегулированного паводка; соединение пойменных
озер и стариц с проточной речной системой для обеспечения ската рыбы
и молоди после нереста и нагула и т. п.;
4) искусственное рыборазведение путем строительства специальных
рыбоводных завоДов;-
5) регулирование рыболовства путем установления новых запрет-
ных зон, сроков лова и других охранных мероприятий.
В этой главе рассматриваются в основном рыбопропускные и рыбо-
оградительные сооружения, которые имеют непосредственное отноше-
ние к проектированию, строительству и эксплуатации речных гидро-
узлов.
Существующие рыбопропускные сооружения по принципу их дейст-
вия могут быть подразделены на две основные группы:
1) постоянного и непринудительного действия
(свободные), образующие сквозной путь для самостоятельного про-
хода рыбы из одного бьефа в другой. Сюда относятся лотковые, прудко-
вые и лестничные рыбоходы;
2) цикличного и принудительного действия, обеспечи-
вающие пропуск рыбы из одного бьефа в другой путем шлюзования или
с помощью различных подъемных устройств и механизмов. Сюда отно-
сятся различные типы рыбоходных шлюзов и рыбоподъемников.
440
В современных условиях рыбопропускные сооружения постоянного
и непринудительного действия устраивают большей частью при напорах
до 15—20 м, а рыбопропускные сооружения принудительного действия
при более высоких напорах.
§ 2. РЫБОХОДЫ
Таблица 32
Породы рыб Скорость течения, м[сек
Лососи, форель, кумжа, жерех, щука .... Усач, хариус, миноги . Сельди, подуст, сиг, крас- нопер Белорыбица, осетр, сев- рюга, судак, голавль, ЯЗЬ Сазан, лещ, окунь, линь, ерш, плотва . . . . 2,3—3,5 1,8—2,3 1,5—1,8 1,2—1,5 0,6—1,2
Различные типы рыбоходов в основном представляют собой лотки
или каналы с такими скоростями, чтобы рыба могла плыть в рыбоходе
против течения. - Скорости течения, преодолеваемые рыбой, различны
для разных пород рыб, поэтому величины их в рыбоходах назначают в
определенных пределах, обычно менее тех, которые преодолевают рыбы.
В таблице 32 приведены пример-
ные величины скоростей, преодолевае-
мые рыбами, установленные наблюде-
ниями и специальными опытами.
При назначении скоростей тече-
ния следует также учитывать общую
высоту подъема и дальность миграци-
онного пути, то есть утомленность ры-
бы. Чем этот путь длиннее и чем выше
скорости течения в реке, тем более
утомлена рыба и тем меньшую ско-
рость течения в рыбоходе и на под-
ходах к нему она д . состоянии будет
преодолевать.
Рыбоходы лоткового типа. Про-,
стейшие лотки-рыбоходы .
устраивают для пропуска рыбы через невысокие “запруды, они'представ-
ляют собой обыкновенный быстроток. По конструкции лотки бывают
гладкие (при
(при напорах
1,5—7 л«). Уклон лотка
расположения
н схемы
Рнс. 330. Типы
неполных поперечных перегородок.

напорах 1—1,5 м) и с искусственной шероховатостью
1,5—7 м). Уклон лотка назначают в зависимости от тре-
буемой скорости.
Основной недостаток этих
рыбоходов состоит в уменьше-
нии глубины и увеличении
скорости течения в конце лот-
ка. Рыбоходы лоткового типа
с искусственной шерохова-
тостью, построенные в СССР
при Волховской (р. Волхов),
Александровской (р. Юж. Буг)
и Земоавчальской (р. Кура)
гидростанциях, не дали поло-
объясняется тем, что в таких
жительных результатов. Очевидно, это
лотках образуются беспорядочные вихревые течения, неблагоприятно
действующие на рыбу при ее движении по лотку.
Лотковые рыбоходы с неполными поперечными
перегородками устраивают для удлинения пути движения и умень-
шения скорости течения воды. Некоторые схемы расположения и типы
перегородок показаны на рисунке 330.
Построендые рыбоходы этого типа характеризуются следующими
показателями: преодолеваемый напор 2—27 м, ширина лотка 1,6—3 м,
расстояние между перегородками 1,3—3,5 м, глубина воды.0,4—1,5 м,
ширина прохода для рыбы 0,35—0,6 м, уклон лотка 0,077—0,143, расход
воды 0,1—0,65 м31сек, скорость в проходной части перегородки 0,8—
2 м!сек {205]. По имеющимся сведениям, большинство рыбоходов этого
типа работают довольно успешно. Основные недостатки их — извили-
441
сгость пути и образование водоворотных зон потока в углах между про-
дольными и неполными поперечными стенками.
z Прудковые рыбоходы. Такие рыбоходы большей частью устраива-
ют на берегу в обход преграды (плотина, водопад, пороги) при подхо-
дящих топографических и геологических условиях. Они представляют
собой ряд прудков, соединенных короткими каналами или лотками
(рис. 331).
Построенные рыбоходы этого типа характеризуются следующими
данными; преодолеваемый напор 3—22 м, число прудков 7—44, раз-
ность уровней между прудками 0,4—1,6 я, глубина воды в соедииитель-
Рис. 331. Схема пруд-
коворэ рыбохода:
/ — плотина или водопад:
2 — выходной оголовок с за-
твором; 3 — прудки рыбохо-
да: 4 -т- соединительные кана-
лы: 5 —устье рыбохода
(вход).
Рис. 332. Схема лестничного рыбохода:
а — продольный разрез: б — план; в — расположение отверстий; / — бассейны; 2—по-
перечные перегородки; 3 — продольные стенки; 4 — защитные щитки; S — вплывные
отверстия.
ных каналах 0,6—0,75 м, длина прудков 3—5 м, глубина прудков 1,5—
1,7 М. . :
Такие рыбоходы, высеченные в скале или вырытые в грунте и вымо-
щенные камнем (без острых-ребер), напоминают,естественные горные
речки и с успехом используются для пропуска лосося и форели при
гидроузлах на горных реках.
Лестничные рыбоходы. ^Рыбоходы лестничного типа представляют
собой ступенчатые лотки с поперечными перегородками, которые .обра-
зуют последовательный ряд бассейнов, (рис. 332)7 Для прохода рВЙЯй в
перегородках устраивают так называемые вплывные отверстия, которые
располагают поочередно то у одной, то у другой боковой сменки лотка.
В зависимости от характера движения рыбы отверстия дел'ают или дон-
ными (для осетровых пород), или Поверхностными (для сельдей и др.).
При пропуске и тех и других рыб в перегородках устраивают оба отвер-
стия, располагая их в разных местах по ширине .лотка. Для предохране-
ния проходящей рыбы от возможных боковых ударов вплывные отвер-
стия с верховой стороны снабжают короткими защитными щитками.
По данным наблюдений, большинство рыбоходов лестничного типа
работает удовлетворительно, благодаря чему они и получили значитель-
ное распространение.
442
Преодолеваемый напор у большинства сооружений не превышает
15 м.
Основные размеры бассейнов и вплывных отверстий назначают в
зависимости от крупности рыбы. В этом отношении заслуживают вни-
мания рекомендации Г. К. Харчева [205], приведенные в таблице 33.
Таблица 33
Породы рыб Размеры бассейнов,, м Размеры вплывных отверстий, м
ширина длина глубина ширина высота
Осетр, севрюга . Лососи, белорыбица, усач , * Сиг, лещ,голавль, карп, минога Мелкие Пресноводные породы . 5 3 1,5—2,0 1,5 6—7 5—6 2,2—2,8 1,5 2 0,8—1,0 0,6—0,8 0,6 1—1,5 0,8 0,5 0,3 1 0,6—0,7 0,4 0,2
При общей высоте подъема лестничного рыбохода более 5 м реко-
мендуется разбить рыбоход на отдельные марши с высотой подъема
2,5—3,5 м, устраивая между ними бассейны увеличенных (в 1,5—2 ра-
за) размеров для отдыха рыбы. Такие же увеличенные бассейны устраи-
вают и на поворотах.трассы рыбохода.
Для 69льщего.л£йбдижеиия рыбоходов к естественным условиям по
дну бассейнов насыпают блой тальки-и укладывают отдельные крупные
камни. 1'
Первый лестничный рыбоход в СССР был построен в 1-937 г. в Мур-
манской области при Туломской ГЭС для пропуска рыб лососевых по-
род. Общая длина рыбохода составляет 513 м, преодолеваемый напор
колеблется в пределах 15,3—20 м, расход воды 0,7—1,1 м?/сек.
Исследования кандидата технических наук А. Ф. Антонникова по-
казали, что обычные вплывнЫе отверстия лестничных рыбоходов созда-
ют неблагоприятный гидравлический режим и это отрицательно влияет
Й# Привлечение рыбы и продвижение ее по рыбоходу [7].
Для улучшения гидравлических условий А. Ф. Антонников на ос-
нове проведенных натурных и лабораторных исследований, предложил
оградить вплывные отверстия с верховой стороны специальной решет-
кой— приставкой, имеющей форму усеченного конуса (для круглых от-
верстий) или пирамиды (для квадратных и прямоугольных отверстий).
Размеры бассейнов для рыбоходов предлагается принимать следу-
ющие: ширина 3—3,5 м (на крупных реках) и 1,2—1,5 м (на малых
реках); расстояние между перегородками 2—2,5 м; глубина воды 1,5—
1,75 ж (на крупных реках) и 1,2—1,5 м (на малых реках). Для осетро-
вых и лососевых пород оптимальными считаются скорости 1,2—1,5 м/сек,
соответствующие перепаду между секциями 0,3—0,5 м, а для таких рыб,’
как судак, рыбец, сельдь,— скорости 0,7—0,9 м/сек прн перепаде 0,15—
0,25 м.
Для успешной работы рыбохода важное значение имеет правильное
питание еТо. водой. При постоянном уровне верхнего бьефа снабжение
рыбохода водой и. выпуск рыбы из него не вызывают затруднений. При
колебаниях уровня для обеспечения нормальной работы рыбохода при-
ходится предусматривать специальные устройства.
Сопряжение.-рыбохода с верхним бьефом при переменном уровне
может быть выполнено разными способами.
1. В пределах верхнего бьефа, как продолжение рыбохода, устраи-
вают несколько дополнительных ступеней (бассейнов), которые позво-
ляют рыбе подниматься на высоту, равную амплитуде колебания уровня.
443
Эти бассейны, расположенные на разных отметках, имеют специ-
альные отверстия, снабженйые щитовыми затворами для - соединения"
рыбохода с верхним бьефом, в зависимости от положения уровня воды
в верхнем бьефе открывают соединительные отверстия соответствующе-
го бассейна.
Момент открытия и закрытия затворов зависит от положения уров-
ня, следовательно процесс работы затворов может быть автоматизи-
рован.
Основным недостатком этого способа является то, что при больших
пределах колебания уровня воды в верхнем бьефе приходится устраи-
вать значительное количество дополнительных бассейнов, повышающих
строительную стоимость рыбохода.
Рис. 333. Расчетная схема гидравлического регулятора' Кбяй;л
I — регулятор; 11 лестйичный рыбоход.
2. В верхнем бьефе устраивают специальную железобетонную баш-
ню, в которой по внутреннему периметру башни (по спирали) распола-
гают дополнительную часть ступеней (бассейнов) лестничного рыбохо-
да. Для соединения бассейнов, расположенных на разных отметках, с
верхним бьефом на стенках башни устраивают отверстия, снабженные
щитовыми затворами, которые открываются или закрываются автомати-
чески в соответствии с колебаниями уровня воды в верхнем бьефе.
Размеры башни определяют в зависимости от амплитуды колеба-
ния уровня воды в верхнем бьефе, величины перепада между ступенями,
числа витков спирали, числа бассейнов на одном витке спирали (обыч-
но 5—6) и принятых размеров (длины и ширины) бассейна.
Такой оголовок рыбохода с пятью бассейнами иа одном витке спи-
рали, построенный .для пропуска лосося у плотины Лох Дун в Шотлан-
дии, при амплитуде колебания уровня воды в верхнем бьефе, равной
10 м, работает довольно успешно.
3. В качестве сопрягающего оголовка устраивают специальный ре-
гулятор, основанный на принципе гидравлического саморегулирования
(регулятор Кэля). Это устройство служит частью рыбохода, сопрягает-
ся с верхним бьефом и состоит из нескольких коротких бассейнов, раз-
деленных перегородками переменной высоты, возрастающей в сторону
верхнего бьефа (рис. 333).
В питании лестничного рыбохода различают два характерных рас-
хода— минимальный и максимальный.
Минимальный расход определяется из выражения:
РмиН = <о»доп м3/сек, (434)
где <а — живое сечение вплывного отверстия, м2 (табл. 33);
Цдоп — допускаемая скорость в отверстии (табл. 32).
444
Разность уровней воды в смежных бассейнах рыбохода определя-
ется по формуле затопленного истечения из большого донного отвер-
стия:
где ц.— коэффициент расхода донного отверстия, зависящий от харак-
тера сжатия струи.
Максимальный расход воды определяется с учетом переливающе-
гося слоя через перегородки и при постоянном значении z по формуле:
Смаке = Синк + mb Y (486)
где т—коэффициент расхода незатопленного водослива-с тонкой
стенкой;
b— ширина рыбохода, лт;
Н — напор на водосливе, принимаемый равным 0,12—0,2 м.
При гидравлических расчетах регулятора необходимо соблюдать
следующие условия:
а) максимальная высота перепада между бассейнами регулятора
при высшей отметке уровня верхнего бьефа, соответствующей Смаке, не
должна превышать высоты перепада на нормальном участке лестницы,
то есть z„aKe < г; ; '
б) при минимальном уровне верхнего бьефа, то есть при пропуске
Смин / уровни воды в нормальных бассейнах лестницы должны находить-
ся на одной отметке с гребнем перегородок.
Число перегородок регулятора определяется подбором. Для этого
вычисляют площадь вплывного отверстия в перегородках регулятора по
формуле:
оР = ———кс— jh2. (487)
pVUgz
макс
Высота перепада между бассейнами регулятора при пропуске
будет:
гта = -^-м. (488)
Н “ р 2g
Тогда имеем пгмин +Драсч =^гмакс 4-Н, откуда число перегородок:
п = Нрасч~Н- шт. (489)
гмакс — гмии
При получении дробного значения п берут ближайшее целое число
и выполняют повторный расчет.
§ 3. РЫБОХОДНЫЕ ШЛЮЗЫ
Применение рыбопропускных сооружений принудительного дейст-
вия вызвано широким развитием крупного и высоконапорного гидротех-
нического строительства. Рыбоходы даже наиболее экономичного типа
при больших напорах гидроузла — дорогие и громоздкие сооружения, в
особенности для пород рыб, требующих пониженных скоростей течения
в лбтках рыбохода ивплывных отверстиях.
Рыбоходные шлюзы и рыбоподъемники могут быть размещены в
гидроузле более компактно и построены при меньших затратах, чем ры-
боходы.
445
В принципе работа рыбоходных шлюзов и рыбоподъемников ана-
логична работе судоходных шлюзов и судоподъемников.
Рыбоходный шлюз шахтного типа. Рыбоходные шлюзы шахтного
типа имеют три основные части: входную, транспортирующую и выпуск-
ную (рис. 334).
Входная часть (коллектор) представляет собою лоток, сопря-
гающийся с нижним бьефом, и служит для привлечения, улавливания и
направления рыбы к транспортирующей части.
Транспортирующая часть — это вертикальная железобе-
тонная шахта (камера) с двумя отверстиями, соединяющими щахту в
нижней части с входным лотком, а в верхней — с выпускным лотком,
расположенным в верхнем бьефе. Отверстия снабжены затворами.
Выходная часть устраивается в зависимости от расположения
рыбоходного шлюза в гидроузле в виде лотка деревянной и железобе-
тонной конструкции или же в виде укрепленного земляного канала.
Рис. Зй. Продольный разрез рыбоходного шлюза Волгоградского гидроузла:
I — подводящий (входной) лоток; 2— побудительная решетка подводящего лотка; 3 — затвор ниж-
него бьефа Шахты; 4 — рыбоподъемная шахта; 5 — горизонтальная побудительная решетка шахты;
6— вертикальная побудительная решетка щахты; 7 — затвор верхнего бьефа шахты; 8*— выходной
лоток; 9 — гидроагрегат, через который пропускается расход воды, подаваемый для привлечения
рыбы.
Кроме того, рыбоходный шлюз шахтного типа имеет -систему труб,
снабженную затворами и обеспечивающую Подачу воды в подводящий
лоток для привлечения рыбы, наполнение и опорожнение камеры при
шлюзовании.
В Советском Союзе рыбоходные шлюзы такого типа построены при
двух крупных гидроузлах: на Цимлянском (р. Дон) в 1952 г.— однока-
мерный шлюз с преодолеваемым напором 26,6 ж, размером шахты в
плане .6X7,3 ж и на Волгоградском в 1959 г.— двухкамерный с напором
27 м, размером каждой шахты 8,5 X8,5 м.
Наиболее целесообразна двухкамерная конструкция, обеспечиваю-
щая непрерывную работу шлюза. В этом случае в одной камере идет
шлюзование, а другая открыта для привлечения и накопления рыбы. . "
Процесс одного 'шлюзования в этих сооружениях продолжается 40—
55 минут. ‘ >
Гидравлический рыбоходный шлюз с наклонной камерой! Этот тиц
рыбопропускного сооружения отливается от шахтного типа тем, что
вместо вертикальной рыбоподъемной шахты устраивают наклонную ка-
меру, в которой создается ток воды, и рыба поднимается в ней самостоя-
тельно без механических побудительных устройств. -
В рыбоходных шлюзах шахтного типа условия подъема рыбы в ка-
мере значительно отличаются от естественных. Многочисленные подвйж- .
ные механические устройства (побудительные решетки, затворы и др.)
создают некоторую вибрацию, и непривычный для рыбы шум, что может
отпугивать рыбу от входа в рыбоподъемники и вызывать травмирова-
446
иие ее при подъеме и спуске. В'гидравлическом рыбоходном шлюзе та-
-ких устройств нет, что является весьма ценным его преимуществом.
Гидравлический рыбоходный шлюз впервые был предложен Бор-
лендом и построен в 1955 г. при плотине Торр Эчилти (Шотландия)
[231].
Рыбопропускное сооружение аналогичного типа, но на значительно
больший напор (40 м) и более совершенной конструкции входных и вы-
ходных устройств разработано Московским отделением института «Гид-
роэнергопроект* для гидроузда на р. Даугаве (Западная Двина). Схе-
ма сооружения приведена на рисунке 335 [159].
Рис'. 335. Гидравлический рыбоходный шлюз с наклонной камерой:
f — подводящцй канал; 2— плоский затвор входного отверстия; 3 —нижняя часть камеры; 4 — сброс-
ной сифон; 5 — наклонная часть камеры; б —верхняя часть камеры; 7 —спускной трубопровод;
& — успокоительный бассейн верхней части камеры; S — верхний клапанный затвор; 10 — выходное
отверстие;// —турбинный водовод малого агрегата: 12 — крановое помещение; /3 — генераторное
помещение; 14 — малый гидроагрегат;,15 отводящий канал малого агрегата; 16 — нижний клапан-
...... • ный затвор; /7—решетки; /в;-*перепускной клапан опорожнения.
В нижнюю часть наклонной камеры рыба привлекается током воды
в 10 м31сек, который пропускается через турбину 14 мощностью
3200 кет, нижний клапанный затвор16 й решетку 17при открытом зат-
воре 2 нижней части камеры.
После этого заТ-вОры Нижней части Камеры 16 й 2 закрываются и во-
да пускается из верхнего бьефа через клапанный затвор 9 в соедини-
тельную наклоннутр часть камеры 5, и рыба постепенно поднимается по
этой камере, следуя за поднимающейся водой. Для сохранения тока во-
ды в наклонной части камеры при полном ее заполнении предусматри-
вается пропуск йз верхнего бьефа расхода около 3,5 м3!сек, сбрасывае-
мого в отводящий канал малого агрегата с помощью сифонного устрой-
ства 4. При этом в соединительной части камеры создается скорость
течения 0,4. л/сек.
По выходе рыбы в верхний бьеф затвор 9 закрывается и камера ос-
вобождается от воды через отверстие 18. Затем открываются затворы
нижней части камеры 16 И 2, и начинается новый цикл шлюзования.
Рабочий цикл шлюзования длится 1—Р/г часа, бесполезная в энер-
гетическом отношений затрата воды через рыбопропускное сооружение
составляет около 0,8 м?1сек.
Гидравлический рыбоходный шлюз пригоден для свободного про-
хода рыбы всех видов и размеров как вверх, так и вциз, удобен в
447
компоновке и наиболее перспективен для практического применения при
больших напорах.
Кроме рассмотренных типоЬ, известны рыбоходный шлюз с клапан-
ными затворами и гидравлическим приводом, разработанный М. М. Сол-
датовым '(СССР); рыбоходный шлюз с крышевидными затворами гид-
равлического действия, предложенный Кирком (США), и др.
§ 4. РЫБОПОДЪЕМНИКИ И ДРУГИЕ СПОСОБЫ ПРОПУСКА РЫБЫ
• . /
Рыбоподъемники. Рыбоподъемниками называются рыбопропуск-
ные сооружения, служащие для подъема рыбы из нижнего бьефа в верх-
ний с помощью специальных механических устройств. Рыбу поднима-
ют в особых камерах, наполненных водой, или в сетях насухо. В каждом
рыбоподъемнике можно выделить две основные части: улавливающую
и транспортирующую.
Улавливающая часть состоит из подводящего канала, питае-
мого водой из верхнего бьефа, и ловушки.
Транспортирующая часть состоит из подъемной камеры и
подъемного механизма. У большинства предложенных систем рыбоподъ-
емников ловушкой служит сама подъемная камера. Рыбоподъемники,
так же как и судоподъемники, можно разделить на две категории:
перемещающие камеры с рыбой в вертикальном направлении и переме-
щающие камеры по наклонной плоскости.
Условия пропуска рыбы с помощью рыбоподъемников резко отли-
чаются от естественных, что отрицательно сказываёТся на состоянии ры-
бы, поэтому рыбоподъемники не получили широкого распространения.
Другие способы, пропуска рыбы. Для пропуска рыбы через гидро-
узлы, кроме рассмотренных выше сооружений, существуют и другие
способы. ; ч
Использование судоходных шлюзов. Наблюдения
показали, что на некоторых гидроузлах значительная часть рыбы про-
ходит в верхний бьеф через судоходные шлюзы. Это происходит в том
случае, когда судоходный шлюз в гидроузле расположен благоприятно
в отношении пропуска рыбы.
Специальные исследования показали, что приспособление действу-
ющих судоходных шлюзов для пропуска рыбы технически возможно и
экономически целесообразно, особенно на построенных гидроузлах, без
специальных рыбопропускных сооружений. Для этого необходимо: соз-
дать запас воды в водохранилище сверх НПУ и постепенно сбрасывать'
его через шлюз в периоды между шлюзованиями судов; установить в
необходимых местах направляющие сети; проводить в ночное время мно-
гократное дополнительное шлюзование для пропуска только рыбы и др.
[93].
Виды дополнительных мероприятий и объемы работы в каждом кон-
кретном случае устанавливают на основании специальных натурный, а
иногда и лабораторных исследований. z
Плавучее рыбопропускное устройство. Такое устрой-
ство состоит из двух специальных судов. Первое судно оборудуют при-
емным лотком, аналогичным лотку рыбохода, насосной установкой, по-
дающей воду в лоток для привлечения рыбы, и бассейном для-накопле-
ния рыбы, поступающей по лотку. Накопившуюся рыбу переводят в
бассейн второго судна и перевозят в верхний бьеф [139].
Преимущество такого способа пропуска рыбы заключается в том,
что плавучее устройство можно устанавливать в местах наибольшего
скопления рыбы, использовать на гидроузлах, где нет рыбоходов или
где они плохо работают. ’ ;
Пропуск рыбы в нижний бьеф. Для сохранения запасов
рыбы в водоемах необходимо обеспечить проход рыбы не только из
448
нижнего бьефа в верхний, но и в обратном направлении. Обратный про-
пуск рыбы (скат), поднявшейся в верхний бьеф, а также молоди, по-
явившейся после нереста, в основном происходит следующими путями:
через водосливные и водосбросные отверстия; через существующие ры-
бопропускные сооружения и судоходные шлюзы; через крупногабарит-
ные и малоскоростные турбины ГЭС и по специальным рыбопропускным
сооружениям.
Следует отметить, что вопросы, связанные со сйатом рыбы и устрой-
ством рыбоспусков, слабо изучены. По имеющимся сведениям рыбо-
спуски рекомендуется устраивать по типу рыбоходов, но с более круты-
ми уклонами, меньшими бассейнами'и с большей, разностью уровней
между ними. *
§ 5. РЫБОЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА И МЕРОПРИЯТИЯ
ПО УЛУЧШЕНИЮ РАБОТЫ РЫБОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
При использовании стока рек для самотечного или машинного оро-
шения земель, водоснабжения населенных пунктов и получения электро-
энергии вместе с забираемой водой в системы попадают как молодь,
так и'взрослые рыбы. Это приводит к гибели рыбы и особенно массо-
вой гибели молоди, скатывающейся по течению. Поэтому для сохранения
покатой рыбы и ее молоди применяют различные типы рыбозащитных
устройств. Такие устройства используют не только дЛя защиты покатой
рыбы, но и для рыбы, идущей вверх на нерест через рыбопропускные
сооружения. . <
По характеру применяемых конструкций рыбозащитные устройства
разделяются на следующие типы: неподвижные сети и решетки, механи-
ческие заградители и электрозаградители. , -
Неподвижные сети и решетки. Сети и решетки могут быть установ-
лены в обоих бьефах гидроузлов для преграждения йути подхода рыбы
к нежелательным местам и направления ее к входным отверстиям
рыбопропускных сооружений. На рисунке 336 приведена Схема рас-
положения ограждающей и направляющей сети в нижнем бьефе гидро-
узла.
Сеть изготовляется из оцинкованной проволоки d=l,5—2 мм или
из капрона и подвешивается на поплавках или на свайных опорах. Ре-,
щетку изготовляют из металлических прутьев. Просветы между стерж-
нями принимают в зависимости от назначения решетки и размеров
рыбы.
При установке решеток и сетей учитывают размеры их ячеек, ско-
рость течения, засоряемость и возможность очистки, условия судоходст-
ва и т. п. . '
Основные недостатки таких устройств: быстрая засоряемость, зат-
руднительность очистки (особенно сети), некоторая потеря напора и
мощности ГЭС и Др.
Механические заградители в оросительных каналах. Для предохра-
нения взрослой рыбы и молоди от попадания в оросительные каналы й
во всасывающие трубы насосных станций применяют различные типы
механических заградителей. Они должны работать непрерывно в тече-
ние продолжительного времени без осмотра, очистки и ремонта, а
также задерживать и направлять взрослую рыбу и молодь обратно в
реку.
Этим требованиям в значительной мере удовлетворяет механический
заградитель в видё вращающегося сетчатого цилиндра, устанавливае-
мого поперек канала (рис. 337).
Размеры отверстий металлической сетки 6X6 мм. Барабан вращает-
ся небольшим электромотором или водяным колесом с помощью цеп-
ной передачи. На дне устраивают уплотнение из листовой резины.
29—1650
449
Размеры барабана ..определяются в зависимости от глубины воды
и ширины канала. После установки верх барабана должен возвы-
шаться над максимальным уровнем воды в канале на 15—20 см.
Для выпуска задержанной заградителем рыбы и активной молоди
устраивают специальный лоток, соединяющий оросительный канал с ре-
кой. Входное отверстие лотка располагают в непосредственной близо-
сти от заградителя.
Рис. 336. Схема установки направ-
ляющей сети:
/ — плотина; 2 — рыбоход; 3 — направляю-
щая сеть; 4 — отверстие для прохода пока-
той рыбы.
Для защиты рыбы и активной мо-
лоди от попадания во всасывающие
трубы насосных установок применяют
механические самоочищающиеся рыбо-
заградители, разработанные лабора-
торией рыбозащитных сооружений и
электролова ГосНИОРХ [116].
Электрозаградители. Устройство
электрических заградителей основано
на раздражающем действии электри-
ческого тока на организм рыбы. Для
этого на пути рыбы создают элект-
рическое поле соответствующего на- ч
пряжения, попадая в которое рыба
чувствует раздражение и стремится
выйти за его пределы.
В конструшйй адектрического рыбо-
заградительиЬ|ю^уйтройствИ-'{йРЗУ-1),
.разработанной ГосНИОРХ'г/'аз^Три-
ческое поле создается системой элек-.
тродов, которая представляет собой
один ряд вертикально расположенных
труб диаметром от 50 до 100 мм, изго-
товленных из металла, не подвержен-
ного коррозии.
Длину электродов устанавливают
в зависимости от глубины воды в ство-
ре расположения заградителя с уче-
том того, что электроды на 0,1—0,3 м
не достигают как дна водоема, так и его поверхности.
Расстояние между электродами и эффективную величину напряжен-
ности электрического поля назначают в соответствии с размерами рыб
(по специальной таблице). z -
Система электродов может, быть подвешена на тросе, установлена
на поплавках или укреплена на сваях. Чтобы обеспечить, свободно вися-
щим электродам более устойчивое вертикальное положение, нижнюю
частьтруб заполняют бетоном. '
Рыбозаградительное устройство ЭРЗУ питается прерывистым пере-
менным током, который подается через трансформатор' Для получения
прерывистого тока используются игнитронные прерыватели ПИЩ-50 или
ПИШ-100, которые обеспечивают получение импульсного переменного
тока с Продолжительностью имйульса и паузы в пределах 0,02—0,35 сек.
Необходимое напряжение для питания системы электродов и’ расход
энергии вычисляются по методике ГосНИОРХ, разработанной на осно-
вании теоретических, лабораторных и натурных исследований |117].
Однако следует отметить, что электрические рыбозаградители име-
ют существенные недостатки, основные из которых-- следующие:
а) непригодность их для защиты пассивной молоди;
б) отсутствие достаточных данных по эффективности их применения
для защиты активной молоди;
в) значительный расход электроэнергии й необходимость специаль-
450
кого оборудования для их устройства (трансформатор, прерыватель то-
ка, кабель и др.);
г) необходимость обеспечения и соблюдения строгих мер предосто-
рожности по предотвращению несчастных случаев.
Вопросы рыбозащитных устройств изучены слабо. Имеющиеся ма-
лочисленные конструкции таких устройств несовершенны и не получили,
широкого распространения. Совсем не изучен вопрос о защите пассивной
молоди, и' в этой области не имеется никаких рекомендаций и ни одного
приемлемого для практики разработанного метода. , 1
Рис, 337, Мехайнческий-сетчатый,заградитель-для взрослой рыбы и активной молоди:
7 — грубая рещетка: 2— отверстие для пропуска рыбыЧ 8 ~ подъемник аатаора; 4 — водяное’ колесо;
5 — барабан; б— сетка; 7 — донное уплотнение.
Мероприятия по улучшению работы рыбопропускных сооружений.
Важнейшим условием успешной работы рыбопропускных сооружений
является правильный выбор местоположения их в общем комплексе со-
оружений гидроузла. /
, При решении этой задачи встречаются значительные трудности, свя-
занные с рядом таких малоизученных-вопросов, как определение мест
скопления различных пород рыб у сооружения, поведение их при пере-
менных условиях работы гидроузлов в целом и др.
Натурные исследования работы построенных рыбопропускных со-
оружений в гидроузлах различной компоновки позволяют дать ряд об-
щих соображений, облегчающих решение этого вопроса.
При размещении всех основных сооружений гидроузла в одном
лстворе и при пропуске воды в период хода рыбы через плотину рыбо-
пропускные сооружения могут быть расположены у берегов (при при-
брежном, подходе рыб) и у места примыкания плотины к зданию гидро-
станции (при руеЛовом продвижении рыб). На рисунке 338 показано
движение рыбы в нижнем бьефе гидроузла при одновременной работе
гидростанции и плотины [7].
Для широких рек, при интенсивном ходе рыбы по всему фронту, же-
лательно -устраивать несколько рыбопропускных сооружений. Наибо-
лее удобными местами для них в большинстве, случаев являются бере-
говые устои и раздельные быки между зданием гидростанции и пло-
тиной. , •
При косом расположении водосливной плотины наилучшим местом
для рыбопропускных, сооружений служит верхний ее конец.
Если в период хода рыбы пропуска воды через плотину нет, рыбо-
пропускное сооружение устраивают только при гидростанции.
Конструкция входной части должна по возможности исключать об-
разование перед ней завихрений, дезориентирующих рыбу.
29*
451
Для лучшего привлечения рыбы должна быть создана достаточно
мощная и заметная для рыбы свежая струя, вытекающая из входного
отверстия со скоростью, равной или превышающей скорость течения
основного потока, и с направлением струи, удобным для подхода рыбы
ко входу. Входы в рыбоход и лоток следует устраивать открытыми свер-
ху и хорошо освещенными.
Рис. ,338. Движение рыбы в нижнем
/ — здание ГЭС; 2— бетонйая водосливная плотина;
ли энергии потока; 4 — искусственное крепление
5 — естественное русло реки.
бьефе гидроузла:
3 — трапецеидальные гасите-
иижнего бьефа гидроузла;
Нельзя располагать вход в зоне стоянки судов, лодок и выходов
сточных вод.
Выход из рыбопропускного сооружения в верхний бьеф следует рас-
полагать в достаточном удалении от водосливных отверстий плотин и
здания гидростанции, чтобы избежать увлечения рыбы течением и
сброса ее обратно в нижний бьеф.
§ 6. ВИДЫ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА ЛЕСА И ТИПЫ
ЛЕСОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ
По лесным ресурсам и площади, занятой лесом, СССР занимает
первое место и является самой богатой страной в мире. Так, например,
из общей площади, покрытой лесом на земном шаре и равной
3837,3 млн. га, на долю СССР приходится 722,3, Бразилии — 480, Кана-
ды— 342, США — 252 млн. га [216].
За годы Советской власти лесное хозяйство и лесная промышлен-
ность подверглись коренной реконструкции и превратились в крупйые
механизированные отрасли хозяйственной деятельности страны. В соот-
ветствии с этим количество лесйых грузов непрерывно увеличивается,
и в общем грузообороте по внутренним водным путям СССР они зани-
мают основное место. Для передвижения лесных грузов по водным путям
применяются следующие виды транспорта:
1) молевой сплав — транспорт леса отдельными бревнами;
2) кошельный сп л а в— транспорт леса в ^ошелях, при кото-
ром группа бревен обносится гибкой плавучей рамой, состоящей, из от-
дельных звеньев — бревен;
3) плотовой .сплав, при котором'бревна соединены между со-
бой, сплочены в особые единицы — челёны или пучки, из которых состав-
ляются плоты;
452
4) транспорт леса в судах различных типов -и конст-
рукций.
На судоходных реках при возведении на них гидроузлов возникает
необходимость пропуска лесных грузов через плотины. Если при гидро-
узле имеется судоходный шлюз или судоподъемник, то в большинстве
случаев их используют и для пропуска лесных грузов (плотов). Однако
такое совмещение не всегда бывает рационально. На несудоходных ре-
ках, имеющих лесосплав, строительство шлюзов при плотине только с
целью пропуска лесных грузов в большинстве случаев экономически не
оправдывается. Поэтому в таких случаях устраивают специльные лесо-
пропускные сооружения, например бревноспуски, плотоходы, плотошлю-
зы, лесоподъемники, лесосплавные лотки и др.
Рис. 339. Схемы бревноспусков:
а — из параллельных лотков с порогами на разной высоте; б —с наклонным разборным
дном; в — с подвесным лотком; г — с опускным сегментным Затвором.
- Бревноспуски. Их устраивают в низконапорных гидроузлах на не-
больших реках для пропуска бревен при молевом сплаве. Они представ-
ляют собой узкие лотки прямоугольного или трапецеидального попереч-
ного сечения, обычно деревянной конструкции.
Бревноспуски в верхнем бьефе имеют самостоятельный вход, пере-
крываемый простейшим затвором, размещаются большей частью в усто-
ях плотины.или вне плотины у одного из берегов и имеют уклон до 1 : 10.
Для обеспечения пропуска, бревен при переменном уровне воды в
верхнем бьефе конструкцию бревноспуска выполняют по одной из схем,
приведенных на рисунке 339.
При необходимости уменьшить скорость движения бревен применя-
ют различные типы усиленной шероховатости.
Необходимую ширину бревноспуска прямоугольного сечения опре-
деляют по формуле:
b = ndcp + 2с,
(490)
453
тде п — число рядов бревен по ширине лотка;
dcp —средний диаметр бревен;
с—боковой запас, принимаемый равным 0,1—0,15 м.
Наиболее распространенная ширина существующих бревноспусков
равна 1,5—2 м.
Глубину воды в бревноспуске определяют по формуле:
й = у1г/иакс + Дй, (491)
где Yi— удельный вес бревен, равный 0,7—0,8;
^макс— максимальный диаметр сплавляемых бревен;
ДЛ—донный запас, принимаемый в пределах 0,05—0,1 м.
Сплавопропускную способность бревноспуска [175] можно опреде-
лить по формуле:
N — 3600 со nv ф м3[час, (492)
где в> — площадь поперечного сечения бревен среднего диаметра, рав-
ная —™, .и2;
п—число рядов бревен по ширине (обычно 2—3);
v — скорость течения в месте ввода бревен в лоток или скорость
подачи при искусственном вводе, м!свк,-,
<р — коэффициент продольного заполнения бревнами входного от-
верстия; при сплаве в 1 ряд ф=0,7; з 2 ряда <р=0,6; в 3 ряда
Ф = 0,5; в 4 рядаф=О,4; при бблъшвй числе рядовф=0,3—0,2.
Гндранлический-расчет брев-
Рис. 340. Схема установки щйта-вихреоб-
разователя перед входом в туннель Да-
ховской. ГЭС иа р. Белой:
1 — щит-вйхреобразователь: 2 —вихревая воронка;
3 — лебедка; 4 — раздельный бык; 5 — туннель.
носпусков выполняю^ тйкже,д<ак
и быстротоков.
Рассмотренные схемы брев-
носпусков обычно применяют при
напорах, не превышающих 4—5 м.
Для пропуска молевой древесины
при больших напорах проф.
В, С. Фокеёв [204] рекомендует ис-
пользовать искусственно со-
здаваемые вихревые воронки
(рис. 340).
Лабораторные и. натурные
исследования работы щита-вихре-
образователя и вихревой воронки
показали, что воронка лучше все-
го работает при отношении
L : В —1,5, где L -г- расстояние от
щита до отверстия и В —ширина
щита -вихреобразователя. Работа
воронки улучшается при уста-
новке щита наклонно в сторону
верхнего бьефа. На 1 м3 транспортируемой древесины расходуется До
40 м3. воды. Для экономии воды рекомендуется предварительно собрать
д подготовить сплавляемую древесину для пропуска через^ аоронку.
При недостатке воды примёнение бревноспусков или Использование
вихревых воронок может оказаться невозможным. В этом случае лес
переваливают через плотины с помощью механических бревнотасок
(продольных или поперечных транспортеров). . -
Плотоходы. Для пЛотового сплава разработавы различные типы
плотоходов, отличающихся как конструкцией, так и принципами работы:
плотоходы в виде широкого лесосплавного лотка, плотошлюзы, механи-
ческие плототаски и др. '
-454
Плотоход в виде широкого лесосплавного лотка
по характеру работы сходен с бревноспуском и отличается от него лишь
большей шириной лотка. Ширина лотка таких плотоходов бывает от
5 до 20 м, уклон лотка 0,01—0,02, допускаемая скорость 2—4 м!сек.
Ширина лотка определяется в зависимости от размеров пропускае-
мых плотов. Для неуправляемых плотов, которые могут поворачиваться
при спуске, ширину лотка принимают
Вп^/д + (0,6~1,0)ж,
где — длина диагонали наибольшего плота, м.
Для управляемых плотов В'а—bn 4-(1—2)jm, где Ьп—ширина наи-
большего плота, м~.
Глубину воды в плотоходе принимают в зависимости от осадки
сплавляемых плотов с учетом донного запаса: для. однорядных плотов
0,5—0,6 м, для двухрядных 0,8—0,95 м и для трехрядных 1,1—1,2 м.
Для уменьшения скорости движения плотов по лотку применяют
различные типы усиленной шероховатости. В концевой части лотка для
смягчения механического удара при переходе плота с лотка в нижний
бьеф устраивают шарнирные плавучие рамы.
Гидравлический расчет таких плотоходов аналогичен расчету быст-
ротоков.
Плотоход со шлюзовой камерой (рис. 341), кроме
головного, имеет цторгоА— вспомогательный затвор, позволяющий соз-
дать рщаПале плотохода камеру-для, размещения плота. После ввода
плота'в камеру закрывают головной затвор и, открывая вспомогатель-
ный затвор, спускают плот вместе с водой камеру,
Наличие шлюзовой камеры дает значительную Экономию воды при
пропуске плотов.
Таким плотоходом, построенным в СССР на одной из плотин, пре-
одолевается высота 10,4 м.
' Т Рис. 341. Схема плотохода со шлюзовой камерой;
— головнойчзатвор; 2 — шлюзовая камера; 3 — вспомогательный затвор.
Существуют и другие конструкции плотоходов. Например, запроек-
тировано лесцпропускное сооружение [158], названное пл бтош л юзом
(предложение иНЖ.М.Л. Ханина), в котором плот из шлюзовой камеры
спускается в нижний бьеф с помощью специальной тележки. Кандида-
том технических наук В. Ц. Ануфриевым предложен плотоход с гидрав-
лическим торможением и др. [8]. .
ОСНОВНАЯ ЛИТЁРАТУРА
1. Агасиев’а С. И. Боковые водосливы и траншейные сбросы. Госстройиздат, 1956.
2. Аг роек ин И. И., Д м и т р и е в Г. Т., П и к а л о в Ф. И. Гидравлика. Госэнер-
гоиздат, 1954. ’
3. Алтунин С. Т. Регулирование русел рек при водозаборе. Сельхозиздат, 1950.
4. Алтунин С. Т., Бузу нов И. А. Защитные сооружения на реках. Сельхоз-
гиз, 1953.
5. А л т у н и н С. Т. Регулирование русел. Сельхозиздат, 1962.
6. Амбарцумян Г. А., Гяракян Г. А., Микаелян В. Г., Кашыкема-
нян А/К. Новый тип шугосброса. «Гидротехника и мелиорация» № 1, 1956.
7. Антонников А. Ф. Гидростроительство и вопросы рыбопропускных сооруже-
ний. «Гидротехническое строительство» № 3,1964.
8. Ануфриев В. Е. Плотоход с гидравлическим торможением. «Гидротехническое
строительство» № 3, 1958. '
9. А п о л Л о с о в В. М. Строительство гидротехнических сооружений сборной конст-
рукции. Сельхозгиз, 1954.
10. Артамонов К. Ф- Регулировочные сооружения при водозаборе. Издательство
АН (Киргизской ССР, 1963.
11. А рыков а А. И. и Жулаев Р. Ж. Улучшенный тип водозабора с донной ре-
шетчатой галереей. Издательство АН Казахской ССР, 1961.
12. Арыйова А. И. Некоторые результаты исследований водозабора с донной гале-
реей. Известия АН Казахской ССР, серия Энергетическая, вып. 3, 1950.
13. Б а сев и ч А. 3. Массивные гидротехнические сооружения с искусственным обжа-
тием бетона. Госстройиздат (Ленинград, отд.), 1957.
14. Беляшевский Н. Н. Опыт строительства и эксплуатации улучшенных типов
водосливных плотин из каменной наброски. Издательство АН УССР, 1953.
15. Бережной А. А. Новый тип шугосбросного устройства. «Гидротехническое
строительство» № 7, 1946.
161 Березинский А. Р. Гидротехнические сооружения. Изд-во «Энергия», 1965. .
17. Березинский А.Р. Затворы гидротехнических.:сооруй4ений СССР. Гострансиз-
дат, 1936.
18. Б ер ез и н ский А. Р. и др. Применение сборного железобетона в гидротехниче-
ских сооружениях. Госстройиздат, 1959.
19. Близняк Е. В., Гришин М. М. др. Гидротехнические сооружения, т. I.
Стройиздат, 1938.
20. Б л изи як Е./В., Гришин М. М. и др. Гидротехнические сооружения, том II.
Стройиздат, 1939.
21. Блинов С. И. Возведение плотин в зимних условиях. «Гидротехническое строи-
тельство» № 1, 1949.
22. Б о б р о в Р. И. Даменнонабросные плотины с грунтовыми экранами. «Гидротехни-
ческое строительство» № 10, 1959.
23. Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика, Стройиздат, 1965.
24. Бондарь Ф. И., Ереснов Н. В., Суров И. Е. Специальные водозаборные
сооружения. Госстройиздат, 1963.
25. Бондаревский Ю. П. Крепление откосов земляных сооружений бетонными
ящиками с каменным заполнением. «Гидротехническое строительство» № 9, 1965.
26. Б о ч к а р е в Я. В. Гидравлические затворы для автоматизации водозабора и водо-
распределения на оросительных системах горно-предгорной зоны (руководство к про-
ектированию). Издательство КиргизИНТИ, 1965.
27. Бцодский Л. И. и П.отапов В. М. Борьба с шугой при водозаборе нз р. Ку-
бани. «Гидротехника и мелиорация» № 12, 1954.
28. Быков Л. С. 25 лет канала имени Москвы, «Гидротехническое строительство» №7,
1962.
29. В а р т а з а р о в С. Я. Эксплуатационные режимы гидротехнических сооружений
деривационных гидроэлектростанций. Госэнергоиздат, 1950.
30. В а р х о т о в Т. Л. Сборио-монолитиые и сборные ячеистые плотины. Госстройиз-
дат, 1962.
31. Васильев Л. В. Разработка конструкции плавучего затвора для гидротехниче-
ских сооружений. ВНИИГ, аннотации законченных в I960 г. научно-исследователь-
ских работ по гидротехнике. Госэнергоиздат, 1962,
32. Васильев Л. В. Новая конструкция многоарочной плотины. «Гидротехиическог
строительство» № 6, 1951.
33. Васильев Л. В. Контрфорсная плотина с напорным перекрытием из цилиндриче-
ских и призматических оболочек. ВНИИГ, аннотации законченных в 1959 г, научно-
исследовательских работ. Госэнергоиздат, 1961.
34. В а с и л ь е в А. Ф. Возведение плотин из моренных грунтов отсыпкой в воду.
«Гидротехническое строительство» № 3, 1951. 1
35. Великанов М. А. Динамика русловых потоков, том II. Госиздат, 1955.
36. Великанов М. А. Гидрология суши. Гидрометеоиздат, 1948.
37. В о л к о в И. М. Обзор результатов исследований движения волны попуска по су-
хому руслу. Труды Института энергетики, т. I. Издательство АН Казахской ССР,
1958.
456
38. Волков И. М. О наибольшей скорости движения фронта волны наполнения в на-
чальный период излива в сухое русло. Труды Казахского ГСХИ, т. VI, 1959.
39. Волков И. М. Расчет движения волны попуска по сухому руслу. Труды Инсти-
тута энергетики, т. III. Издательство АН Казах. ССР, 1961.
40. Волков И. М. Формирование и распространение прямой отрицательной волны
в иижнем бьефе гидросооружений. Труды Казахского ГСХИ, т. VI, 1959.
41. Волков И. М., Пустыльииков Я. А. К вопросу о гашении напора фильтра-
ционного потока под гидротехническими сооружениями на иескальном основании.
Труды Казахского ГСХИ, т. VI, 1959.
42. Вол нин Б. А. Высокие намывные и полунамывные плотины США. Госэнергоиз-
дат, 1958.
43. Вощи ни н А. П. Упрощенный метод фильтрационных расчетов земляных плотин.
«Гидротехническое строительство» № 8, 1957.
44. В ы з г о М. С. Эксплуатационные мероприятия, прогнозы и способы уменьшения
местных размывов за гидротехническими сооружениями. Издательство «Наука», Уз-
бекской ССР, 1966.
45. Г в е л е с и а н и Л. Г. Режим наносов р. Риони. Известия Института сооружений и
гидроэнергетики, т. III, 1950.
46. Гвоздев В. С. Пути улучшения конструкций низконапорных плотин. Госстрой-
издат, 1952.
47. Г в о з д е в В. С. Упрощенный деревянный трубопровод из плоской клепки. Сверд-
ловский Облиздат, 1950.
48. Г е г е л и я • Т. Г. Наиосоперехватывающий канал-коллектор водозаборной плоти-
ны. «Гидротехническое строительство» № 12, 1958.
49. Ге гелия Т. Г. Новая схема водозабора тирольского типа с рациональным про-
мывом. «Гидротехническое строительство» № 8—9, 1944.
50. Гемота Е. 3., Нурмухамедов Ю. К. Горное дело. Издательство «Нед-
ра», 1965.
51. Г о л ь д щ т е й и М. Н. О расчете волнозащитной одежды из каменной наброски.
«Гидротехническое строительство» № 10, 1956.
52. Гончаров В. Н. Основы динамики русловых потоков. Гидрометиздат, 1954-
53. ГОрбунов^Пасадов М. И. Расчёт конструкций на упругом основании. Гос-
стррйийат, 1953.
54. Гордиенко Г. И. Водосливные плотины из каменной наброски. «Гидротехниче-
ское строительство» № 3. 1944.
55. Горчаков М. П. и Пузыревская Т. Н. Водосливные плотины из кэменной
наброски типа, предложенного Н. П. Пузыревским. «Гидротехника и мелиорация»
№ 2, 1956.
56. Гостунский А. Н. и Абальянц С. X. Боссуйский шугосбросный лоток.
«Ирригация и гидротехника» Ns 1, Ташкент, 1936.
57. Г о с ту нс к цй А. Г. Поведение взвеси в турбулентной среде, Ташкент, 1949.
58. Г р а ц и а н с к и й М. И. Улучшенные типы низконапорных плотин. Гостехиздат
Украины, 1948.
59. Гр и г о р ь е в С. Н. и Ш а д р и н И. А. Выправительные, работы на реках. Вод-
траисиздат, 1954.
60. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения. Госстройнздат, 1962.
61. Гришин М. М. Каменнонабросиые (каменно-земляные) плотины. «Гидротехни-
ческое строительство» № 7, 1965.
62. Гришин М. М. Гидротехнические сооружения, ч. I. Госстройнздат, 1954; часть II,
Госстройнздат, 1955.
63. Г р о м о в В. И., Ф л е к с е р Я. Н. Использование водной энергии. Сельхозгиз,
1952. ~
64. Губин Ф. Ф. Гидроэлектростанции. Госэнергоиздат, 1949.
65. Д а н е л и я Н. Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными на-
носами. Изд-во «Колос», 1964.
66. Данилевский В. В. Русская техника. Лениздат, 1948.
67. Джимшели Г. А., Саралидзе А. Э., Кереселидзе Н. П. Нанососбра-
сывающий дойный водозабор. «Гидротехническое строительство» № 2, 1958.
68. Джунковский Н. Н. и Березинский А. Р. Внутренние водные пути.
Стррйиздат, 194$.
69. Джунковский Н. Н., Близняк Е. В. и др. Введение в гидротехнику. Гос-
стройиздат, 1955.
70. Ду б р о веки й Б. К. Применение потокообразователей для создания майн перед
затворами плотины Новосибирской ГЭС. «Гидротехническое строительство» № 9,
71. Дудкин А. С. Шугосброс-воронка. «Гидротехническое строительство» № 3, 1953.
72. Егиазаров И. В. Расход влекомых потоком наносов. Известия'АН Армянской
ССР, т. II, 1949.
73. Ереснов Н. В., Семенов С. И., Бондарь Ф. И., Суров И. Е. Речные
водозаборные сооружения. Госстройнздат, 1951.
74. Ж е л е з н я к о в Г. В.. Гидравлические обоснования методов ручной гидрометрии.
Издание АН СССР, 1950.
457
75. Жуковский Н. Е. Полное собрание сочинении, т. ill, Гидродинамика. ОНТИ,
1936.
76. Залькнидсо-н Е. И., Нефедов Е. Е. и Березинский А. Р. Плоские
стальные затворы гидротехнических сооружений. Стройиздат, 1951.
77. 3 а л ь к И н д с о н Е. И., Нефедов Е. Е. Сегментные стальные затворы гидро-
технических сооружений. Госэиергоиздат, 1958.
78. З.алькнидсон Е. И. Проектирование оборудования наклонных судоподъемни-
ков. «Гидротехническое строительство» № 3, 1958.
79. 3 а м а р и н Е. А., Фан леев В. В. Гидротехнические сооружения. Издательство
«Колос», 1965,
80. 3 а м а р и н Ё. А., Фан леев,-В. В. Гидротехнические сооружения. Сельхозгиз,
1960.
81. Ибад-Заде Ю. А. Гидравлические элементы спрямления русла. «Гидротехниче-
ское строительство» № 7, 1959. . '
82. Иванова Т. В. Сифонные водосбросы, ч. II. Гонти, 1939.
S3. Йвя некий А. М. Железобетонные конструкции. Сельхозгиз, 1961. ч
84. И з б а ш С.' В. Постройка плотин наброской камня • в текущую воду. Еосстройнз-
дат, 1932.
85. Инструкция по проектированию деревянных плотин. ВОДГЕО, Стройиздат, 1943.
86. Информационный листок «Средазгипроводхлопок» № 7, 1964.
87. И с а е в А. И., С у х о в е р х о в Ф. М. иЧернов П. Г. Проектирование и экс-
плуатация гидросооружений рыбоводных хозяйств. Пищепромиздат, 1956.
88. Калинрвич Б.Ю. Шлюзование водных путей. Речиздат, 1948.
89. К а н д и б а Б. Н. Регулирование русел’. Издание Научно-мелиорационного инсти-
тута, 1927. „ "
90. К а рауше в А. В. Гидравлика рек и водохранилищ. Речиздат, 1955.
91. Карп Е. М. Проекты стыков сборных железобетонных сооружений. «Гидротех-
ника и мелиорация» № 2, 1965.
92. Качановский Б. Д. Гидравлика судоходных шлюзов. Речиздат, 1951.
93. К и п п е р 3. М. Использование судоходных шлюзов как рыбопропускных сооруже-
ний. «Гидротехническое строительстве»
94. Кириенко И. И. Новый Горщйс^к,.-Др531а.-Грозненской
опытно-мелиоративной станций ЮжНИИГиМ, 1962..
95. Кириллов А,.А,; •йффю'лов Н. Н. Гидротехнические сЬоруЖенйЯ'йд'г^роси-
тельных системах в лессовых'просадочных грунтах. Сельхоздадат, 1963. -
96. К и с е л е в.-П. Г. -Справочник по гидравлическим расчетам. Госэиергоиздат, 1957.
97. К НО-роЗ В. С. Неразмывающая скорость для мелкозернистых грунтов. «Гидротех-
/. нцческое строительство» № 8, 1953.
98. Ко л е с и и к о в И. Т. Промывные галереи с винтообразным движением воды.
«Гидротехническое строительство» № 7, 1940.
99. К о н о н е н к о П. Ф. К вопросу о фильтрационных расчетах. Труды НИМИ т. IX,
1964 и т. VI, 1958.
100. Кононенко П. Ф. Методические указания по фильтрационному расчету. Заоч-
ный факультет НИМИ, 1964. ,
101. Кононенко П. Ф. К вопросу о теоретических-и экспериментальных иеследо-
дованиях иижнего бьефа гидротехнических сооружений. Труды НИМИ, т. IX, 1964.
102. Кузьмин К- К. Высотная Асуанская плотина. «Гидротехническое строительст-
во» № 9, 1964.
103. Ку хи анид зе И. И. Усовершенствованный донный водозабор тирольского типа
с наносоперехватывающей и расходораспределительной галереей-песколбвкой. Изв
ТНИИСГЭИ, т. 9, 1955. ' • - '
104. Кякк В. А. Распределительные системы питания судоходных шлюзов. Госэнерго-
издат, 1963. ‘
105. Лавринович Л. П. Типы низкоиапорных деревянных плотин. Речиздат, 1950.
106. Л а ты ш енков А. М. Деревянные ряжевые плотины средних и высоких напо-
ров. Госстройиздат, 1945.
107. Леви И. И. Динамика русловых потоков. Энергоиздат, 1957.-
108. Леви И. И. Водоприемники гидроэлектростанций. Госэиергоиздат, I960.
109. Леонтьев Н. Н., Соболев Д.. Н. Приближенный расчет арочной плотины
на действие продольной сейсмической нагрузки. «Гидротехническое строительство»
110. Л итинский 3. Э. и Коньков С. А. Перекрытие р. Терека.'направленным
взрывом. «Гидротехника и мелиорация» № 8, 1959.
111. Лихачев В. П., Л уз Ан С. В. и др. Методы расчёта устойчивости и прочно-
сти гидротехнических сооружений (железобетонные сооружения на -феекйльных
основаниях), Госстройиздат, 1961.
112. Лопатин Г, В. Наиосы рек СССР. Географгиз, 1952. . •
113. М а к к а нее в В. М., Коновалов И. М. Гидравлика. -Речиздат, 4940. .' '
114. Малхазян Р. С. Новый тип шугосброса. «Гидротехническое-строительство»№3,
Иб. Манджавадзе Н. Ф. и Мамрадзе Г. Н.'Каталог высоких платин (вы-
сотой более 75 л). Издание АН Грузинской ССР, 1963. ’ .
458
116. Материалы для проектирования механических самоочищающихся рыбозаградите-
лей для насосов. ГосНИОРХ, Л., 1959.
117. Материалы для составления заданий на проектирование электрического заградите-*
ля для рыб типа ЭРЗУ-1. ГосНИОРХ, Л., 1955.
Г18. М адм ан Б. А. К вопросу о расчете перепадов консольного тина. «Вестник-ирри-
гации» № 3, Ташкент, 1927.
119. Мелик-Нубаров С. Г. Водозаборы с донной решеткой: Госэнергоиздат, 1961.
129. Мигни С. И. Основные требования к укладке связного грунта в плотины в зим*
'нее время. «Гидротехническое строительство» № 4, 1949.'
121. Михайлов Г. К. О фильтрации в трапецеидальных плотинах на горизонталь-
ном водоупоре. «Гидротехника и мелиорация» № 1, 1952.
122. М и х а й л о в А. В. Судоходные шлюзы. Стройиздат, 1955.
123. Михайлов К. А. Ирригационные сооружения. ОНТИ, 1937.
124. Михеев П. В- Поток и наносы. ВНИИГиМ, 1952.
125. Моисеев е. Н. Плотины каменно-земЛяиые, набросные и из сухой кладки. Гос-
энергоиздат, 1962. . 1
126. Моисеенко В. М. О противодавлении в гидротехнических сооружениях с уче-
том водопроницаемости бетона. «Гидротехническое строительство» № 3, 1966.
127. Мухамёджа нов Ф. Ш. О расчете осаждения наносов в ирригационных от-
стойниках, «Гидротехника и мелиорация» № 9, 1963.
128. Ни чипорович А. А. Проектирование и строительство высоких плотин из
4 местных материалов за рубежом. «Гидротехническое Строительство» № 8, 1958.
129. Никитин И. К. Криволинейные отстойники с непрерывным промывом, Труды
САНИИРИ, вып. 86. Ташкент, 1957.
130. Н и к и т и н А. Я., Ш о л о х о в В. Н. Опыт эксплуатации и результаты исследо-
ваний водозаборного узла ферганского типа в натуре. «Гидротехника и мелиора-
ция» № 10, 1954. ’ '
131. Нормы и технические условия проектирования бетонных гравитационных плотин
на скальных основаниях, СН 123—60. Госстройиздат, 1961.
132. Обухов А.-Д. Земляные водосбросы с боковым сливом. Труды НИМИ, т. VI,
1958. ’ ,
133. Орлов И. Я. Некоторые вопросы Исследований русел при водозаборе. Институт
. сооружений АН Узбекской ССР, 1952.
134. О ст р о в с к и й А. И. Методические указания по курсу «Гидротехнические со-
оружения», ч. 2. ТИИМСХ, 1958.
135. , Отрешко А. И., ,И в я н с к и й А. М., Шмурнов К. В. Инженерные конст-
рукции в гидромелиоративном строительстве. Сельхозиздат, 1955.
136. П а в лов ск ий Н. Н. О_ фильтрации воды через земляные плотины. ВАСХНЙЛ,
Институт гидротехники и мелиорации, 1931.
137. П а в л о в с к и й; Ж „К Гидромеханический расчет плотни системы А. М. Сен-
кова. ОНТИ, 1936.
138. Павловский Н. Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими
сооружениями и ее основные приложения. Издание Научно-мелиорационного ин-та,
1922; Собрание сочинений, т. II, Изд-во АН СССР, 1956.
139. Пет р а ш е н ь Р. Н. и Ермолов А. И. Плавучие рыбопропускные соору-
- жения.. Бюллетень научно-технической информации Гидропроекта, 1960.
140. П е т р а ш е н ь И. В. Деревянные плотины и шлюзы. ОНТИ, 1936.
141. Петров Г. А. Движение потока в гидротехнических сооружениях с изменением
расхода вдоль пути. Госстройиздат, 1951.1
142. Петров Г. А. Гидравлика переменной массы. Издание Харьковского государст-
венного университета, 1964.
143. Петухов Б. П. Унификация судоходных сооружений для гидроузлов Ангар-
ского и Енисейского каскадов. «Гидротехническое строительство» № 9, 1963.
144. Пилюгин А; Й Рекомендации по укладке связных грунтов в плотины, дамбы
и противофилвтрационйые экраны в зимних условиях. Труды ин-та ВОДГЕО.
вып. 12, Стройиздат, 1965.
145. Платонов В. А, Усовершенствование способов производства работ по возве-
• дению намывных соооруженин. «Гидротехническое строительство» № 12, 1952.
146. Понер Щ. А. Методика расчета наносоперехватывающей траншеи водозабора
с донной решетчатой-галереей. Изв. АН Казахской ССР, серия энергетическая
вып. 10, 1956. ••
14.7 . о по в К. В. Гидротехнические сооружения. Сельхозгиз, 1963.
148. Потапов М. В. Сочинения, т. I. Сельхозгиз, 1950.
149. Поспелов В. Н. Заложение откосов высоких Каменно-земляных/плотин. Тру-
ды МИСИ, Грдротехиические сооружения, сборник 29, 1959. *4
150. П ро Ц ен к о’ Ю. Д. и Василевский А. Г. Механическое оборудование гид-
ротехническнхасооружений каскада ГЭС на р. Паз- (Паатсо-Иокн). «Гидротехниче-
ское стронтелйтво» № 10, 1964.
151. Разин Н. В.' Цимлянский гидроузел. «Гидротехническое строительство» № 12,
1952. - .. • 4'4 -
152. Рекомендации по проектированию и устройству протиВофильтрационных бетонных
облицовок каналов водоснабжения н ирригационных систем. ВОДГЕО, 1966.
459.
153. Роер Г.Н. Новые формулы и методы расчета напорного и безнапорного гидро-
транспорта грунта. «Гидротехническое строительство» № 8, 1948.
154. Розанов Н.П. Контрфорсные плотины. Стройиздат, 1949.,
155. Саваренекий А. Д. Гасители энергии и крепления русел за плотинами. Гос-
стройиздат, 1938.
156. Салахов Ф. С. Новая конструкция водозабора для горных рек. «Гидротехника
и мелиорация» № 5, 1956.
157. Салахов Ф. С. Отстойники с гидромеханической очисткой посредством перед-
вижного сифона. «Гидротехника и мелиорация» № 9, 1959.
158. Саперов В. Ф. Новые типы лесопропускных сооружений. «Гидротехническое
строительство» № 6, 1958.
!59. Саперов В. Ф. Гидравлический рыбоподъемник. «Гидротехническое строитель-
ство» № 5, 1959.
160. Сахновский К. В. Железобетонные конструкции. Госстройнздат, 1959.
161. Семанов Н. А. Шлюзы малых рек. РечиЗдат, 1948.
162. Семанов Н. А. Деревянные плотины. Стройиздат, 1940.
163. Сеикович А. А. Применение предварительного напряжения в конструкциях
гидротехнических сооружений. ГЭИ, 1960.
164. Скиба М. М. Практическая гидравлика для ирригаторов. Изд-во «Колос», 1966.
165. СНиП П-И.3-62. Сооружения мелиоративных систем, нормы проектирования. Гос-
стройиздат, 1963.
166. СНиП П-Б.3-62. Основания гидротехнических сооружений, нормы проектирования.
Госстройнздат, 1962.
167. СНиП П-И.7-65. Расчетные максимальные расходы воды при проектировании гид-
ротехнических сооружений на реках. Госстройнздат, 1966.
168. СНиП П-И.1-62. Гидротехнические сооружения речные, основные положения про-
ектирования. Госстройнздат, 1962.
169. СНиП П-И.1-62*. Гидротехнические сооружения речные, основные положения про-
ектирования. Госстройнздат, 1966.
170. СНиП П-И.4,5,6-62. Плотины насыпные, намывные, каменно-набросные, нормы
проектирования. Госстройнздат, 1963. - -
171. СНиП П-А.12-62. Строительство в. сейсмических района*, нормы Проектирования.
Госстройнздат, 1963. : ' 1 .
172. С обо лин Г. В., Рудаков И. К. Горные решетчатые водозаборы. Киргиз.
ИНТИ, г. Фрунзе, 1964.
173. Соколов Д. Я. Отстойные бассейны для ирригации и гидростанций. Сельхоз-
гиз, 1945.
174. Соколов Д. Я. Водозаборные устройства для гидростанций. ОНТИ, 1937.
175. Справочник по гидротехнике (ВОДГЕО).. Госстройнздат, 1955.
176. С р и б н ы й М. Ф. Расчет струенаправляТощих Дамб мостовых переходов, 1937.
177. Срибный К. Ф. Строительство земляных плотин в зимних условиях. «Гидро-
техника и мелиорация» № 9, 1949.
178. Стандарт Главгидроэнергостроя (СТ 24-4414).
179. Стефанов И. А., Гусев Д. М. Трубчатые паводковые водосбросы из асбо-
цементных труб. «Гидротехника и мелиорапия» № 10, 1955.
180. Стрельцов А. М. Лессовые плотины Средней Азии. «Гидротехническое строи-
тельство» № 6, 1948.
181. Тельке Ф. Водохранилищные плотины. Госстройнздат, 1957.
182. Технические условия и нормы проектирования водозаборов. Сельхозгиз, 1948.
183. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений
(ТУ 24—НО—48), отстойники гидроэлектростанций. Госэнергоиздат, 1949. ?
184. Технические условия и нормы проектирования гидротехнических сооружений, под-
земный контур плотин на нескальном основании. Госэнергоиздат, 1958.
185. Технические условия определения ледовых нагрузок на речные сооружения
(СН 76-59). Госэнергоиздат, 1960.
186. Тимофеев А. П. К вопросу анкерования бетонных конструкций. «Гидротех-
ническое строительство» № 1, 1962. ‘ -
187. Типовые проекты сборных трубчатых гидротехнических сооружений на каналах
оросительных систем. Южгипроводхоз, Ростов-Дон, вып, 4, 1964.
188. Тихий М. и Викторов П. Запасы рыб и гидростроительство. Пищепромиз-
'дат, 1940.
189. У г и н ч у с А. А, Каналы и сооружения на них. Стройиздат, 1953.
190. Угинчус А. А. Гидравлические и технико-экономические расчеты каналов.
Стройиздат, 1965.
191. Указания по проектированию подземного контура водоподпориых сооружений на
нескальных основаниях. Госстройнздат, 1960.
192. Указания по проектированию гидротехнических сооружений, подверженных, вол-
новым воздействиям, СН 288-64. Госстройнздат, 1965.
193. Указания по проектированию судоходных шлюзов, СН 3(13-65, Госстройнздат, 1966.
194. Урицкий А. Я. Опыт строительства Куйбышевской земляной плотины. «Куй-
бышевгидрострой», производственный бюллетень № 7, 1957.
195. Фандеев В. В. Водозаборные плотины с донными решетками. Сельхозгиз, 1955.»
460
196. Федичкин И. К. 'Методы уплотнения грунта в насыпях. Труды НИМИ, т. VII,
1958.
197. Филахтов А. Л. Гидротехнические сооружения. Госстройнздат УССР, 1961.
198. и л ь ч а к о в П. Ф. Теория фильтрации под гидротехническими сооружениями,
т. I. Издательство АН УСбР, 1959.
199. Фильчаков П. Ф. Теория фильтрации под гидротехническими сооружениями,
т. 2, Издательство АН УССР, 1960.
200. Фокеев В. С. Некоторые свойства устойчивой вихревой воронки. «Гидротехни-
ческое строительство» № 5, 1951.
201. Фокеев В. С. Вихревые шугосбросы. «Гидротехника и мелиорация» № 12, 1951.
202. Фокеев В. ,С. Опыт эксплуатации и расчет вихревых воронок. «Гидротехниче-
ское строительство» № 4, 1955.
203. Фокеев В. С., Ш и л и м о в А. И. Опыт эксплуатации вихревых воронок на
Бурутарской ГЭС. «Гидротехническое строительство» № 10, 1959.
204. Фокеев В. С. Пропуск древесины по вихревым воронкам. «Гидротехническое
строительство» № 9, 1963.
205. Харче в Г. К. Рыбопропускные сооружения. Стройиздат, 1940.
206. Хачатрян А. Г. Отстойники иа оросительных системах. Сельхозгиз, 1957.
207. Хачатрян А. Г. Многокамерные отстойники с гидравлической очисткой наносов
при бесплотинном водозаборе. «Гидротехника и мелиорация» № 2, 1950.
208. Хачатрян Р. М. Шахтный шугосброс. «Гидротехническое строительство» № 4,
1956.
209. Хачатрян Р. М., Амбарцумян Г. А. иМартикян Р. С. Определение
угла установки, берегозащитных шпор и расстояния между ними. «Гидротехника
- и мелиорация» № 5, 1959.
210. Херхеулидзе И. И. Сборно-решетчатые железобетонные конструкции защит-
ных и выправительных сооружений на горных и предгорных реках. «Гидротехника
и мелиорация» № 2, 1958.
211. Химерик Ю. А. Проектирование и расчет гидротехнических сооружений. Изда-
тельство Киевского университета, 1961.
212. Хубер ян К. М. Расчет арочиых плотин по общему вариационно-стержневому
способу. «Гидротехническое строительство» № 3, 1962.
213. Цаиава В. О. Исследование работы одиночной берегозащитной шпоры. Труды
ГрузНИИГиМ, вып. 18—19, 1957.
214. Царевский А. М., Пугавко Б. И., Попов В. И. Плавучие землесосные
установки на мелиоративных работах. Сельхозгиз, 1953.
215. Цветков А. П. Формула для предварительного определения веса плоских затво-
ров. «Гидротехническое строительство» № 1,1952.
216. Цепля ев В. П. Леса СССР. Госсельхозиздат, 1961.
217. Цытович Н. А. Механика грунтов. Гостройиздат, 1963.
218. Чертоусов М. Д. Гидравлика (специальный курс). Госэнергоиздат, 1962.
219. Чугаев Р. Р. Подземный контур гидротехнических сооружений. Госэнергоиздаг,
1962. •
220. Чугаев Р. Р. Гидравлика. Энергоиздат, 1963.
221. Чугаев Р. Р. Проектирование и расчет подземного контура бетонных плотин,
расположенных на нескальных основаниях. ГЭИ, 1956.
222. Чугаев Р. Р. Расчет устойчивости земляных откосов и бетонных плотин иа не-
скальном основании по методу круглоцилиндрических поверхностей обрушения.
Госэнергоиздат, 1963. /
223. Чугаев Р.,Р. Вопросы расчета земляных плотин, Известия ВНИИГу т. 79, Из-
дательство «Энергия», 1965. /
224. Шамов Г. И. Речные наносы. Гйдрометиздат, 1959. J
225. Шан кин П. А. Расчет фильтрации в земляных плотинах.'Речи/д ат, 1947.
_226 . Шан кин П. А. Расчет покрытий откосов гидротехнических сооружений. Речиз-
дат, 1961. . /
227. Шаумян В. А., X а ч а т р я и А. Г. Струенаправляющие r/истемы. Сельхозгиз,
. 1953. /
228. Шаумян В. А. Научные основы орошения и оросительных (сооружений. Сельхоз-
гиз, 1948. I
229. Шаумян В. А. Основы эксплуатации оросительных и Осушительных систем.
Сельхозгиз, 1956. У
230. III е р ст об cfs в Н. Я. К истории гидротехники и мелио/.ации в нашей стране.
«Гидротехника .и мелиорация» № 4, 1954. j
231. Шпаков Б. В. Рыбоподъемник плотины Торр Эчилти НЩотландия). «Гидротех-
' иическое строительство» № 6, 1957. /
232- Якшта с И. А. и В ы з г о М. С. Криволинейный поро/ и донная щель для борь-
бы с наносами. «Гидротехническое строительство» № 2/ 1948.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...............................................................\ 3
§ 1. Ресурсы воды и водное хозяйство........................................3
§ 2. Комплексность водохозяйственного строительства . . . . ...... .
§ 3. Краткие исторические сведения о развитии водохозяйственного строительства -5
§ 4. Водохозяйственное строительство в СССР и перспективы его развития . .. . ?
Раздел первый.। Общие сведения о гидротехнических сооружениях _ .
Глава I. Условия работы и классификация гидротехнических сооружений . . 4ft".
§ 1. Определения. Особенности работы гидротехнических сооружений............ '
v ;§ 2. Классификация гидротехнических сорружений ’. . . ... . . . . '. ; 43
/§ 3, Гидроузлы и гидросистемы ...............................................
Глава IL Проектирование гидротехнических сооружений............................ 10
§ 1. Силы и нагрузки, действующие на гидротехнические сооружения ...... -Hit
§ 2. Методы гидротехники, используемые при проектировании . . . . . . . -1
§. 3 . Стадии и виды проектирования, необходимые данные.....................
Раздел второй. Фильтрация воды под гидротехническими сооружениями
(гидротехнический расчет).
Глава III. Основные положения расчета на фильтрацию . ..................
1. Элементы флютбетов н задачи фильтрационных расчетов . .............
.z § 2. Определение расчетных давлений на флютбет способом линейно-коитурной
фильтрации .....................
-- § 3, Теоретические методы расчета давлений на- флютбет' ...... . . . .
. 4. Расчет фильтрации по методу гидродинамической , сетки . . .... . .
(/ § 5. Приближенные гидромеханические методы расчета флютбетов . ... . .
.. Глава IV. Проектирование подземного контура ;tudp<^##tpi£CKUx сооружений
на водопроницаемых основания# ..." . ... -У-..............................
§ 1. Методы проектирования . , . . .' , . . ". . . ,
§ 2. Метод ВОДГЕО ..........................................
§ 3. Метод ВНИИГ ...........................,......................
§4. Метод проектирования без предварительного выбора типовых схем подзем-
ного контура . . . . \..................................................
.Раздел третий. Гидротехнические сооружения на каналах
оросительных систем
Глава V. Регулирующие сооружения на кайалах . . . . . . .
.. § 1. Назначение и размещение сооружений...........
. § 2. Конструкции регулирующих сооружений . . . . р . . . . .
§,3. Проектирование и расчет . . . . . . . . . .. . . ' . . .
У $ 4>- Выбор типа и'компоновка регулирующих сооружений • • • •
'• § Йринципы автоматизации подачи воды на ирригационных системах, водомеры
•рХ-ча ap^Vl. Водопроводящйе сооружения . . . . . . . . . . . . . ' . 1.
« 5'5ь^»Йяые типы водопроводящих сооружений и характерные их особенности
а с ''
*
&
не туннели . . ................ . . ... 1 . .
опроводйвдго бйвружения...................... . . .
"---......................... . , . .
Ие'фЩЫ ^(б^ЯГВЖМДНХ'^оЦРУЖврш, условия их применения и приц-
§Л.Кодеомаые перепады . " У. \ .. . ............
§ 5. Выбор -Нувж «щр^гмоадк сооружений ,....................
- ВжИмны из земли, камня и дерева
Глава VIH.r ............. ..............
•7 § 1. Общие свеуйцкй ффШЙМпв -.биотинах . ..... , . . -
Р § 2. КоиструировяЙКИ: .профиля плотины.............•..
§ 3. Крепление оглоедУ ‘
§ 4. Насыпйые зем
§ 5. Намывные зем.
Глава IX. Расчет
' § 1. Фильтрация чер
У- § 2. Фильтрация чер
| 3. Фильтрация в 6ej|
§ 4. Расчет" устойчивощаМ^Осс
462
1
ярурлотин на фильтрацию и устойчивость .
Плотины на непроницаемом -основании .
Плотины на проницаемом основании . .
плотины...............................
емляных плотин -.................
'^Д^ацдет-устойчивости экрана . . . . < . .
садка земляных плотин . .................
ф а X. Каменные и каменно-земляные платины
е сведения . ; ’....................... . . . . f ... .
ины плотин, материалы и их укладка . -.................
аброснце плотины и противофильтрационные устройства . .. -. .
аменнр-земляные плотины . . ...............................
реформации и устойчивость камениоиабросных плотин............
ролуиаброеные плотины и плотины из сухой кладки..........’. .
иГ®ЙВодослйвные и фильтрующие плотины , .. . . . ............
ТГЛгв a -XJ. Деревянные плотицы ....... ............• .
Общие’ сведения и типы плотин . . .'. ...............
’В^З&лютбеты деревянных плотин . . . .....................
'*'4<Сваяно- или стоечно-обшивные плотины ..... . . .
/М Рнжевые плотины ... . . . .... .
«^Контрфорсные плотины . . ....... . . . • - .. .
а XII. Водопропускные сооружения при глухих плотина); .’ .' .
чЖЗк^Состав водопропускных сооружений н их назначение . .........
Управляемые водосбросы с затворами . . •...............
- ФЗ, ТГипьг и конструкции автоматических водосбросных сооружений .
ХзВодовыпускные сооружения.............л?.. . - .
. : Раздел пятый. Ветряные и железобетонные плотины
‘<ЙЙва XIII. Общая теория гравитационных плотин. Плотины на скальном
^Шювании . . ..............
. ФЦрФбщие сведения. Попер^ные профили....................................
sil Конструирование бетоцйых гравитационных плотин иа скальном основании
hki'Sb 'Расчет бетонный гравитационных плотин на прочность ; .
Тй'вва XIV. Гравитационные плотины на нескальном основании.. . , . . .
**'фД»,Н$скальиые основания й их п^дготфвка’ f ....................
1». Конструктивные особенности плотин на нёскальн|1х4|сноваииях и ^х.емц их
*. 4 -^подземного контура ........... . . . . 7 . . . .
-> З.’Устройство нижнего бьефа . . . •. . . . ................. .
, '*СЛасч«* u'pwHetrirплотин на нескальном фЖйаущг ,- »
" х *’ ;ж?аёЧет несущей способности основаниями *ус-тейчивостй ллотин ......
а XV. Арочные, контрфорсные^ ячеистые и предварительно напряжен-
клотины .. iД'*. . . ........................... :
J-рЛные плотины \’7, . .......................
’онтрфорциые нлотцны ............................
чеисТые и предвар,ит<ел^И|р,^вряжевньщ\ш1бтины ....................
Разделите» той. Затворы,гидротехнических сооружений* '
a/^VI. Плоские затворы ц шандоры . . . ....................... . '.
щие сведения о затворах :-Х. . :..................................
-'йраидоры, спицы й. деревянййе щиты 7 . . . . . . . . .. . .
етадЙиЭДрки^Плоские затворы « и ............................
порно-х&доВ^ и заффдр^ещаЕ’ти £-................ .................
ротивофильтр'вционные уплотнения < . . . ... ....................
ила тяжести затвордв,.лодъеыное и опуецное усилия . ............ .
собыё конструкции плоских затворов . . . .. . . . . . < . . ; . .
в Криволинейные затворы и затворы с поворотными: фермами .
ег^иентные затворы ..............х..............
альцовые затворы . . . . , . . . .... . . . . . .
Дрышевидиые затворы . . . . -. ;................ .............
^Затворы с 'Поворотными ‘фермами’ -я рамами...................... .
одьемиые механизмы--^”.. 7 л ............................. -. . .
атворы-автоматы для водозаборных узлов и водораспределительных соору-
i - ’’жений’ ... . . . . . . . . . / ...............’• . .
* Эксплуатаций затворов . ..............

. 471
. 171
. , 173
. 173
173
175
179
. 180
182
183
185
_ 185
187
. 189
191
. . 197
197'
. 197 .
. 199v’
201
. 208
212.
212'
215
219
222'
222
223
232
234
237
240
240
246 -
251
254'
254
258 ,
261
'265
268-
270
271
272
272
277
278
279
281
284
288
‘раздел с е д ь м о й. Регулирование русл
WVb а XVIII. Эрозионные процессы в руслах и проектирование регулировочной
'отвесы- . i . .7. .7. ........ ........... 290
Рбшие сведения . . . . ... . , . : . . . ..........290
Ж, Движение наносов в реках и каналах . . . . . ...........291
ЦЖ X Формирование русл рек й их устойчивость .............................. 298
j'Jb4. Проектирование регулировочной трассЫ и расположение сооружений . . . 303
Я в а XIX. Регулировочные сооружения • ........................ ЗОВ
Классификация регулировочных работ й сооружений.................7 . 308
463<
§ 2. Строительные материалы и элементы конструкций регулировочных соору-
жений . . . ,..................................................... ' , 309
§ 3. Продольные массивные сооружения.......................................313
§ 4. Поперечные массивные сооружения...................................... 317
§ 5. Сквозные сооружения............................................... 321
§ 6. Укрепление берегов............................................. 322
§ 7. Струенаправляющие системы проф. М. В. Потапова................... 325
§ 8. Очистка и углубление русла, спрямление речных извилин................ 327
§ 9. Регулирование русел рек у водозаборных сооружений.................. 328
§ 10. Регулирование селевых потоков ..................................... 333
Раздел восьмой. Водозаборные сооружений
Глава XX. Общие сведения о водозаборных сооружениях....................... 335
§ 1. Назначение и классификация водозаборных сооружений . ............ 335
§ 2. Выбор места расположения речного водозаборного узла 4-" .... 337
§ 3. Выбор типа водозаборного узла, состав сооружений и компоновка узла 338
Глава XXI. Бесплотинные водозаборы........................................ 340
§ 1. Типы бесплотиНных водозаборов ....................................... 340
§ 2. Конструкции головных сооружений.................................... 343
§ 3. Гидравлический расчет головного сооружения........................... 346
Глава ХХП. Плотинные водозаборы . . . •.................................. 347
§ 1. Боковые плотинные водозаборы.............. . / . . ................ 347
§ 2. Фронтальные плотинные водозаборы ............................ . . . 353
§ 3. Донные решетчатые водозаборы......................................... 359
§ 4. Шугосбросные сооружения.............................................. 372
§ 5. Основные недостатки и пути дальнейшего усовершенствования работы водо-
заборных сооружений...................................................... 378
Раздел девятый. Отстойники
Глава XXIII. Общие сведения об отстойниках . '. ....................... . 380
§ 1. Стадии борьбы с наносами и назначение отстойников . .................. 380
§ 2. Основные элементы и классификация отстойников ....................... 381
§ 3. Выпадение наносов в отстойнике и степень осветления забираемой воды . . 383
§ 4. Задачи, решаемые при проектировании отстойников, и необходимые исход-
ные данные.............................;.........................., , , ', 386,
Глава XXIV. Конструкции и расчеты отстойников.............................. 387
§ 1. Конструкции отстойников с периодическим промывом наносов.............. 387
§ 2. Определение основных размеров отстойника с периодическим промывом . . 390
§ 3. Время заиления мертвого объема и промыв камеры отстойника . . . . *. . 396
§ 4. Конструкции отстойников с непрерывным промывом наносов ....... 402
§ 5. Расчет отстойника непрерывного действия с донными сборно-промывными
галереями [79, 134, 183]......................,.....................’..... 406
§ 6. Условия работы и.особенности проектирования отстойников оросительный
систем......................................................................410
Раздел десятый. Судоходные, рыбо- и лесопропускные сооружения
Глава XXV. Естественные водные пути, судоходные каналы и сооружения . . 417
§ 1. Классификация водных путей..........................-................ 417
§ 2. Шлюзование судоходных рек и каналов ..................................417
§ 3. Основные принципы проектирования судоходных каналов . ............... 420
§ 4. Назначение, основные части и размеры судоходного шлюза .’ . . . _ , - . 425
§ 5. Классификация судоходных шлюзов, типы и конструкции шлюзных камер 427-
§ 6. Системы питания судоходных шлюзов.................................... 431
§ 7. Пропускная- способность шлюзов й расход воды иа шлюзование........... 433
§ 8. Расположение судоходного шлюза на каналах и в узлах гидротехнических
сооружений . . . ......................... . . . . . , ’ , , , 436
§ 9. Судоподъемники .................... '. . .........................,, 438
Глава XXVI. Рыбопропускные и лесопропускные сооружения.................... 440
§ 1.- Влияние речного гидротехнического строительства на рыбное хозяйство и
мероприятия по сохранению рыбных запасов . . ................... 440
§ 2. Рыбоходы.................................................... . , . , 441
§ 3. Рыбоходные шлюзы...................._................................ 445
§ 4. Рыбоподъемники и другие способы пропуска рыбы ....................... 448
§ 5. Рыбозащитиые устройства н мероприятия по улучшению ' работы рыбо-
пропускных сооружений............................................• . . . 449
§6. Виды водного транспорта леса и типы лесопропускных сооружений . . . 452,
Основная литература ........................................-....: : 456