«основы Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности Гидрология суши Ленинград Гидрометеоиздат 1983 УДК ...»

А. С. Субботин

основы

Допущено

Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебного пособия

для студентов вузов, обучающихся

по специальности «Гидрология суши»

Ленинград

Гидрометеоиздат

1983

УДК 626/627(075.8)

Рецензенты: Кафедра водных исследований и гидравлики Одесского гидроме- i

теорологического института (канд. техн. наук А. И. Молдованов) i д-р геогр. наук, проф. К. Е. Иванов (Ленинградский государственный университет им. А. А. Жданова) Учебное пособие носит энциклопедический характер. Содержит наиболее важные сведения по устройству и применению главнейших общих, а также специальных гидротехнических сооружений, используемых в гидроэнергетике, мелиорации, на водном транспорте, в. водоснабжении, при организации рыбного хозяйства и в борьбе с водной эрозией почв, т. е. в основных отраслях народного хозяйства, непосредственно взаимосвязанных с гидрологической наукой и практикой.

Рассчитано на студентов-гидрологов гидрометеорологических институтов и государственных университетов.

"Principles of Hydrotechnics" by A. S. Subbotin is a textbook of an encyclopaedic nature. It contains most important information on the arrangement and use of the most general and specific hydraulic structures applied to hydroenergetics, melioration, water transport, water supply, fishery, protection of soil against erosion, i. e. to the main branches of the national economy directly interrelated with hydrological science and practices.

It is intended for students — hydrologists of hydrometeorological institutes and state universities.

Александр Сергеевич Субботин основы ГИДРОТЕХНИКИ Р е д а к т о р Г. Г. Д о б р о у м о в а. Художник В. В. Б а б а н о в. Художественный редактор Б. А. Денисовский. Технический р е д а к т о р Т. В. П а в л о в а. Корректор Т. В. Алексеева.

И В № 1525. С д а н о в набор 16.04.83. П о д п и с а н о в печать 08.08.83. М-38548. Формат 60 x 90l/i6.

Б у м а г а тип. № 1. Гарнитура л и т е р а т у р н а я. П е ч а т ь высокая. Печ. л. 20,0. Кр.-отт. 20,0.

Уч.-изд. л. 21,27. Т и р а ж 3720 экз. Индекс ГЛ-6. З а к а з № 142. Цена 1 р. 10 к.

Л е н и н г р а д с к а я типография № 8 ордена Трудового Красного З н а м е н и Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по д е л а м издательств, полиграфии и книжной торговли.

190000, г. Л е н и н г р а д, Прачечный переулок, 6.

Ленинградский Гидрометеорологический ин-f 1903030200- ® г* 1983 г' 5-83 Б:.hOTEKA 069(02)- Л^д 193196, Малоохтанский п р.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Впервые в нашей стране учебное пособие по гидротехнике для • студентов гидрометеорологических вузов было написано в 1963 г. С тех пор книг аналогичного назначения не издавалось, хотя за прошедшие два десятилетия произошли определенные изменения как в масштабах и технике использования водных ресурсов, так и в учебных программах многих курсов, изучаемых • студентами гидрологических специальностей, что безусловно должно было найти соответствующее отражение в учебной литературе;

Содержание настоящей книги отвечает современной программе первого раздела курса «Основы гидротехники и гидрометрические сооружения» для специальности Гидрология суши, изучаемой в гидрометеорологических институтах и государственных университетах. В основу предлагаемого учебного пособия положены лекции, читаемые автором студентам Ленинградского гидрометеорологического института (ЛГМИ).

Как при чтении лекций, так и при работе над этой книгой автор постоянно помнил и учитывал, что усваивать представляемый материал, в большинстве своем посвященный различным сооружениям, должны студенты-гидрологи, не получающие в вузе достаточной подготовки по техническим дисциплинам и не знающие технического черчения. Поэтому изложение многих инженерных проблем, затрагиваемых в учебном пособии, неизбежно носит описательный характер, а приводимый иллюстративный материал сознательно предельно схематизирован. Такие особенности позволяют сделать пособие доступным для его самостоятельного усвоения студентами-гидрологами и в то же время оно дает общее представление о задачах и средствах современной гидротехники, на что как раз и нацелена программа учебной дисциплины, в соответствии с которой написана настоящая книга.

Автор приносит благодарность за полезные указания и рекомендации по рукописи проф. К. Е. Иванову и доц. А. И. Молдованову, а также Г. Н. Абаныпиной за подготовку рукописи к печати.

Берг В. А. Основы гидротехники,—Л.: Гидрометеоиздат, 1963.

1*

ВВЕДЕНИЕ

Гидротехника и ее задачи. Вода относится к незаменимым природным ресурсам, ее значение в жизни общества постоянно возрастает. Во многих странах, а также в отдельных районах нашей страны дальнейшее развитие промышленности и сельского хозяйства лимитируются водным фактором, т. е. наличием пригодной к использованию воды. Под этим понимается не только потребность в каком-то объеме воды как таковой, но и воды определенного качества. Последнему требованию многие водные источники в настоящее время не удовлетворяют в связи с их загрязнением, вызванным хозяйственной деятельностью. Поэтому в индустриально развитых странах, и прежде всего в странах социализма, где вопросы охраны окружающей среды подняты на уровень государственной политики, использование воды естественно смыкается с проблемой ее охраны.

Все живое не может жить без воды. Люди использовали и будут использовать воду всегда, однако характер этого использования не остается неизменным. На ранних этапах развития человеческого общества вода предназначалась только для удовлетворения бытовых потребностей людей (питья, приготовления пищи и др.). Затем некоторые водные источники стали служить и средством сообщения. В те времена люди использовали воду исключительно там, где она была в естественных условиях, т. е. человек шел к воде, а не вода шла к человеку.

Постоянное увеличение населения земного шара и связанное с этим освоение менее удобных для жизни территорий, а также необходимость увеличения производства и прежде всего продуктов питания потребовали осуществления территориального перераспределения водных ресурсов и изъятия большого количества воды из водных источников на нужды сельского хозяйства (для орошения), а затем к на промышленные нужды. Реализация этих потребностей оказалась возможной благодаря накопленным знаниям об окружающем нас мире и развитию технической мысли, позволившей спроектировать и претворить в жизнь конструкции сооружений, без которых удовлетворение запросов человечества в воде было бы невозможным.

Отрасль науки и техники, охватывающая вопросы использования, охраны водных ресурсов и борьбы с вредным действием вод при помощи инженерных сооружений называется гидротехникой.

Инженерные сооружения, с помощью которых непосредственно осуществляются те или иные водохозяйственные мероприятия, называются гидротехническими.

Гидротехника как наука тесно связана с другими науками и во многом опирается на них. Так, для возведения гидротехнических сооружений крайне важно знать законы, управляющие движением и покоем воды. А эти законы изучаются гидромеханикой и гидравликой.

Чтобы намечаемое водохозяйственное мероприятие, а также тип и размеры необходимого для его осуществления гидротехнического сооружения увязать с природными возможностями водного объекта и с уже существующим использованием этого объекта, необходимо произвести так называемые водохозяйственные расчеты, которые, в свою очередь, в значительной степени базируются на материалах гидрометрии и результатах наблюдений специализированных, в частности, воднобалансовых станций.

Поскольку гидротехнические сооружения являются инженерными сооружениями, т. е. требующими для своего строительства определенных расчетов, то при их выполнении необходимо прибегать к таким наукам, как строительная механика, сопротивление материалов, механика грунтов, инженерная геология, строительные материалы и конструкции.

Для размещения сооружений на местности или, как говорят, привязки их к местным условиям не обойтись без геодезии, топографии, геологии, гидрогеологии.

К осуществлению отдельных гидротехнических проектов могут привлекаться такие науки, как электротехника, гидробиология, гидрохимия, климатология и др.

Отрасли водного хозяйства. При широкой дифференциации потребностей современного общества в воде использование водных ресурсов идет по ряду довольно четко определившихся направлений, среди которых обычно выделяют гидроэнергетику, водный транспорт, водные мелиорации, водоснабжение и канализацию, использование водных недр и прочие направления (благоустройство городов, организация водного спорта, создание ондатровых и бобровых хозяйств и пр.).

Все вместе перечисленные выше направления использования водных ресурсов образуют в нашей стране важную отрасль народного хозяйства, получившую название водное хозяйство.

Таким образом, гидротехническое строительство представляет техническую основу современного водного хозяйства.

Использование водных ресурсов и гидротехническое строительство в нашей стране осуществляется в плановом порядке в интересах максимального удовлетворения постоянно растущих потребностей всего общества. Порядок использования и охраны рек, морей, озер, водохранилищ, других поверхностных и подземных водных объектов установлен «Основами водного законода^ тельства Союза ССР и союзных республик», действующими с 1 сентября 1971 года. Необходимо подчеркнуть, что указанные «Основы» явились первым в мировой практике документом, объединившим в себе все вопросы водного законодательства одного государства, и не случайно этот документ появился именно в нашей стране, где буквально с первых лет существования Советской власти вопросы водного хозяйства находились в центре внимания государства.

На базе «Основ» во всех союзных республиках разработаны и действуют «Водные кодексы», детализирующие различные стороны использования и охраны вод применительно к местным природным и хозяйственным условиям.

Важной особенностью водопользования в нашей стране является законодательно закрепленное в водных кодексах требование рационального и комплексного использования вод. Что конкретно" кроется за этими часто встречающимися выражениями?

научно обоснованное использование вод, обеспечивающее оптимально полезный эффект для общества в текущий период и в течение принятого периода расчетной перспективы при обязательном соблюдении всех требований водного законодательства.

Рациональное использование вод -должно обеспечиваться при размещении, проектировании, строительстве и вводе в эксплуатацию новых и реконструированных предприятий, сооружений и других объектов, а также при внедрении новых технологических про- ;

цессов, влияющих на состояние вод.

при котором находят экономически оправданное применение все полезные свойства того или иного водного объекта для удовлетво- | рения разнообразных потребностей всех заинтересованных водо- • | Комплексное использование вод имеет место при пользовании i одним водным объектом несколькими водопользователями или одним водопользователем, но для нескольких целей. Например., стро- ;

ительство Днепрогэса им. В. И. Ленина преследовало цель не ;

только получение электроэнергии, но и улучшение судоходства, ] которому для создания плотины и водохранилища препятствовали известные Днепровские пороги.

Комплексное использование вод не означает равного удовлетворения всех потребителей в воде. В большинстве случаев при I комплексном использовании вод некоторым видам водопользования отдается предпочтение сообразно с местными хозяйственными !

и природными условиями, при этом потребности населения в питье- „ вой воде обеспечиваются в первоочередном порядке.

Задачи гидрологов в области гидротехники. Общеизвестно, что j в нашей стране ведется планомерная подготовка специалистов для всех направлений использования водных ресурсов. Среди выпускников соответствующих вузов и техникумов есть, конечно, и специалисты-гидротехники. Какова же при этом роль гидрологии и конкретно инженера-гидролога по отношению к гидротехнике? j Решающее значение гидрологии как науки в обслуживании водного хозяйства и гидротехники не вызывает сомнения. Нет ни одного направления использования вод, которое не являлось бы потребителем той или иной текущей гидрометеорологической информации, гидрологических прогнозов, различных гидрологиче- j ских характеристик и не предъявляло бы к гидрологии своих требований. Для удовлетворения этих требований гидрологи должны достаточно хорошо и полно представлять особенности основных отраслей водного хозяйства и применяемых гидротехнических сооружений. Например, трудно представить себе, что инженер-гидролог сможет квалифицированно провести исследования руслового процесса на участке реки, где планируется строительство водозаборного сооружения, если он хотя бы в общих чертах не знает устройство водозабора и гидрологических условий, при которых обеспечивается нормальная работа сооружения.

Следовательно, во-первых, гидрологи обеспечивают проектирование гидротехнических сооружений исходной информацией, состав и объем этой информации тесно связаны с видом сооружения.

Во-вторых, гидрологи являются участниками эксплуатации различных водохозяйственных систем и расположенных на них гидротехнических сооружений. Здесь прежде всего имеется в виду оросительная и осушительная системы, количество которых все время увеличивается; одновременно растет и число работающих на них инженеров-гидрологов.

В-третьих, необходимо помнить, что с каждым годом на земле остается все меньше водных объектов с не нарушенным хозяйственной деятельностью гидрологическим режимом. Поэтому специалисты гидрологи должны иметь представление о том, как различные гидротехнические сооружения влияют на естественный режим водоисточников с тем, чтобы правильно учитывать указанное влияние при изучении таких водных объектов.

Наконец, в-четвертых, некоторые гидротехнические сооружения обладают водомерными свойствами. Такие сооружения (ГЭС, водозаборы и др.) могут и должны использоваться гидрологами для учета стока, что во многих случаях ведет к повышению точности получаемых результатов по сравнению с результатами, которые дают традиционные гидрологические способы измерения расходов воды.

Краткая история развития гидротехники. Р а й о н ы водных потоков и естественных водоемов являлись местами поселения человека еще в первобытное время, что и понятно, поскольку реки, озера и моря удовлетворяли потребности человека в воде и пище и служили естественными путями сообщения.

С развитием земледелия в рабовладельческих государствах Юго-Востока и Востока появлялась необходимость в орошении засушливых земель, удовлетворение которой потребовало сооружения каналов. Известно орошение в долине р. Нил в Египте за 4400 лет до н. э. и в Китае за 2280 лет. За 4000—3000 лет до н. э.

существовал водопровод в городах Вавилона, а обвалование территорий на землях современной Голландии — за 2000 лет до н. э.

На современной территории СССР в древних государствах Хорезм и Урарту оросительные каналы строились в VIII—-VI вв. до н. э.

В феодальный период развитие торговли и ремесла потребовало улучшения путей сообщения и использования энергии воды.

В XIII и XIV вв. в Западной Европе появляются более совершенные водяные мельницы, строятся шлюзы на водных путях и в портах. В Киевской Руси водяные мельницы были известны в IX— XIII вв. В XI, XII вв. в Новгороде существовал водопровод из деревянных труб. В 1633 г. в Московском Кремле действовал уже настоящий водопровод.

В XVII и XVIII вв. в период мануфактур почти все отрасли промышленности базировались, как правило, на гидравлических установках. Получили большое развитие водные пути. Было построено много судоходных каналов во Франции, Германии, в Англии. В России этот период — до начала XIX в.— был периодом расцвета гидротехники. Эпоха Петра I ознаменовалась мощным подъемом русской промышленности. Гидросиловые установки строились на Урале, Алтае, в Карелии, Забайкалье, в центральных частях России. Наряду с промышленностью велось крупное строительство водных путей. При Петре I было осуществлено соединение р. Оки с верховьями р. Дона Иванковским каналом, соединение Волги с Балтийским морем Вышневолоцкой системой через речки Тверцу, Цну, Мету, оз. Ильмень и р. Волхов (1703—1722 гг.), построены Приладожские каналы (1732 г.), каналы в Петербурге и др.

Изобретение паровой машины и железных дорог в начале XIX в.

привело к ослаблению интереса к громоздким гидросиловым установкам и водным путям. Новый и резкий подъем гидротехнического строительства относится уже ко второй половине и концу XIX в., когда были изобретены современные гидравлические машины с высоким КПД (турбины Френсиса в 70-х годах, Пельтона в 1880 г.). Электричество начало широко внедряться во все отрасли жизни. Рост крупных городов требовал снабжения их огромным количеством воды и удаления сточных вод.

В России развитие капитализма запаздывало по сравнению с западными странами. Лишь в последней трети XIX в. начался бурный рост производительных сил. Однако сколько-нибудь крупных гидротехнических проектов в это время в царской России реализовано не было.

Богатейшие водные ресурсы нашей страны были поставлены на службу народу только после Великой Октябрьской социалистической революции. Уже в 1918 г. В. И. Ленин подписал декреты о строительстве Волховской и Свирской гидроэлектростанций, В 1920 г. была создана Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО). В 1932 г. пущен Днепрогэс, а всего за две первые пятилетки введены в эксплуатацию 32 крупных ГЭС.

За 1 год 9 месяцев (1931 —1933 гг.) был построен БеломорскоБалтийский канал длиной 227 км. В 1932—1937 гг. построен канал им. Москвы длиной 128 км, соединивший реки Волгу и Москву. Значительно увеличились площади орошаемых и осушаемых земель.

Особенно грандиозные гидротехнические проекты стали осуществляться вскоре после Великой Отечественной войны и в настоящее время, примером чему могут служить комплекс сооружений Волго-Донского канала, а также гидроэлектростанции Волжская им. XXII съезда КПСС мощностью 2,5 млн. кВт, Братская 4,5 млн. кВт, Красноярская им. 50-летия СССР 6 млн. кВт, СаяноШушенская 6,4 млн. кВт и другие сооружения.

XXVI съезд КПСС, утвердив «Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981—1985 г. и на период до 1990 г.», наметил значительный подъем всех отраслей народного хозяйства, в том числе и водного. В частности, в пределах указанных сроков планируется осуществить такое грандиозное мероприятие, как подготовка к переброске части стока северных рек в бассейн Волги. Будут строиться новые крупные гидроэлектростанции на реках Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии, а на европейской части СССР гидроаккумулирующие электростанции.

Продолжатся исследовательские и проектно-изыскательские работы по приливным электростанциям. Увеличится площадь мелиорируемых угодий и в 1985 г. достигнет 36,3 млн. га, из них орошаемых 20,8 млн. га, осушенных 15,5 млн. га. Возрастет мощность систем оборотного и повторного использования вод, а также очистных сооружений, подготавливающих бытовые и промышленные стоки для сброса их в водоемы.

Осуществление этих и других водохозяйственных мероприятий безусловно будет способствовать дальнейшему техническому совершенствованию и объемному росту гидротехнического строительства в нашей стране.

1.1. Классификация. Гидроузлы Разные отрасли водного хозяйства предъявляют к конструкции гидротехнических сооружений свои специфические требования.

Несхожесть природных и хозяйственных условий, в которых приходится работать даже одинаковым по назначению сооружениям, вынуждает проектировщиков еще больше разнообразить конструктивные решения плотин, каналов, шлюзов и т. п. Поэтому в настоящее врёмя известно много весьма различных гидротехнических сооружений. Для систематизации и тем самым облегчения изучения сооружений их принято группировать (классифицировать) по ряду признаков.

По роду водоема, источника воды сооружения подразделяются на речные, озерные и морские. Поскольку настоящее учебное пособие адресовано гидрологам суши, то в нем главным образом рассматриваются речные гидротехнические сооружения.

По водохозяйственному назначению все гидросооружения делятся на общие, применяемые в двух или нескольких различных отраслях водного хозяйства, и специальные, используемые только в одной отрасли водного хозяйства.

В свою очередь общие гидросооружения по своему целевому назначению делятся на следующие виды: водоподпорные, создающие подпор воды, например в реке (плотины и некоторые дамбы, работающие как плотины); водопроводящие, т. е. искусственные русла (каналы, туннели, лотки, трубопроводы); регуляционные, устраиваемые с целью регулирования режима водного потока, защиты его дна и берегов от размыва.

Наиболее важным типом общего гидросооружения является плотина.

Специальные гидросооружения делятся по отраслям водного хозяйства следующим образом: гидроэнергетические (здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при некоторых ГЭС, и т. п.); воднотранспортные (судоходные шлюзы, судоподъемники, пристани, лесосплавные лотки и т. п.); гидросооружения водоснабжения и канализации (насосные станции, очистные сооружения, каптажи и т. п.); гидромелиоративные, предназначенные для целей инженерных мелиораций (шлюзы-регуляторы, дренажные устройства и т. п.); гидросооружения рыбного хозяйства (рыбоходы, рыбоводные пруды и т. п.); гидротехнические сооружения, выполняющие защитные функции (от наводнений, селей, эрозии, оползней и т. д.); особую группу специальных гидротехнических сооружений составляют гидрологические расходомеры, т. е. устройства для измерения расходов воды на малых и средних водотоках (эти сооружения относят к гидрометрическим; их изучают во втором.разделе курса «Основы гидротехники и гидрометрические сооружения»).

создании гидросооружений, они подразделяются на сооружения:

а) из местных строительных материалов (земляные, деревянные, каменные); б) из дальнепривозных материалов (бетонные, железобетонные, металлические).

Гидроузлы. Широко практикуемое в нашей стране комплексное использование водных ресурсов приводит к тому, что перечисленные выше различные по водохозяйственному назначению Рис. 1.1. Простейшая схема речного гидроузла и оросительной системы.

гидротехнические сооружения обычно группируются в те или иные комплексы по несколько сооружений для совместного выполнения ряда водохозяйственных функций. Такие комплексы называются гидроузлами. Упрощенная безмасштабная схема одного из гидроузлов приведена на рис. 1.1.

Если несколько гидроузлов совместно и взаимосвязанно решают комплекс водохозяйственных проблем на значительной территории, т. е. являются объединенными (географически, экономически, огранизационно) в общую систему, то эта система носит название водохозяйственной системы или гидросистемы. Ярким примером гидросистемы может служить р. Волга с расположенными в ее. бассейне крупными гидротехническими комплексами.

1.2. Нормативные документы по строительству.

Капитальность сооружений В стремлении повысить качество и снизить стоимость строительства гидротехнических сооружений путем внедрения рациональных условий проектирования и прогрессивных сметных норм, а также правил производства и приемки работ и эксплуатации сооружений у нас в стране созданы различные руководящие документы.

Прежде всего следует отметить ведомственные нормативные документы, так называемые «Технические условия и Нормы»

(ТУ и Н) или «Указания», которые создаются различными министерствами и ведомствами и являются обязательными только внутри этих ведомств, а иногда даже вовсе не обязательными и носящими только характер рекомендаций. В указанных документах устанавливаются соответствующие методы расчета, комбинации действующих на сооружения сил, с учетом которых следует вести расчеты, значения различных коэффициентов запаса и т. п.

Помимо отмеченных ведомственных норм существуют еще общегосударственные нормы проектирования, издаваемые (или утверждаемые) Государственным Комитетом Совета Министров СССР по делам строительства (Госстрой СССР). Эти нормы в части строительного проектирования расчленяются на две группы.

1. С т р о и т е л ь н ы е н о р м ы и п р а в и л а (СНиП). Каждый отдельный СНиП имеет свой шифр. Например, СНиП II—г50—74. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования, изд. 1975 г.

СН 435—72. Указания по определению расчетных гидрологических характеристик.

В отличие от СН в СНиПах, как правило, фиксируются наиболее важные (принципиальные) положения. СНиП и СН являются обязательными нормами для всех министерств и ведомств. Разумеется, перечисленные выше нормативные документы охватывают далеко не все вопросы, с которыми приходится встречаться на практике. Однако вопросы проектирования, которые освещены в соответствующих нормах, необходимо решать именно так, как указано в этих нормах.

При этом следует учитывать, что с течением времени нормативные документы, естественно ( в связи с развитием науки и совершенствованием техники), изменяются; перечень действующих об-, щесоюзных нормативных документов по строительству ежегодно публикуется Госстроем СССР.

В связи со сложностью условий, в которых приходится работать большинству гидротехнических сооружений, при расчете отдельных их частей и сооружений в целом оказывается практически невозможным учесть все факторы, определяющие эту работу.

Ввиду указанного, в расчеты приходится вводить соответствующие коэффициенты запаса, учитывающие также недостаточность исходных данных, несовершенство методов расчета и т. п.

Очевидно, для более ответственных сооружений надо рекомендовать большие коэффициенты запаса, использовать более точные, а следовательно, более сложные методы расчета, проводить более подробные изыскания и т. п. Для менее ответственных сооружений работа значительно упрощается.

Таким образом, в зависимости от ответственности сооружения подход к его проектированию получается различным, поэтому возникает вопрос об определении ответственности гидротехнических сооружений. Ответ на этот вопрос содержится в СНиПах, где имеются специальные классификации, в частности для речных гидросооружений в СНиПе II—50—74.

В соответствии с указанными нормативными документами гидротехнические. сооружения различного водохозяйственного назначения делятся на постоянные и временные, используемые только в период строительства или ремонта постоянных сооружений.

Постоянные сооружения (основные и второстепенные) в зависимости от их народнохозяйственного значения (т. е. в зависимости от мощности ГЭС, навигационного грузооборота, площади мелиорируемых земель и т. п.) расчленяют согласно особым таблицам, приводимым в упомянутых СНиПах, на четыре класса капитальности, причем к первому классу относятся наиболее ответственные сооружения. Временные сооружения являются сооружениями четвертого класса капитальности.

Приступая к проектированию того или другого сооружения, прежде всего в соответствии со СНиПом необходимо установить класс капитальности данного сооружения, от которого зависят, в частности, значения различных параметров, принимаемых для этого сооружения, например, значение обеспеченности максимального расчетного расхода воды и др.

1.3. Специфика гидротехнических сооружений Воздействие воды на сооружения. От других инженерных сооружений гидросооружения отличаются тем, что они несут свою службу, находясь в воде, которая оказывает на них механическое, физико-химическое и биологическое воздействие.

М е х а н и ч е с к о е действие воды на сооружение сказывается в виде давления — гидростатического и гидродинамического. Давление воды является основной нагрузкой большинства гидросооружений, определяющей их размеры и формы.

Но вода оказывает механическое давление на гидротехнические сооружения не только как жидкость. В холодный период ледяной покров, образующийся в водоемах, может производить статическое давление при повышении температуры льда и динамическое — в виде ударов плывущих льдин.

Наносы, влекомые потоком, осаждаясь перед гидросооружениями, также создают на них статическое давление, действующее в ту же сторону, что и напор воды.

Ф и з и к о - х и м и ч е с к о е действие воды сказывается на материале сооружения и на водопроницаемом грунте основания. Так, движущаяся с большими скоростями вода, особенно если она влечет с собой наносы, истирает поверхности сооружения, разрушает речное ложе; металлические части подвергаются коррозии, вследствие чего полезная толщина их постепенно уменьшается.

Бетонные части сооружений, находясь под действием фильтрующейся через них воды, могут разрушаться в результате выщелачивания из них несвязной (свободной) извести, если вода обладает агрессивными (по отношению к бетону) свойствами.

Б и о л о г и ч е с к о е действие сказывается в разрушительной деятельности живущих в воде различных микроорганизмов.

Последняя выражается в гниении дерева и истачивании его морской шашелью, в разрушении камня в морской воде камнеточцем.

Строительные условия. Условия постройки гидротехнических сооружений в реке очень сложны. В период строительства, например плотины, возникает необходимость пропускать через створ гидроузла расходы воды, которые во время паводков могут быть очень большими. Иногда приходится работать под водой. Сами объемы работ по гидросооружениям обычно очень велики; для сооружения гидроузла средних размеров они исчисляются по земле и камню миллионами кубометров, по бетону и дереву — сотнями тысяч кубов, по металлу — тысячами тонн. Поэтому строительные работы требуют широкой механизации и притом сравнительно длительных сроков для их выполнения (обычно нескольких лет).

Индивидуальность гидросооружений. Гидротехнические сооружения по своим размерам, форме и условиям работы теснейшим образом связаны с топографическими, геологическими и гидрологическими условиями места постройки. Можно сказать, что именно такого рода местные условия очень часто определяют тип и конструкцию проектируемого гидросооружения. А так как отмеченные условия всюду различны, то относительно крупные гидросооружения всегда индивидуальны. В гидротехническом проектировании поэтому не может быть, как правило, шаблона и в каждом отдельном случае гидротехническая задача решается своеобразно на основе глубокого изучения местных условий путем специальных изысканий и исследований. Только сравнительно мелкие гидросооружения, а также некоторые отдельные части крупных гидросооружений иногда удается стандартизировать.

Стоимость гидротехнических сооружений. Единовременные затраты на строительство гидротехнического сооружения (в связи с условиями, отмеченными выше), как правило, относительно большие. Вместе с тем прямые расходы по эксплуатации этого сооружения (эксплуатационные расходы) низкие. Благодаря этому большие капитальные затраты, связанные с созданием того или иного гидросооружения (ГЭС, мелиоративной системы и т. п.), относительно быстро окупаются.

влияние гидросооружений на прилегающий район. Ни один вид инженерного строительства так не преобразует природу, не меняет лица земли, как гидротехническое: на карте появляются новые рукотворные озера и «моря» (водохранилища), реки соединяются судоходными каналами, безводные степи и пустыни благодаря орошению превращаются в цветущие края, на месте осушенных болот появляются культурные хозяйства, прекращаются бурные ежегодные наводнения в речных долинах, благоприятно изменяется даже климат районов.

Строя обычное промышленное или гражданское сооружение, мы в большинстве случаев интересуемся только той точкой местности, в которой располагается данное сооружение. Что касается достаточно крупного гидротехнического сооружения, то при его строительстве приходится интересоваться часто большим окружающим его районом, обращая при этом внимание на экономику района, транспорт, энергетику, сельское хозяйство, промышленность и т. п.

Ответственность гидротехнических сооружений. Последствия аварии гидросооружения (например, прорыв большой плотины на реке) могут быть исключительно велики. В отличие от промышленных, транспортных и других сооружений ущерб от аварий которых во многих случаях оценивается стоимостью восстановления разрушенных частей самого сооружения, ущерб от аварии подпорного гидросооружения обычно во много раз превосходит его стоимость, так как при этом разрушаются и другие сооружения на реке и ее берегах, парализуется деятельность хозяйственных предприятий целых районов, базировавшихся на данном гидросооружении, восстановление же последнего требует обычно ряда лет.

Это обстоятельство заставляет считать гидросооружения весьма ответственными сооружениями, проектирование, строительство и эксплуатация которых требует исключительного внимания.

Как часто все же происходят аварии с гидротехническими сооружениями? Французские специалисты дают такой ответ на этот вопрос. Начиная с VIII в. каждые пять лет разрушалась одна плотина. За сорокалетний срок, предшествовавший 1975 г., количество аварий значительно увеличилось и составляло примерно одну катастрофу в среднем с 50 человеческими жертвами каждые 15 месяцев. Причиной этого является строительство все более высоких плотин с большими водохранилищами в сложных природных условиях.

Гидротехнические объекты могут быть источником колоссальных бедствий и не по причине непосредственного разрушения сооружений. Вот пример. Спустя несколько лет после окончания строительства высотной плотины и заполнения водой водохранилища «Вайонт» в Италии, 9/Х 1963 г. 240 млн. м3 скальных и рыхлых пород соскользнуло в водохранилище с прилегающего склона.

Только 15 с понадобилось для полного заполнения грунтом чаши водохранилища, выплескивания воды на противоположный склон на высоту 260 и 100 м над плотиной. Плотина осталась стоять, но... только мертвым памятником трем тысячам жертв, погибших в этой катастрофе.

ПЛОТИНЫ

Как отмечалось в предыдущей главе, плотины являются общими гидросооружениями, по целевому назначению относятся к водоподпорным сооружениям и являются среди них наиболее важными.

Водоподпорным называется сооружение, удерживающее с одной стороны воду на более высоком уровне, чем с другой. Часть водного объекта по ту сторону водоподпорного сооружения, где имеется более высокий уровень воды, называется верхним (подпертым) бьефом, а по другую сторону — нижним бьефом. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов называется напором на сооружении.

Плотиной называется водоподпорное сооружение, перегораживающее русло или долину реки.

Водоподпорные сооружения, устраиваемые по берегам рек для защиты земель от затопления, носят название дамб или валов.

К водоподпорным сооружениям относится также ряд специальных сооружений, например, судоходные шлюзы и шлюзы-регуляторы на оросительных и осушительных системах, плотоходы и некоторые другие.

Плотины принято классифицировать по нескольким признакам.

По цели устройства. Различают две основные цели устройства плотины:

а) поднятие уровня воды в реке на некоторую высоту и регулирование этого уровня, что достигается строительством водоподпорной плотины. Устройство такой плотины бывает необходимо для создания напора на ГЭС, улучшения условий отбора воды из реки в различные водоприемники (например, для подачи на орошение), удовлетворения требований судоходства (путем увеличения глубин и уменьшения скоростей течения), обеспечения необходимого санитарного режима и т. п.;

б) создание хранилища воды, что достигается строительством водохранилищной плотины. Устройство таких плотин преследует цель получить водоем, необходимый, например, для рыбного хозяйства, устройства речного порта и т. п.

Во многих случаях одну и ту же плотину устраивают и для поднятия уровней воды в реке, и для образования водохранилища.

Такая плотина будет и водоподъемной, и водохранилищной.

По возможности пропуска воды. В зависимости от пропуска воды через створ плотины различают:

а) глухие плотины, непосредственно через которые вода не пропускается; в этом случае при необходимости подачи воды в нижний бьеф ее пропуск осуществляется через так называемые береговые водопропускные сооружения или водопропускные сооружения, хотя и устроенные в теле плотины (или ее основании), но имеющие весьма малую ширину (сравнительно с длиной плотины);

б) водосбросные плотины, через которые относительно широким фронтом осуществляется сброс воды в нижний бьеф.

Очень часто в состав речного гидроузла входит водосбросная плотина, сопрягающаяся с берегами посредством одной или двух глухих плотин.

По основному материалу. По этому признаку плотины могут быть подразделены на следующие типы:

а) из грунтовых строительных материалов строят: земляные плотины, основным материалом которых является земля, т. е.

песчано-глинистый, песчаный и тому подобные грунты; плотины из каменной наброски и из сухой каменной кладки, в основном выполняемые из камня без применения вяжущих средств; каменноземляные плотины, в которы-х применены земля и каменная наброска; каменные плотины, выполняемые из каменной (бутовой) кладки на растворе, широко распространенные в прошлом; в настоящее время не строятся из-за невозможности комплексной механизации процесса кладки;

б) бетонные плотины;

в) железобетонные плотины, в которых в основном применен железобетон, хотя имеются и бетонные элементы;

г) деревянные плотины, имеющие обычно каменную или земляную загрузку;

д) плотины из прочих материалов (стали, синтетической пленки и т. д.) и комбинированные из различных материалов.

По высоте создаваемого напора. Принято выделять низконапорные плотины с напором менее 25 м, средненапорные — с напором от 25 до 75 м и высоконапорные — с напором более 75 м.

Следует отметить, что указанные границы выбраны несколько условно, однако сведения о высоте плотины несут много полезной информации. В частности, можно сделать вывод о назначении гидроузла, в который входит плотина, и о составе других сооружений, образующих этот гидроузел! Так, низконапорные гидроузлы строятся обычно в целях водозабора или для судоходства, но на равнинных реках бывают и энергетическими. Средненапорные гидроузлы чаще всего бывают энергетическими и транспортно-энергетическими (рис. 2.1). Высоконапорные узлы в основном строятся для нужд энергетики и регулирования стока в разных водохозяйственных целях.

По характеру основания. Различают плотины, построенные на мягких грунтах (проницаемых, нескальных) и на скальных грунтах.

БИБЛИОТЕКА

под плотиной, способ расчета параметров фильтрационного потока и выбор средств борьбы с фильтрацией, а в конечном счете свойства грунта влияют на устойчивость плотины и возможность создания максимального напора.

1 — водосброс; 2, 3, 4 — глухие плотины; 5 — судоходный Наконец, плотины могут различаться по конструктивным признакам, о чем более подробно будет сказано в следующих главах книги.

Глава 3. Взаимодействие плотины с рекой 3.1. Характерные уровни воды в верхнем бьефе плотины В общем случае различают три характерных уровня воды в верхнем (подпертом) бьефе плотины (рис. 3.1.): уровень мертвого объема (УМО), нормальный подпорный уровень (НПУ), форсированный подпорный уровень (ФПУ), который, как правило, возвышается над нормальным подпорным уровнем на высоту а, называемую высотой форсировки уровня воды в верхнем бьефе.

Эти три уровня выделяют три призмы водохранилища, образованного плотиной: призму I называют мертвым объемом, призму II — полезным объемом, призму III — резервным объемом.

Мертвый объем является запасной емкостью, рассчитанной на постепенное заполнение наносами вследствие заиления водохранилища, а также на прочие надобности: зимовку рыбы, обеспечение нормальных санитарных условий, пожаротушение и др. В зависимости от мертвого объема устанавливается отметка УМО.

Полезный объем — это объем водохранилища, который используется для различных хозяйственных (т. е. полезных) целей: подачи воды на орошение, увеличения в маловодный период расходов и уровней воды в нижнем бьефе, аккумуляции паводков для борьбы с наводнениями и т. п.

Необходимый полезный объем и отметка НПУ, которая определяет этот объем, устанавливаются с учетом различных экономических и хозяйственных соображений. Более подробно указанные вопросы изучаются в курсе «Водное хозяйство и водохозяйственные Рис. 3.1. Характерные уровни воды в верхнем бьефе плотины 1.

I — мертвый о б ъ е м ; II — полезный объем; I I I — резервный о б ъ е м.

расчеты». При проектировании плотины отметка НПУ считается заданной.

Резервный объем, располагающийся между НПУ и ФПУ, целиком определяется (при заданной отметке НПУ) отметкой ФПУ.

Форсированный подпорный уровень есть такой уровень, при котором через полностью открытые водосбросные отверстия плотины (и имеющиеся береговые водосбросы) проходит максимальный расчетный расход воды.

Значение ФПУ устанавливается технико-экономическим расчетом, учитывающим ущерб от временного затопления земель в верхнем бьефе за период, когда уровень находится выше НПУ, и стоимость той или иной конструкции водопропускных сооружений плотины, обеспечивающих прохождение максимального расчетного расхода воды.

3.2. Действие речного потока на плотину Кроме тех видов воздействия, которые вода оказывает на любое гидросооружение (см. п. 1.3), плотины испытывают со стороны водного потока ряд дополнительных действий, последствия которых учитываются в конструкциях рассматриваемых сооружений.

В верхнем бьефе у плотины поток имеет обычно скорости течения меньше, чем они были до создания подпора. Однако на подходе к водосбросным отверстиям местные скорости возрастают и при известном их значении возможны размывы русла, способные привести к нарушению устойчивости плотины (рис. 3.2). Для защиты русла от размыва перед плотиной устанавливается специальное покрытие, носящее название понур. Другое назначение понура— борьба с фильтрацией воды под сооружением (см. п. 4.1).

В пределах плотины вода движется с очень большими скоростями (иногда более 20 м/с), оказывая на сооружение динамическое воздействие ввиду возникающих пульсаций потока, его изгиба соответственно форме слива, местных сопротивлений, вакуумов и пр. Сведение этих воздействий до возможного минимума достигается путем подбора плавных форм тех поверхностей сооружения, по которым движется поток.

Рис. 3.2. Воздействие потока на подпорное сооружение и В нижнем бьефе за плотиной значительная кинетическая энергия потока, пропорциональная расходу воды и квадрату скорости, неизбежно разрушает русло, вызывает глубокие размывы даже скального грунта дна реки, что будет угрожать целости плотины. Поэтому принимаются меры гашения избыточной кинетической энергии и защиты русла от разрушения специальными покрытиями.

Для этого непосредственно за водосливом плотины укладывают массивную плиту, называемую водобоем. На нем теряется основная часть кинетической энергии путем образования вальцов при сопряжении потока с водой нижнего бьефа, а также благодаря расщеплению потока на отдельные струи и взаимному перемешиванию струй, для чего на водобое часто устраивают специальные выступы, пороги, стенки. За водобоем следует обычно гибкое, проницаемое для воды покрытие, называемое рисбермой, на которой скорости потока доводятся до величин, не опасных для грунта русла (рис. 3.3).

3.3. Действие плотины на речной поток Плотины, образующие водохранилища, особенно крупные, приводят к коренным преобразованиям водного режима, увлажненности и микроклимата прилегающих к ним территорий, вызывая Рис. 3.4. Схема подъема уровня грунтовых вод и подтопления земель.

изменение их флоры и фауны. Остановимся на основных изменениях, происходящих выше и ниже плотины в реке и речном русле.

Подпор, созданный плотиной, распространяется на значительные расстояния, вызывая увеличение глубин в реке и уменьшение скорости течения, что приводит к разнообразным последствиям.

Так, повышаются уровни грунтовых вод в речных поймах, долинах и в прибрежной зоне водохранилищ. Это явление в большинстве случаев отрицательно сказывается на окружающей среде, так как сопровождается заболачиванием территории, выпадением лесов по берегам водохранилищ в северных районах, засолением почв в южных районах, всплытием торфяников и др. (рис. 3.4).

В связи с уменьшением по мере приближения к плотине скорости течения потока в водохранилище происходит выпадение из воды наносов, которые сортируются по крупности сообразно со скоростями течения, т. е. с постепенным уменьшением крупности по направлению к плотине.

Помимо наносов,г приносимых рекой, твердый материал поступает в водохранилище за счет обрушений берегов вследствие размывающего действия волн, вследствие оползней, осыпей и обвалов крутых берегов. Все эти процессы приводят к так называемому переформированию берегов водохранилищ и образованию' пологих «пляжей» в прибрежной зоне.

В связи с отложением наносов емкость водохранилища уменьшается, причем темпы такого уменьшения зависят от количества наносов, от емкости водохранилища, условий работы последнего и других факторов. Отмечаются случаи, когда построенное водохранилище заиляется за относительно короткий срок — за несколько лет; например, подпорный бьеф Земо-Авчальской ГЭС на р. Куре в течение 5 лет был заилен на 60 %, Штеровское водохранилище на р. Миус (Донбасс) за такой же период на 85 %, Гиндукушское водохранилище в Средней Азии почти полностью занесено за 13 лет.

Вместе с тем в литературе приводятся также примеры водохранилищ, которые почти не заиляются; к ним относится водохранилище одной из высочайших в мире плотин Боулдер (на р. Колорадо), которое в соответствии с проведенными расчетами должно заполниться илом только через 445 лет.

Заиление наших крупных водохранилищ на Волге, Дону и других равнинных реках будет идти очень медленно и практически, за исключением явлений в хвостовых участках, не имеет значения.

Откладывающиеся наносы не только уменьшают полезную емкость водохранилища и создают в хвостовой его части затруднения для судоходства, но и приводят к постепенному подъему уровня воды в верхнем бьефе, а также более дальнему от плотины распространению кривой подпора, что вызывает увеличение затоплений земель. В частности, в зоне переменного подпора может оказаться гидрологический (водомерный) пост, который до строительства плотины и наполнения водой водохранилища находился на свободном участке реки.

Поэтому при проектировании и эксплуатации водохранилищ на реках с повышенным содержанием наносов приходится интересоваться вопросами заиления водохранилищ, а в ряде случаев намечать соответствующие меры по борьбе с этим явлением.

Если ситуация такова, что насыщенность водного потока наносами значительно уменьшается за счет осаждения их в зоне водохранилища, то тогда в нижний бьеф водоподпорного сооружения поступает осветленная вода. В результате устойчивость русла в нижнем бьефе, установившаяся в предшествующий строительству плотины период, нарушается, так как поток начинает интенсивно размывать русло и насыщаться наносами в соответствии со своей «транспортирующей способностью». При этом дно русла нижнего бьефа будет несколько понижаться, иногда на значительное расстояние от плотины (десятки и даже сотни километров). Снижение дна русла в нижнем бьефе может вызвать: а) нарушение устойчивости мостовых опор; б) понижение уровня грунтовых вод в берегах, что сопровождается, в частности, обсыханием колодцев;

в) ухудшение работы ранее построенных водозаборов.

После строительства плотины существенно меняется и ледовотермический режим на участке реки, оказавшейся в зоне распространения подпора. В верхнем бьефе вследствие резкого замедления скоростей течения быстрее наступает ледостав, ледяной покров достигает большей толщины, чем имел место до строительства сооружения, затягиваются сроки вскрытия, что отрицательно сказывается на условиях судоходства и даже может оказать влияние на микроклимат прилегающей территории.

Накопление больших объемов воды способствует аккумуляции в водохранилищах дополнительного тепла (впрочем, мало влияющего на ледовый режим верхнего бьефа). Это тепло, поступая с водой в нижний бьеф, вместе с высокими скоростями потока зимой замедляет формирование за плотиной ледяного покрова, приводя к образованию полыней. Последние, как известно, при определенных метеорологических условиях являются «фабриками шуги». Шуга же, перемещаясь водным потоком в больших количествах на нижележащие участки реки, где установился ледяной покров, способствует образованию зажоров, приводящих к зимним наводнениям и образованию обширных наледей, иногда приносящих значительный ущерб народному хозяйству (выход из строя дорог, мостов, линий электропередач и связи и т. п.).

Глава 4. Фильтрация воды под плотинами 4.1. Причины фильтрации и ее последствия Основания плотин — различные горные породы — обычно в той или иной мере проницаемы для воды ( в том числе и скальные).

Естественно поэтому, что после поднятия плотиной уровня воды в реке основание сооружения насыщается водой, которая движется по порам и трещинам из зоны большего давления в зону меньшего давления, т. е. из верхнего бьефа в нижний. Это движение называется фильтрационным или фильтрацией воды.

Область фильтрации под напорным гидротехническим сооружением ограничивается сверху поверхностями сооружения, которыми оно соприкасается с грунтом основания и берегов, а снизу — кровлей водоупора (иногда водоупор отсутствует на практически достижимой глубине). Входной поверхностью фильтрационного потока является дно верхнего бьефа, выходной — дно нижнего бьефа и проницаемые для воды части сооружения (рисберма, дренажные устройства и пр.).

Фильтрация воды под сооружением является напорной, так как свободная поверхность фильтрационного потока отсутствует.

Линия контакта сооружения с грунтом основания по направлению продольной оси потока называется подземным или фильтрационным контуром, который обычно представляет собой ломаную линию (на рис. 3.3 линия ABCDEFGKL).

Фильтрация воды под напорными гидротехническими сооружениями имеет следующие последствия:

1) происходит потеря (утечка) воды из водохранилища в нижний бьеф;

2) -фильтрующаяся вода оказывает гидростатическое давление на подошву сооружения, направленное снизу вверх и называемое обычно противодавлением ввиду направленности его противоположно силе тяжести. Противодавление как бы облегчает сооружение, уменьшает его вес и сопротивление сдвигающим сооружение горизонтальным силам;

3) фильтрующаяся вода может механически и химически действовать на грунт, слагающий основание сооружения, увлекая за собой мелкие частицы, а соли растворяя и унося их в нижний бьеф. В первом случае процесс называется механической суффозией грунта, а во втором — химической суффозией. Начавшаяся суффозия делает грунт основания более проницаемым для воды, скорости фильтрации возрастают, фильтрующийся поток оказывается способным выносить частицы большего размера и при дальнейшем развитии явления может закончиться разрушением основания и аварией сооружения.

Таким образом, борьба с последствиями фильтрации конкретно направлена на сокращение потерь воды из верхнего бьефа, на уменьшение противодавления, на снижение скоростей фильтрационного потока.

Априори можно утверждать, что при одном и том же напоре на плотине фильтрация под сооружением и ее последствия будут тем меньше, чем больше путь фильтрации, т. е. длина фильтрационного контура.

Удлинение путей фильтрации создается устройством перед плотиной водонепроницаемого покрытия, называемого понуром, а под понуром и сооружением — вертикальных преград в виде шпунтовых стенок в мягких грунтах, либо в виде цементных, битумных и других завес в скальных основаниях.

Аналогичный процесс фильтрации совершается и в берегах русла или долинах, к которым примыкает подпорное сооружение.

Борьба с этим явлением также ведется в основном удлинением путей фильтрации.

Для обоснованного определения размеров противофильтрационных элементов плотины и полного учета стока в створе гидроузла необходимо уметь рассчитывать значения основных параметров фильтрационного потока: его скорости, расходы и противодавления.

4.2. Расчет фильтрационного противодавления и длины подземного контура в мягких основаниях методом линейной контурной фильтрации 4.2.1. Расчет противодавления Идея метода линейной контурной фильтрации, предложенная Бляем, состоит в следующем.

Для определения полного противодавления на подошву сооружения (рис. 4.1) необходимо иметь значение этого противодавления во всех точках подошвы, т. е. должна быть построена эпюра противодавления, площадь которой и даст искомую величину.

Как же построить указанную эпюру?

. Не вызывает никаких сложностей определение противодавления в начале и в конце пути фильтрации, т. е. в точках 1 я 2. Согласно законам гидростатики, давление в жидкости на глубине # i м будет Это давление в рассматриваемой точке действует по всем направлениям без изменения, в том числе и на подошву сооружения снизу вверх. Аналогично в точке 2 противодавление будет равно у0Н2 т/м2. Выбрав некоторый масштаб для построения эпюры, можно из точек 1 я 2 отложить вниз значения найденных давлеРис. 4.1. Схема к определению взвешивающего и фильтрационного противодавления на водоподпорное сооружение (пояснения нии и тогда на эпюре получим точки Г я 2'. Для завершения построения эпюры Бляй предположил, что ближайшая к основанию сооружения струя фильтрующейся воды строго обтекает («лижет») подземный контур и на этом пути тер-яет свой напор по л и н е й н о м у закону. Значит, точки Г я 2' надо соединить прямой линией, и построение эпюры будет закончено.

Трапецеидальную эпюру противодавления принято разбивать горизонтальной прймой на прямоугольную и треугольную части, соответствующие взвешивающему и фильтрационному противодавлениям.

Взвешивающее противодавление по своей природе — это гидростатическое противодавление (известно еще под названием Архимедова); оно в любой точке основания сооружения соответствует весу столба воды высотой равной глубине погружения точки под уровень нижнего бьефа. Для схемы сооружения, приведенного на рис. 4.1, взвешивающее противодавление UB3 во всех точках основания одинаково и равно уоН2 т/м 2.

Фильтрационное противодавление Uф — это гидродинамическое противодавление, обязанное своим происхождением напору Я на сооружении. В начале пути фильтрации оно всегда численно равно напору, т. е. уоН т/м2, а в конце пути фильтрации должно быть равно нулю. В точках основания между началом и концом подземного контура фильтрационное противодавление принимает некоторое промежуточное -значение, которое, например, согласно теории Бляя, следует вычислять по формуле где — фильтрационное противодавление в i-й точке, т/м ; Н—• напор, м; L — длина подземного контура, м; U — расстояние от Рис. 4.2. Плотина и эпюра противодавления на ее подземный Следовательно, в общем случае противодавление в любой точке подземного контура водоподпорного сооружения складывается из взвешивающего и фильтрационного противодавлений и потому называется еще суммарным противодавлением.

При более сложном контуре (подземном) чем тот, который изображен на рис. 4.1, например, при контуре, представленном на рис. 4.2, построение эпюры противодавлений производится следующим образом.

Разворачивают в прямую линию подземный контур сооружения, откладывая последовательно в некотором масштабе участки 1—2, 2—3, и т. д. до 11—12. Затем в начале пути фильтрации, т. е. в точке 12 откладывают вниз максимальное значение фильтрационного противодавления, равное уоН, получая на эпюре точку 12'. Соединив точки 12' и 1 прямой линией, будем иметь эпюру фильтрационного противодавления. Далее пристраиваем к полученной эпюре значение взвешивающего противодавления во всех пронумерованных точках подземного контура, для чего против каждой из указанных точек откладываем вниз от линии 12'— 1 соответствующие значения противодавления, равные уоУи г Д е г/, — заглубление точки контура под уровень нижнего бьефа. Таким образом, на эпюре появляется новая группа точек 1", 2", 3",..., 12", которые соединяем ломаной линией; на этом построение эпюры заканчивается. Площадь полученной эпюры на участках между точками 4—5,. 6—7 и 8—9 (на рис. 4.2 заштрихована) представляет силу, действующую на основание плотины снизу вверх, т. е. суммарное противодавление (W т/м) на единицу длины плотины (из плоскости чертежа).

Противодавление в любой точке подземного контура Ui можно найти не только графически (по построенной эпюре), но и аналитически, воспользовавшись выражением где дополнительно обозначено: — расстояние от точки 1 до точки, в которой определяется противодавление, м. Общая длина подземного контура L в данном случае находится так:

т. е. равна сумме длин горизонтальных и вертикальных участков подземного контура.

Однако опыт показывает, а более совершенная теория подтверждает, что метод Бляя, хотя и очень удобный из-за своей простоты, неправилен по существу, так как во многих случаях фильтрующаяся вода не движется строго вдоль подземного контура сооружения, вертикальные и горизонтальные участки контура оказывают различное сопротивление фильтрационному потоку и в результате падение напора происходит не по прямой линии. Поэтому в настоящее время метод Бляя может применяться только для предварительных (прикидочных) расчетов.

Учтя недостаток изложенного метода, Е. Лен предложил его незначительное усовершенствование, заключающееся в учете того фактора, что потеря напора на вертикальных участках подземного контура примерно в 1,5—3 раза больше, чем на горизонтальных. По методу Лена при вычислении фильтрационного противодавления по формуле (4.1) используются не фактические длины подземного контура L и U, а так называемые приведенные длины, в ходе расчета которых реальные размеры горизонтальных участков контура уменьшают в т раз, т. е.

Если определение фильтрационного противодавления в заданных точках основания сооружения производится не аналитически, •а графически, то разворачивая в линию подземный контур для построения эпюры противодавления, длины горизонтальных уча- I Наклонные участки контура, имеющие крутизну по отношению к горизонту менее 45°, относятся к горизонтальным, а имеющие j Расчеты по методу Лена дают удовлетворительные результаты лри небольших напорах и относительно простых очертаниях под- j земного контура сооружений. Таким условиям отвечают некоторые плотины, шлюзы и большинство гидрологических расходомеров (водосливов и лотков). I 4.2.2. Расчет длины подземного контура Во избежание механической суффозии необходимо, чтобы скорости фильтрующегося потока были бы меньше тех, при которых может начаться процесс выноса частичек грунта основания в нижний бьеф сооружения. Из гидрогеологии известно, что скорость :

фильтрации зависит от пьезометрического уклона i = # : L. Следо- ;

вательно, для каждого типа грунта существует тот предельный уклон, превышение которого вызывает суффозию.

На практике оказалось удобней пользоваться не пьезометрическим уклоном, а величиной, ему обратной, т. е. 1 : i=L : Н = С, ' откуда В результате изучения более 200 выстроенных плотин (в том числе и потерпевших аварии) Лен составил таблицу значений коэффициентов С0 (табл. 4.1) для использования их при определении приведенной длины подземного контура сооружения по формуле Переход от приведенной длины подземного' контура к реальной и обратно осуществляется на основании выражения (4.4).

Более надежные результаты, чем дает метод Лена, могут быть получены по так называемому методу коэффициентов сопротивления, предложенному Р. Р. Чугаевым и принятому в нашей стране в общегосударственных строительных нормах как обязательный (СНиП II—И. 12—67). Этот метод также позволяет построить эпюру противодавления и рассчитать фильтрационную прочность основания по значению пьезометрического уклона. Но и метод Р. Р. Чугаева не свободен от некоторых недостаточно строгих допущений, не исключает возможности проявления субъективизма в ходе выполнения расчетов и относительно трудоемок.

Его подробное изложение дается в специальной литературе по гидротехнике и гидравлике, например в работе [7].

Значения коэффициентов С0 для различных грунтов основания плотины Песок очень мелкий, ил Песок мелкий Песок средней крупности Песок крупный Гравий мелкий Гравий средней крупности П р и м е ч а н и е. Сниженный коэс эфициент С0 рекомендует ся использовать при наличии под плотиной шпунтов.

4.3. Расчет элементов фильтрационного потока в мягких грунтах по гидродинамической сетке 4.3.1. Описание гидродинамической сетки Скорость и расход фильтрационного потока, а также уточненные значения фильтрационного противодавления можно получить сетки. Эта сетка представляет собой семейство двух систем кривых, пересекающихся между собой под прямым углом,— линий равных пьезометрических напоров (эквипотенциалей) при Д Я = = const и линий токов, т. е. траекторий движения частиц воды.

На рис. 4.3 представлена гидродинамическая сетка движения грунтового потока для двухшпунтового подземного контура. Здесь напор Я разбит на 15 частей и падение напора между двумя соседними эквипотенциалями составляет Я : л = 1 / 1 5 Я. Площадь между двумя соседними эквипотенциалями называют полосой напора, а площадь между двумя соседними линиями тока — лентой расхода. Здесь принято т = 6 лент расхода. На входе фильтрационного потока и выходе его в нижний бьеф построены эпюры скоростей v и расходов q, а против плотины — эпюра фильтрационного противодавления р, показывающая нелинейное падение напора по длине.

Выделим в крупном масштабе элемент сетки движения, как показано на рис. 4.3 б. Разность напора между эквипотенциалями Hi и Hi+i будет равна А Я = Я : п, где п — принятое число полос напора. Средняя скорость движения потока по ленте расхода, согласно закону Дарси, составит где As2 — среднее расстояние между эквипотенциалями Hi и #,+ в рассматриваемом криволинейном прямоугольнике. Из этого выражения видно, что скорость обратно пропорциональна величине As2, а так как последняя увеличивается с расстоянием от основания плотины, то скорости фильтрации будут уменьшаться в этом же направлении.

Расход фильтрационного потока через выделенный прямоугольник сетки (т. е. по ленте расхода) на 1 м погонной длины плотины составит где AS] — среднее расстояние между двумя линиями токов, а ' Ч ^ ширина потока из плоскости чертежа. Подставляя в q значение v, получим Из этого выражения видно, что если A S I = A S 2, т - е- если разбивать поле фильтрационного потока на криволинейные квадраты, Для получения полного фильтрационного расхода под плотиной надо помножить расход Q на длину плотины.

4.3.2. Способы построения гидродинамической сетки Гидродинамическая сетка строится либо по теоретическим решениям, либо экспериментально.

Современная теория фильтрации под гидротехническими сооружениями разработана акад. Н. Н. Павловским. Однако теоретическое решение задачи движения воды в грунте основания плотин пока еще получено для немногих,практических глучяеи и то с большими Ограничительными предпосылками. Основной предпосылкой является предположение о совершенной однородности грунта или породы, в которых происходит движение воды; воду считают несжимаемой, силы ' инерции пренебрежимо малыми, а само движение установившимся, непрерывным и ламинарным.

Движение плоского грунтового потока через некоторый контур в силу неразрывности жидкости должно удовлетворять уравнению Лапласа и закону Дарси:

2) в теле плотины отсутствуют растягивающие напряжения, которые очень плохо воспринимаются бетоном, т. е.

3) максимальное нормальное напряжение в бетоне сгМакс не превышает допустимого сжимающего напряжения [а], т. е.

Кроме того, треугольный профиль плотины удовлетворяет и четвертому условию — экономическому, заключающемуся в минимизации площади поперечного сечения, т. е.

Расчет размеров теоретического профиля конкретной плотины выполняется для заданных условий, которыми являются высота плотины, коэффициент трения по основанию и коэффициент устойчивости плотины на сдвиг. В основе этого расчета лежат уравнения (5.1) и (5.3).

Рис. 5.4. Теоретический треугольный профиль плоАнализ формы теоретических профилей плотин, рассчитанных для различных природных условий, показал, что в случае скальных оснований верховая грань плотины получается вертикальной или во всяком случае весьма близкой к вертикали, а в случае слабого основания профиль плотины получается распластанного вида с сильно наклоненной верховой гранью.

На практике при строительстве плотины от теоретического профиля неизбежно приходится отступать, дополняя его различными конструктивными деталями и получая в результате практический профиль. Дополнения касаются устройства: а) гребня, на котором располагается проезжая дорога и который возвышается над уровнем воды в водохранилище; б) фундаментной части;

в) противофильтрационных элементов (шпунтов, завес); г) продольных и поперечных галерей в теле плотины различного назначения; д) водопропускных отверстий и связанного с их работой оборудования (затворов, подъемных механизмов).

Конструктивные изменения теоретического профиля влекут за. собой изменение механических условий работы плотины. В связи с этим полученный практический профиль всегда подвергают достаточно детальному поверочному статическому расчету, учитывающему все силы, действующие на плотину и не рассматривавшиеся при выборе теоретического профиля (давление льда и наносов, сейсмические силы и т. п.).

Как правило, вершину треугольного теоретического профиля (точка А на рис. 5.4) располагают на отметке НПУ. Гребень плотины в виде надстройки D выполняют, как показано на рис. 5.5.

Отметку гребня (V Гр. пл) устанавливают с учетом НПУ по формуле 1 — д р е н а ж в теле плотины; 2 — потерна; 3 — отвод в о д ы ; 4 — д р е н а ж в основании; 5 — з а веса.

где а — запас, принимаемый равным, например, 0,5 м; А/г-—высота ветрового нагона воды (денивеляция уровня) с расчетной вероятностью превышения 1 %; Ав — верхняя часть высоты волны.

Значения ДА и hB находят согласно СН 92—60. (Во многих случаях величиной ДА можно пренебречь.) Ширину гребня Ь0 устанавливают в зависимости от использования гребня для тех или иных целей (для прохода или проезда, размещения крановых путей и других эксплуатационных нужд).

Минимальная допустимая конструктивная ширина гребня 60 = 2,0 м.

В фундаментную часть плотины (ниже линии СВ рис. 5.5) входят верховой подплотинный зуб, инъекционная завеса, а также некоторый массив бетона, заглубленный в скалу.

Для снижения противодавления под плотиной и в ее теле устраивают дренаж, как правило вертикальный. Этот дренаж представляет собой один ряд вертикальных труб, расположенных вблизи верховой грани плотины (рис. 5.6).

Считают, что расстояние d от верховой грани до дренажа (в данном горизонтальном сечении) должно равняться где h — заглубление рассматриваемого горизонтального сечения под уровень верхнего бьефа. При этом во избежание интенсивного выщелачивания бетона d не должно быть меньше 2,0—2,5 м.

Диаметр дрен 0,15—0,30 м, расстояние между ними 3—4 м.

Вода из дрен поступает в продольные галереи (патерны) и по о т в о д я щ и й к а н а л ; IV — сбросное устройство; / — у р е з в о д ы ; 2 — дорога.

Рис. 6.9. Вариант конструкции концевой части Максимально допустимые скорости при равномерном движении воды величину Н ' устанавливают по расходной формуле соответствующего водослива (для < 2 р а с ч ).

Если промежуточный отводящий канал достаточно короткий, то дно его можно проектировать горизонтальным. В этом случае канал приходится рассчитывать по формулам неравномерного движения воды.

При благоприятных топографических условиях промежуточный канал может и отсутствовать. В этом случае вода, пройдя водослив, будет поступать непосредственно в сбросное устройство, и водослив будет являться головной частью этого устройства.

Сбросное устройство выполняют в виде быстротока или многоступенчатого перепада.

Быстроток (см. участок IV на рис. 6.8) представляет собой канал большого уклона, значительно превышающий критический.

Поток в пределах быстротока находится в бурном состоянии.

Иногда быстроток может иметь большую длину, превышающую, например, 1 км.

Различают следующие части быстротока: а) входную, которая образуется порогом Е (см. рис. 6.8); б) транзитную; в) концевую.

Транзитная часть — собственно канал—-выполняется из бетона, железобетона, дерева или прямо высекается в скале (без какойлибо обделки) и может иметь различную форму поперечного сечения.

Концевую часть быстротока можно проектировать без отброса струи или с отбросом струи от быстротока, при этом наиболее часто предпочтение отдается второй схеме (рис. 6.9).

. Многоступенчатый перепад, как правило, строят колодезный.

Здесь, в отличие от быстротока, энергия потока по длине сбросного устройства гасится относительно равномерно. Размеры ступеней перепада определяются гидравлическим расчетом.

Многоступенчатый перепад можно устраивать при определенных уклонах местности и в случае нескального грунта. Эти перепады применяются только для плотин небольшой и средней высоты. Как правило, более экономичным сооружением является быстроток.

Рис. 6.10. Схема открытого берегового водосброса с боковым отводом воды.

Открытый береговой водосброс с боковым отводом воды от водослива (траншейный водосброс). Как отмечалось выше, отводящий промежуточный канал стремятся сделать возможно уже, при этом глубина его получается довольно большой; ширина ж е входного водослива D (см. рис. 6.8) оказывается малой, а высота затворов — большой. Чтобы уменьшить высоту затворов, а, следовательно, получить их более дешевыми и удобными в эксплуатации, вместо прямого отвода воды от водослива D устраивают боковой отвод (рис. 6.10), направленный вдоль гребня ВС входного порога, при этом длина водослива может быть сделана сколь необходимо большой, а напор на нем и, следовательно, высота затворов соответственно снижены.

Шахтный водосброс. Д л я шахтного водосброса обычно используется туннель, пробитый в береге для пропуска строительных расходов воды. По окончании постройки плотины существующий вход в туннель из водохранилища закрывают пробкой и делают новый вход в виде вертикальной или наклонной шахты. В период нормальной эксплуатации плотины вода в туннель может поступать только через воронку кольцевого водослива, образующего оголовок шахты (рис. 6.11). Движение воды в шахте и в туннеле д о л ж н о быть безнапорным, что обеспечивается соответствующим подбором их геометрических характеристик (диаметра, уклона).

Шахтные водосбросы целесообразны при высоких плотинах в узких скальных ущельях с крутыми склонами, неблагоприятными для осуществления других типов водосбросов. При определенных условиях этот водосброс может пропускать весьма большие расходы воды, например д о 6000 м 3 /с.

6.5.3. Конструкция глубинных отверстий Транзитная часть водоспускного сооружения, имеющего глубинное входное отверстие, может быть выполнена в виде: а) туннеля Рис. 6.12. Схема глубинного водоприемника башенного типа.

(напорного или безнапорного), устраиваемого в основании плотины или в берегах (обычно в скальном грунте); б) бетонной галлереи (рис. 6.12), напорной или безнапорной, построенной в открытой выемке под плотиной (до ее возведения на поверхности материкового грунта); в) так называемой «сухой галлереи» (рис. 6.13) (или туннеля), в которой проложены стальные напорные трубы.

По расположению затворов здесь различают водоспуски:

1) с затворами, расположенными в начале водопропускного тракта в специальных башнях (башенные водоспуски) (см.

рис. 6.12); 2) с затворами, расположенными в средней части водопропускного тракта в шахтах (шахтные водоспуски) (см. рис. 6.13).

По сравнению с поверхностными водопропускными отверстиями глубинные обладают тем преимуществом, что вода в них поступает под напором и, следовательно, для пропуска одного и того ж е расхода воды размеры глубинных отверстий будут меньше, чем поверхностных.

и плотины из прочих строительных материалов 7.1. Деревянные плотины Деревянными плотинами называются такие, в которых нагрузка от воды и других факторов воспринимается в основном деревянными конструкциями, а устойчивость против сдвига обеспечивается закреплением деревянных частей в основании, нагрузкой их балластом в виде земли, камня и другими средствами.

Деревянные плотины, как правило, устраивают водопропускными (водосливными); глухие деревянные плотины применяются очень редко, так как они оказываются д а ж е в лесистых местностях дороже глухих земляных или каменно-набросных плотин.

Рассматриваемые плотины сооружаются: а) главным образом в целях улучшения лесосплава на небольших лесосплавных реках;

б) иногда в связи с устройством небольших ГЭС или в тех или других интересах сельского хозяйства.

Основной породой дерева в плотиностроении является сосна как наиболее распространенная и стойкая в условиях переменной влажности.

Положительными качествами древесного строительного материала, содействовавшими широкому применению его в плотиностроении, являются: легкость обработки и простота конструкций, упругость, малая чувствительность к колебаниям температуры, хорошая сопротивляемость размывающему действию воды, сравнительная дешевизна.

Недостатком дерева являются: деформативность древесины (усушка, коробление и снижение ее прочности под влиянием влажности); трудность конструирования элементов, работающих на растяжение; сгораемость; подверженность гниению и разруВодобой Прижим Рис. 7.1. Поперечный разрез свайного флютбета.

шению вредителями. Последнее обстоятельство наиболее важно, так как до 10—15 лет сокращает срок надежной службы сооружения, хотя при своевременном ремонте верхних частей плотины срок этот может быть доведен до 25 лет и более. В целях борьбы с гниением дерево в соответствующих местах конструкции пропитывается антисептиками.

Флютбет деревянной плотины устраивается по'одному из следующих типов: 1) свайный, в котором нагрузка от воды воспринимается в конечном счете сваями, забиваемыми в грунт основания;

2) ряжевый, в котором нагрузки передаются стенкам ряжей;

3) контрфорсный, аналогичный железобетонным контрфОрсным плотинам.

Свайный флютбет (рис. 7.1) состоит из понура, водобоя, слива и рисбермы и образуется рядами свай, забитых в грунт основания и перекрытых сверху деревянными полами, под которыми уложена загрузка (балласт). Балласт служит для обеспечения водонепроницаемости понурной и водобойной частей, для защиты основания от суффозии, а также для обеспечения сопротивления всего сооружения сдвигу.

. В целях борьбы с фильтрацией в подземный контур сооружения обычно вводят два шпунтовых ряда: понурный и королевый, причем последний является основным и важнейшим.

Максимальный напор на плотине со свайным флютбетом обычно не превышает 2—3 м.

Ряжевые флютбеты представляют собой бревенчатые или брусчатые ящики, заполненные балластом и прикрытые сверху деревянным настилом. Горизонтальным усилиям они сопротивляются своим весом, благодаря которому создается по основанию необходимая для сопротивления сдвигу сила трения.

Рис. 7.2. Свайно-ряжевый флютбет русского типа.

Ряжевые флютбеты устраивают на скальных и нескальных основаниях, причем если последние недостаточно плотны и допускают забивку свай, ряжи ставят на сваи (на свайный ростверк) и флюбет носит название свайно-ряжевого, или, как его еще называют, русского типа (рис. 7.2).

Максимальный напор на плотине с ряжевым флютбетом составляет 10—15 м, а в исключительных случаях достигает 20— 22 м.

Контрфорсные плотины по допустимым на них максимальным напорам занимают промежуточное положение между свайными и ряжевыми плотинами.

Гидравлические расчеты водосливных деревянных плотин, а также расчеты их подземного контура осуществляются так же, как и соответствующие расчеты бетонных плотин (см. выше); расчеты прочности отдельных деревянных элементов плотины выполняют по правилам строительной механики, изучаемой в технических вузах в курсе «Инженерные конструкции».

7.2. Другие виды плотин Особое место занимают небольшие плотины временного типа, выполняемые или из подручного материала или разборчатые.

К числу первых, в частности, относятся: а) хворостяные и 1 — песчано-глинистый грунт; 2 — д е р н, к а м н и, солома; 3 — пригрузка к а м н е м ; 4 — выстилка хворостом; 5 — ф а ш и н ы.

ются из проволочных (сетчатых) «ящиков», заполненных камнем, называемых габионами; их высота достигает 5 м и более.

1 — песчано-глинистый грунт; 2 — дерн, мох, солома; 3 — ж е р д и ; 4 — з а п о л н е н и е хворостом, сучьями, дерном и землей; 5 — в е р ш и н ы д е р е в ь е в Разборчатые плотины используются для производства ремонтных работ на шлюзах, в доках и для создания на небольших водотоках сезонных водохранилищ с целью удовлетворения разноРис. 7.5. Варианты габионной плотины.

образных потребностей сельского хозяйства. Раньше такие плотины применялись и для улучшения судоходных условий на реках.

Ниже дадим краткое описание двух типов разборчатых плотин.

1. Г и б к и е п е р е п о н ч а т ы е (мембранные) плотины из синтетических оболочек или прорезиненной ткани, выпускаемые на. заводе и быстро устанавливаемые на месте; напор на них может быть до 4 м.

2. П л о т и н ы т и п а К о р и ц к о г о (называемые также плотинами Пуаре) выполняют по схеме, представленной на рис. 7.6.

И х устройство таково. На бетонном флютбете на шарнирах устаРис. 7.6. Плотина Корицкого (Пуаре).

новлены металлические раскосные фермы, которые могут быть уложены на дно или поставлены вертикально с помощью лебедки.

Для создания преграды фермы поднимают и соединяют на болтах металлическими балками, служащими прогонами служебного пешеходного мостика. Д л я образования напора перед фермами опускают плотно друг к другу спицы, представляющие собой деревянные брусья сечением от 10x10 см до 20x20 см, нижним концом опирающиеся в уступ флютбета, а верхним на балки служебного мостика.

Недостатком спицевых затворов является большая фильтрация, поэтому спицы заменяют легкими деревянными окованными щитками, которые опускают лебедками и укладывают непосредственно на металлические фермы.

Существуют и другие типы разборчатых плотин, но в настоящее время они не имеют широкого применения.

Глава 8. Механическое оборудование плотин 8.1. Общие сведения Механическое оборудование плотин служит для открытия и закрытия водопропускных отверстий, устраиваемых в плотинах.

Различают следующие основные виды механического оборудования плотин:

1) з а т в о р ы, служащие непосредственно д л я закрытия и открытия водопропускных отверстий плотин;

2) з а к л а д н ы е ч а с т и з а т в о р о в, т. е. неподвижные металлические устройства, заделываемые в бетонное тело плотины и обеспечивающие нормальную работу затворов; в качестве примера закладных частей можно назвать различные опоры затворов, рельсы, по которым перемещается затвор, и т. п.;

гидроприводы, при помощи которых осуществляется поднятие или опускание затвора. Существуют затворы гидравлического действия (см. ниже); в случае этих затворов вместо подъемно-опускных механизмов применяют особые регулирующие устройства — водоводы с задвижками, балансиры и т. п.;

4) с л у ж е б н ы е м о с т ы, на которых располагаются стационарные подъемные механизмы или по которым перемещаются подъемные краны..

Наибольший интерес представляют затворы, т. е, подвижные конструкции, которые могут закрывать и частично или полностью открывать водопропускные отверстия гидротехнических сооружений.

По назначению различают затворы:

а) рабочие (или основные), которые постоянно работают при эксплуатации плотины; с их помощью регулируют величину расхода воды, сбрасываемой в нижний бьеф, а т а к ж е поддерживают в случае необходимости соответствующий уровень воды в верхнем бьефе;

б) ремонтные, которыми закрывают данное отверстие на период запланированного ремонта рабочего затвора (или соответствующей части сооружения); маневрирование ремонтными затворами осуществляют в покоящейся воде; определенное число ремонтных затворов сохраняют обычно в специальных затворохранйлищах и доставляют их к месту установки при помощи кранов;

. в) аварийные, которыми закрывают отверстие в случае какойлибо аварии; эти затворы должны опускаться в текущую воду (чем они существенно отличаются от ремонтных затворов);

иногда требуют, чтобы аварийные затворы были быстродействующими;

г) аварийно-ремонтные, выполняющие функции как аварийных, так и ремонтных затворов;

д) строительные, которые используются в период строительства плотины; эти затворы по окончании строительства желательно использовать как затворы рабочие или ремонтные.

По роду перекрываемого отверстия затворы делятся на поверхностные, служащие д л я закрытия водосливных отверстий; гребень такого затвора в закрытом положении находится выше уровня воды верхнего бьефа и глубинные, служащие для закрытия глубинных отверстий и всегда находящиеся ниже уровня воды верхнего бьефа.

8.2. Поверхностные затворы 8.2.1. Классификация затворов В дополнение к изложенному выше делению затворов по назначению существуют следующие классификации поверхностных затворов.

По способу передачи давления воды на сооружение затворы делятся на: а) затворы, передающие давление воды на быки и устои (рис. 8.1 а — г ) ; б) затворы, передающие давление воды на порог плотины (рис. 8.1 д—ж); в) затворы, передающие давление и на порог, и на быки (рис. 8.1 з, и).

По способу передвижения и связанным с ним конструктивным особенностям различают несколько десятков различных видов водосливных затворов. На рис. 8.1 приведены схемы, которые применяются наиболее часто:

а — плоский затвор; при закрытии или открытии отверстия затвор 1 перемещается в вертикальных пазах 2, выполненных в быках или устоях;

б — шандоры — шандорная стенка, образованная отдельными горизонтальными балками 1 — шандорами;

в — сегментный затвор 1, вращающийся относительно горизонтальной оси 2;

г — вальцовый (или цилиндрический) затвор 1, выкатывающийся по наклонным зубчатым рейкам 2, заделанным в пазах;

д — секторный затвор с низовой осью вращения; при открытии отверстия затвор 1, вращаясь относительно оси 2, опускается в камеру 3;

. е — секторный затвор с верховой осью вращения (Драм Гейт);

при открытии отверстия затвор 1, вращаясь относительно оси 2, опускается в камеру 3;

шшшшшшъ Яшйшшшяш Рис. 8.1. Схемы некоторых поверхностных (водосливных) затворов. (Пояснения в тексте.) ж — крышевидный затвор ( Д а х в е р ) ; в области 5 создается повышенное гидростатическое давление, причем части затвора 1 и 2, вращаясь,.относительно осей 3 и 4, поднимаются и закрывают отверстие;

з — плавучий затвор 1 (батопорт) системы В. Г. Гебеля имеет вид металлического судна (прямоугольного понтона); этот затвор доставляют наплаву в горизонтальном положении к месту установки (к перекрываемому пролету плотины); выдвижные оси затвора заводят в имеющиеся в быках опорные шарниры 3;

после этого затвор затапливается водой, причем он, вращаясь относительно шарниров 3, погружается одним концом в воду и в конечном счете прижимается давлением воды верхнего бьефа к контуру 4 отверстия, закрывая его;

и — клапанный затвор с продольной балкой 4 вращается вокруг шарнира 1, удерживая воду обшивкой 2; в закрытом положении затвор подвешен на постоянно напряженных тягах 3, идущих от затвора к подъемному приспособлению, установленному на быке или устое.

Как видно из приведенных схем, при неполном открытии водосливного отверстия часть затворов пропускает воду по типу истечения из-под затвора (подъемные затворы), а другая — по типу перелива воды через затвор (опускные затворы). Последние позволяют более точно регулировать уровень воды верхнего бьефа и гораздо удобнее при осуществлении сброса льда и других плавающих тел. Однако при необходимости пропускать через отверстия наносы, движущиеся по дну, предпочтительнее подъемный затвор.

С целью улучшить условия эксплуатации затворов делают иногда составные затворы, состоящие, например, из двух элементов, приводимых в движение независимо друг от друга. При наличии таких затворов (подъемно-опускных) имеется возможность сбрасывать воду как через верх затвора, так и из-под него.

В настоящее время в СССР в 65 % случаев применяют плоские затворы и в 29 % случаев сегментные.

8.2.2. Конструкция некоторых поверхностных затворов Обычный плоский металлический затвор. Этот затвор представляет собой металлическую несущую конструкцию, покрытую с верховой стороны (обращенной в сторону верхнего бьефа) водонепроницаемой обшивкой, выполненной, как правило, из листовой стали, иногда ж е из арктилита или дерева.

В простейшем случае металлическая несущая конструкция представляет собой балочную клетку, состоящую (рис. 8.2):

а) из горизонтальных балок 1; эти балки называются ригелями, они являются главными балками; б) из вертикальных балок 4, называемых стойками.

Ригели и стойки пересекаются, причем все стойки, кроме крайних стоек 2, называемых опорными, «разрезаются» ригелями на отдельные части; эти части располагаются между ригелями; сами ж е ригели представляют собой неразрывную конструкцию.

Из рис. 8.2 видно, что по контуру затвора устраивают уплотнения 6 и 7, перекрывающие зазоры, образующиеся между затвором и бетонными частями сооружения. Подъемные усилия 3 прилагаются к опорным стойкам, на которые давление воды передается от ригелей. При поднятии затвора опорные стойки его перемещаются по специальным неподвижным рельсам 9, заделанным в пазах. Во избежание перекоса и боковых перемещений затвора у опорных стоек иногда предусматривают вспомогательные опорные устройства в виде «обратных»

металлические плоские затворы: а) скользящего трения; б) колесные; в) катковые.

этих затворов выполняют из дерева (рис. 8.3 а) или металла (рис. 8.3 6 ).

При скольжении опорно-ходовых частей по неподвижным рельсам — закладным частям (или по выровненной поверхности бетона в случае ходовой части в виде деревянного бруса) — возникает сила трения;

где Р — полное гидростатическое давление на затвор; f — коэффициент трения скольжения опорно-ходовой части по рельсу. Как видно, от значения f должна существенно зависеть мощность подъемных механизмов (см. ниже).

Значения коэффициентов f различают для покоя (-в момент трогания) и при движении. Для скольжения стали по стали:

а) в случае покоя f » 0, 5 0 ; б) в случае движения f « 0, 1 5.

можно определять по формуле где G — вес затвора в воздухе.

К о л е с н ы е з а т в о р ы. С целью уменьшить мощность подъемных механизмов к опорным стойкам прикрепляют колеса или колесные тележки, которые должны катиться (при маневрировании затвором) по рельсу (по неподвижной закладной части).

В случае колесного затвора сопротивление движению слагается:

а) из трения качения по рельсу и б) из трения скольжения между колесом и осью его; чтобы уменьшить это трение скольжения, иногда устраивают роликовые подшипники.

Имея размеры колеса и соответствующие коэффициенты трения (качения и скольжения), можно найти силу сопротивления движению Т. Эту силу также можно представить в данном случае условной зависимостью: T = fP (как в случае затвора скользящего трения), где, как показывает опыт, /да0,1, откуда видно, что в случае колесных затворов Т уменьшается примерно в 5 раз (сравнительно с обычными затворами скользящего трения). При использовании роликовых подшипников Т можно снизить еще больше. Именно в снижении этой силы и заключается преимущество колесных затворов.

Число колес или колесных тележек назначают равным четырем (с тем, чтобы затвор имел четыре точки опоры).

Обычно на одно колесо водосливного затвора действует давление не более 120 т. Диаметр колеса равен 0,3—1,0 м. Колеса почти всегда имеют реборды.

Колесные тележки проектируют, например, по схеме, изображенной на рис. 8.4. Как видно, между опорной стойкой и соответствующей тележкой имеется шарнир, через который от затвора передается усилие на два колеса. Ширина пазов при наличии колес может достигать 3,0—4,0 м.

К а т к о в ы е з а т в о р ы («щиты Стонея»), В этих затворах опорные стойки опираются в каждом из пазов на ролики (катки), соединенные рамой, подвешенной на цепи (или тросе), концы коРис. 8.4. Опорно-ходовые части в виде колесных тележек 4.

торой наглухо прикреплены к быку и к затвору. Эта цепь огибает специальный ролик, укрепленный наверху катковой рамы, поэтому рама при подъеме затвора приобретает кинематику известного из физики подвижного блока.

Соответствующие расчеты показывают, что сила Т в случае катковых затворов теоретически должна быть значительно меньше, чем в случае колесных затворов. Однако опыт эксплуатации катковых затворов это не подтвердил; оказалось, что эта сила в случае катковых затворов и колесных получается примерно одинаковой (в связи с некоторым смятием катков при их движении). Учитывая это обстоятельство, а также ряд других недостатков катковых затворов, эти затворы в последнее время применяют редко (и только в условиях мягкого климата и отсутствия наносов).

Уплотнение затворов. Зазоры между затвором и бетонной конструкцией не должны пропускать воду. Чтобы обеспечить герметичность этих зазоров, на краях затвора, а в некоторых случаях и на бетонной конструкции устраивают так называемые уплотнения.

При поднятии или опускании затвора некоторые уплотнения должны перемещаться (скользить) или по сглаженной поверхности бетона, или чаще всего по забетонированным стальным полосам. Уплотнения для обеспечения герметичности должны быть прижаты к соответствующим поверхностям либо давлением воды, либо давлением предварительно деформированной резины, либо давлением пружинящей стали.

. Считают, что в настоящее время уплотнения затворов должны изготовляться из резины (различного поперечного сечения — различного профиля), а также пружинящей стали; только для малоответственных объектов считают возможным использование дерева (которое ранее широко применялось, особенно в СССР).

Различают два вида уплотнения: 1) уплотнения, отрывающиеся от поверхности плотины при движении затвора (например, так называемые донные уплотнения поднимающихся плоских заРис. 8.5. Схема донного уплотнения затвора.

творов); 2) уплотнения при движении затвора, скользящие по поверхности плотины (например, так называемые боковые уплотнения плоского затвора).

На рис. 8.5 и 8.6 показаны схемы уплотнений открывающегося (донного) и продольного скольжения (бокового); на рис. 8.7 и 8.8 — возможное конструктивное оформление этих уплотнений.

Разумеется, сопряжение донного уплотнения с боковым уплотнением требует специальной конструктивной разработки, обеспечивающей герметичность затвора в этом месте.

В настоящее время пролет плоских затворов достигает 40 м, а высота (при меньших пролетах) — 16 м. Можно считать, что площадь отверстия, перекрываемая таким затвором, иногда достигает 350 м 2.

Шандоры представляют собой балки, укладываемые в пазах бычков одна на другую для образования водонепроницаемой стенки. Шандоры обычно применяют как ремонтное или аварийное заграждение, их устанавливают впереди щита со стороны верхнего бьефа на расстоянии около 1,0 м с образованием щели, в которую может войти рабочий для ремонта щита. В плотинах с низким порогом иногда предусматривают шандорное заграждение и со стороны нижнего бьефа. Ремонтные шандоры опускают в спокойную воду перед затвором, стоящим на пороге, и поэтому они могут быть скользящими. Аварийные шандорные затворы опускают в текучую воду перед поднятым основным затвором, если его «заело» в пазах, и поэтому аварийные затворы делают колесными, так как трение качения примерно в 5—7 раз меньше трения скольжения.

Простейшие ремонтные шандоры, показанные на рис. 8.1 б, представляют собой деревянные балки. На рис. 8.9 показан колесный аварийный шандор.

Сегментный металлический затвор (рис. 8.10) представляет собой пространственную решетчатую каркасную ферму с двумя «ногами», напорная обшивка которой очерчена по цилиндрической поверхности (реже по плоскости). Затвор вращается на горизонтальных осях, укрепленных на бычках и устоях. Ноги затвора и. главные ригеля образуют так называемый портал затвора, являющийся основной его несущей конструкцией. Опорные части сегментных затворов, т. е. шарниры, располагают таким образом, чтобы равнодействующая гидростатического давления проходила через их центр вращения. Ось шарнира помещают на такой высоте, чтобы при пропуске всех расходов шарнир не был затоплен.

Р а д и у с сегментного з а т в о р а принимают равным R= (1,2 — 2,5) Н, где Н — высота затвора, т. е. напор.